張軍亞 李海英 劉紹謙 張妍妍 路 靈 劉吉愷

(1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北 唐山 063210;2.山東華宇工學(xué)院能源與建筑工程學(xué)院,山東 德州 253034)

鋼鐵行業(yè)作為我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)具有規(guī)模大、產(chǎn)量高的特點(diǎn)。近年來(lái),我國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量已超過(guò)10億t。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)爐、高爐、燒結(jié)等工序產(chǎn)生大量以細(xì)顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)為主的微細(xì)粉塵,對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。這些微細(xì)粉塵比表面積高,易吸附重金屬、多環(huán)芳烴等有害成分;體積小,易隨呼吸進(jìn)入身體,對(duì)人類健康產(chǎn)生很大危害[1-3]。當(dāng)前捕集鋼鐵微細(xì)粉塵主要采用布袋、靜電除塵器等除塵設(shè)備,綜合捕集效率可達(dá)99.5%,但對(duì)PM2.5的捕集效率較低[4]。為能有效去除微細(xì)粉塵,在除塵設(shè)備前安裝預(yù)處理裝置,使微細(xì)粉塵在物理、化學(xué)作用下團(tuán)聚形成較大顆粒,可大大提高微細(xì)粉塵去除效率。

當(dāng)前在我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)中采用煙氣預(yù)處理技術(shù)去除微細(xì)粉塵還少有研究,該技術(shù)主要在化工、火力發(fā)電等方面進(jìn)行了應(yīng)用研究,如聲波團(tuán)聚、蒸汽相變(液化冷凝)團(tuán)聚、化學(xué)團(tuán)聚、擾流團(tuán)聚等技術(shù)[5-8]。其中,化學(xué)團(tuán)聚和擾流團(tuán)聚技術(shù)由于成本低、安裝方便、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)受到廣泛關(guān)注[9]?；瘜W(xué)團(tuán)聚技術(shù)指通過(guò)噴灑團(tuán)聚劑液滴促進(jìn)對(duì)粉塵顆粒的捕捉與黏附的技術(shù)。擾流團(tuán)聚是指顆粒在擾流流場(chǎng)中由于速度和運(yùn)動(dòng)軌跡的不同而發(fā)生碰撞團(tuán)聚的現(xiàn)象。HU等[10]采用密度泛函理論探究水、果膠和海藻酸鈉與粉塵顆粒組成的各種團(tuán)聚體作用機(jī)理,證實(shí)了團(tuán)聚劑對(duì)靜電場(chǎng)除塵有明顯的促進(jìn)作用。LIU等[11]探究了高分子團(tuán)聚劑對(duì)微細(xì)粉塵去除效果的影響,發(fā)現(xiàn)高分子團(tuán)聚劑使粉塵顆粒的峰值粒徑增加到原來(lái)的4倍以上。GUO等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了兩種不同的化學(xué)團(tuán)聚溶液具有協(xié)同作用,混合團(tuán)聚劑的捕集效率高于單獨(dú)團(tuán)聚劑。申奧等[13]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),擾流柱可影響團(tuán)聚室中的流場(chǎng)分布,從而達(dá)到粉塵團(tuán)聚的效果。王國(guó)昌等[14]通過(guò)模擬探究了擾流柱形狀對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)效果的影響,發(fā)現(xiàn)“V”形擾流柱對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)效果好。

為更好提高微細(xì)粉塵的捕捉效率,協(xié)同團(tuán)聚[15]技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。因此,本研究針對(duì)轉(zhuǎn)爐煙氣的微細(xì)粉塵,探索研究化學(xué)團(tuán)聚與擾流團(tuán)聚協(xié)同作用對(duì)煙氣中微細(xì)粉塵的去除效果。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程

粉塵團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示?？諝饨?jīng)預(yù)熱器加熱至(100±10) ℃進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī),攜帶著給粉機(jī)的灰塵進(jìn)入緩沖罐攪拌,微細(xì)粉塵和空氣混合形成的氣溶膠進(jìn)入團(tuán)聚室,在團(tuán)聚劑液滴的黏附和渦流擾動(dòng)的共同作用下微細(xì)粉塵團(tuán)聚形成較大顆粒。團(tuán)聚室的末尾處設(shè)有煙氣采樣器,采集樣品通過(guò)激光粒度分析儀(Mastersizer2000)檢測(cè),其余廢液流入專門的收集裝置。由于煙氣流速不同,氣溶膠總體質(zhì)量濃度為200～300 mg/m3。團(tuán)聚室(1 000 mm×200 mm×200 mm)為棱柱結(jié)構(gòu),內(nèi)部的圓形擾流柱直徑為40 mm,“V”形擾流柱邊長(zhǎng)為35 mm、夾角為90°,兩種擾流柱交錯(cuò)排列。在距離頂部50 mm處設(shè)置噴霧系統(tǒng),霧化壓力為0.5 MPa,霧滴直徑≤30 μm,其兩側(cè)為不銹鋼材質(zhì)的錐形進(jìn)出口。

所有數(shù)據(jù)均為環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行3次的平均值,并根據(jù)團(tuán)聚前后粉塵的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算相應(yīng)的捕集效率。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用微細(xì)粉塵取自唐山某鋼廠轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)。

團(tuán)聚劑:黃原膠(XTG)與魔芋膠(KGM)復(fù)配溶液黏度較高[16],通過(guò)單一化學(xué)團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)選取了效果較好的復(fù)配比(XTG、KGM質(zhì)量比為3∶7)。另外,為增加溶液對(duì)粉塵的潤(rùn)濕效果,以0.5 g/L十二烷基硫酸鈉為濕潤(rùn)劑。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)爐粉塵特性分析

轉(zhuǎn)爐煙氣粉塵主要來(lái)自3個(gè)方面:(1)鋼鐵冶煉過(guò)程中向熔池吹氧,發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng),由于此時(shí)溫度較高,會(huì)使一部分鐵及鐵氧化物蒸發(fā),形成煙氣;(2)噴射和噴濺會(huì)使?fàn)t氣中攜帶一些固態(tài)物質(zhì),組成轉(zhuǎn)爐粉塵;(3)下料過(guò)程中的一些粉末、灰塵(如白灰、白云石、螢石等)也會(huì)隨爐氣進(jìn)入煙氣,形成轉(zhuǎn)爐粉塵。原始粉塵粒徑分布如圖2所示。微細(xì)粉塵粒徑主要分布在0～60 μm,呈單峰分布;峰值粒徑是10.74 μm,占比為5.24%;PM2.5、PM10的體積分?jǐn)?shù)分別為22.54%、61.10%。

圖2 原始粉塵粒徑分布Fig.2 Distribution diagram of original dust particle size

2.2 擾流柱縱向距離對(duì)團(tuán)聚效果的影響

單一團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)擾流柱橫向距離為6 cm、團(tuán)聚劑質(zhì)量濃度為1.00 g/L、煙氣流速為10 m/s時(shí),微細(xì)粉塵的捕集效率較高。沒(méi)有額外說(shuō)明變量,協(xié)同團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行。調(diào)節(jié)擾流柱縱向距離為6～10 cm,縱向距離對(duì)微細(xì)粉塵捕集效率的影響如圖3所示。隨著擾流柱縱向距離的增大,PM2.5和PM10的捕集效率呈先增后減的趨勢(shì),當(dāng)縱向距離為8 cm時(shí),PM2.5、PM10捕集效率最高,分別為86.47%、91.28%。分析原因:縱向距離影響著擾流柱產(chǎn)生的旋渦強(qiáng)度。當(dāng)縱向距離較短時(shí),擾流柱布置較緊湊,擾流柱后面的旋渦結(jié)構(gòu)會(huì)被其后的擾流柱破壞,氣流擾動(dòng)只存在擾流柱周圍,擾流柱下游擾動(dòng)強(qiáng)度較弱,不利于粉塵間的碰撞;當(dāng)縱向距離較長(zhǎng)時(shí),擾流柱后面的旋渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)削弱,使前后兩個(gè)擾流柱產(chǎn)生的旋渦結(jié)構(gòu)還未發(fā)生耦合作用,便已消散,導(dǎo)致碰撞效率降低[17]38。之后實(shí)驗(yàn)控制擾流柱的縱向距離為8 cm。

圖3 縱向距離對(duì)微細(xì)粉塵捕集效率的影響Fig.3 The effect of longitudinal distance on the capture efficiency of fine dust

2.3 擾流柱橫向距離對(duì)團(tuán)聚效果的影響

調(diào)節(jié)橫向距離為3～8 cm,橫向距離對(duì)微細(xì)粉塵的捕集效率的影響如圖4所示。隨著擾流柱橫向距離的增加,微細(xì)粉塵的捕集效率先增后減,當(dāng)擾流柱橫向距離為6 cm時(shí),微細(xì)粉塵的捕集效率達(dá)到最高。分析原因:較小的橫向距離會(huì)使同一水平的兩個(gè)擾流柱后的旋渦結(jié)構(gòu)發(fā)生干擾,擾流柱周圍的氣流速度突變,下游的擾動(dòng)強(qiáng)度較低,不利于粉塵顆粒和團(tuán)聚劑液滴的卷吸、碰撞;當(dāng)橫向距離較大時(shí),兩個(gè)“V”形擾流柱緊靠團(tuán)聚室壁面,大量微細(xì)粉塵從擾流柱中間逸出,使粉塵與液滴碰撞效率較低,影響團(tuán)聚效果[17]39。

圖4 橫向距離對(duì)微細(xì)粉塵捕集效率的影響Fig.4 The effect of transverse distance on the capture efficiency of fine dust

2.4 煙氣流速對(duì)團(tuán)聚效果的影響

控制煙氣流速為6～12 m/s,煙氣流速對(duì)微細(xì)粉塵捕集效率的影響如圖5所示。隨著煙氣流速增加,微細(xì)粉塵的捕集效率先增后減,當(dāng)煙氣流速為9 m/s時(shí),PM2.5和PM10的捕集效率分別達(dá)到88.69%、93.32%。分析原因:隨著煙氣流速的增加,流場(chǎng)內(nèi)的液滴與顆粒速度增加,速度梯度也增加,而且流場(chǎng)中的雷諾數(shù)增加,擾流強(qiáng)度增大,使得擾流團(tuán)聚核函數(shù)增加,促進(jìn)粉塵顆粒與團(tuán)聚劑液滴的碰撞,從而提升粉塵的團(tuán)聚效果[18]。但過(guò)大的煙氣流速,使團(tuán)聚室內(nèi)的粉塵顆粒與液滴停留時(shí)間縮短,導(dǎo)致許多粉塵和液滴還未充分接觸,就已隨主流排出,最終使粉塵的團(tuán)聚效果降低[19]。之后實(shí)驗(yàn)控制煙氣流速為9 m/s。

圖5 煙氣流速對(duì)微細(xì)粉塵捕集效率的影響Fig.5 The effect of smoke velocity on the capture efficiency of fine dust

2.5 團(tuán)聚劑濃度對(duì)團(tuán)聚效果的影響

控制團(tuán)聚劑質(zhì)量濃度為0.50～1.50 g/L,團(tuán)聚劑質(zhì)量濃度對(duì)微細(xì)粉塵捕集效率的影響如圖6所示。隨著團(tuán)聚劑濃度的增大,PM2.5和PM10的捕集效率先升后降。分析原因:當(dāng)團(tuán)聚劑濃度較低時(shí),溶液中的團(tuán)聚劑分子少,黏度也低,不利于對(duì)粉塵的黏附與捕捉,團(tuán)聚劑濃度過(guò)高,導(dǎo)致溶液黏度和分子間作用力增加,不利于團(tuán)聚溶液霧化[20];另外,隨著溶液中團(tuán)聚劑分子的數(shù)量迅速增加,聚合物分子數(shù)量對(duì)碰撞概率的影響相應(yīng)減弱,而且較多的團(tuán)聚劑分子的吸附位點(diǎn)會(huì)相互吸附,不利于對(duì)粉塵的捕捉[21]。

圖6 團(tuán)聚劑質(zhì)量濃度對(duì)微細(xì)粉塵捕集效率的影響Fig.6 The effect of agglomeration agent mass concentration on the capture efficiency of fine dust

2.6 微細(xì)粉塵的團(tuán)聚效果

微細(xì)粉塵在協(xié)同團(tuán)聚的流場(chǎng)中主要依靠擾流柱的擾動(dòng)作用和化學(xué)團(tuán)聚劑的黏附碰撞作用。為探究這些因素對(duì)微細(xì)粉塵的捕集效果,分析化學(xué)、擾流、協(xié)同團(tuán)聚作用后微細(xì)粉塵的粒徑分布情況。經(jīng)過(guò)擾流、化學(xué)、協(xié)同團(tuán)聚技術(shù)處理后,微細(xì)粉塵粒徑的峰值從10.74 μm分別提高到28.25、85.32、220.41 μm(見(jiàn)圖7);PM2.5的捕集效率分別達(dá)到30.88%、51.46%和88.69%,PM10的捕集效率分別達(dá)到34.53%、53.13%和93.32%。在擾流團(tuán)聚過(guò)程中,粉塵顆粒隨氣流通過(guò)擾流柱時(shí),較小的顆粒很快通過(guò)動(dòng)量傳遞并獲得動(dòng)量,較大的顆粒具有較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間,顆粒的速度變化率增加,發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而依靠較薄弱的范德華力發(fā)生團(tuán)聚,但團(tuán)聚較松散。在化學(xué)團(tuán)聚過(guò)程中,粉塵顆粒會(huì)與化學(xué)團(tuán)聚劑液滴在短時(shí)間內(nèi)碰撞,很快兩者會(huì)流速一致,從而導(dǎo)致團(tuán)聚劑液滴對(duì)粉塵的捕集效果較差。協(xié)同團(tuán)聚過(guò)程彌補(bǔ)了兩者的不足之處。擾流裝置與團(tuán)聚劑液滴間的相互作用對(duì)于微細(xì)粉塵的碰撞與團(tuán)聚發(fā)揮耦合作用。

圖7 不同團(tuán)聚技術(shù)對(duì)粉塵的作用效果Fig.7 Effect of different agglomeration technologies on dust

通過(guò)掃描電鏡觀察不同團(tuán)聚作用后粉塵表面變化,結(jié)果如圖8所示。團(tuán)聚前的粉塵顆粒大多為表面光滑的球形,較大顆粒間的黏結(jié)幾乎沒(méi)有,只有部分粒徑小于1 μm的顆粒間發(fā)生吸附。經(jīng)過(guò)擾流作用后,顆粒間依靠分子間作用力進(jìn)行吸附,顆粒間的黏附有了明顯的增加,一些大顆粒表面吸附了一些小的顆粒,但此時(shí)結(jié)構(gòu)也較松散。小于1 μm的粉塵顆粒在鏈狀團(tuán)聚劑的捕捉作用下,大量黏附在較大顆粒表面,形成的結(jié)構(gòu)也較牢固。協(xié)同團(tuán)聚后,可看到許多吸附了大量粉塵顆粒的絡(luò)合結(jié)構(gòu),形成結(jié)構(gòu)牢固的體積較大的團(tuán)聚體。

圖8 不同團(tuán)聚作用下微細(xì)粉塵的電鏡圖像Fig.8 SEM of fine dust under different agglomeration

3 結(jié) 論

(1) 擾流柱的縱向距離和橫向距離分別影響著流場(chǎng)中的渦流強(qiáng)度和流速分布。距離過(guò)大或過(guò)小,都會(huì)使渦流強(qiáng)度較弱,不利于粉塵顆粒與團(tuán)聚劑液滴的碰撞。當(dāng)縱向距離為8 cm、橫向距離為6 cm時(shí),擾流柱周圍氣流速度大,粉塵團(tuán)聚效果最優(yōu)。

(2) 煙氣流速的增加會(huì)使粉塵顆粒與液滴相對(duì)速度增加,流場(chǎng)中的擾動(dòng)增加,但煙氣流速過(guò)高,會(huì)使粒子在流場(chǎng)中的停留反應(yīng)時(shí)間縮短,最終得出最佳煙氣流速為9 m/s。

(3) 隨著團(tuán)聚劑濃度的增加,粉塵的捕集效率不斷增大,但超過(guò)1.00 g/L時(shí),溶液的霧化效果降低,對(duì)粉塵的捕捉效果也會(huì)降低,最優(yōu)條件下得出PM2.5和PM10的捕集效率分別為88.69%和93.32%。

(4) 在化學(xué)與擾流協(xié)同團(tuán)聚過(guò)程中,擾流裝置中的微細(xì)粉塵與團(tuán)聚劑液滴間的相互作用對(duì)于微細(xì)粉塵的團(tuán)聚和生長(zhǎng)中起著重要作用。協(xié)同團(tuán)聚可明顯提高微細(xì)粉塵的團(tuán)聚效果。