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    煤电厂粉煤灰在水力喷射空气旋流器中湿法捕集去除规律

    时间：2023-07-02 08:45:04来源：百花范文网本文已影响人

    徐 倩,邱 磊,林登铨,晏超群,程治良

    (1.重庆理工大学 化学化工学院, 重庆 400054;2.重庆科技发展战略研究院, 重庆 401123;3.福建金闽再造烟叶发展有限公司, 福州 350600)

    随着社会的快速发展,越来越多的环境问题也应运而生,而由粉尘颗粒造成的空气污染就是其中之一[1-3]。煤炭、石油等化石能源燃烧,作为我国能源主要来源,其危害是引起雾霾。雾霾的主要成分有酸性气体SO2、NOx以及颗粒物(particulatematter,PM)[2,4-6],其中颗粒物是加重雾霾天气污染的罪魁祸首。根据其直径的不同,可分为尘粒、粉尘以及亚微粉尘。颗粒物直径大于75 μm为尘粒,而直径为1～75 μm的颗粒称之为粉尘,粉尘中包含可入肺颗粒物PM2.5(≤ 2.5 μm)和可吸入颗粒物PM10(≤10 μm),其对身体造成的危害极大[7-10]。

    因此研究如何有效防治雾霾并且去除粉尘颗粒污染物,对当前颗粒物污染治理具有重要影响。目前传统的除尘技术主要有静电除尘、旋风分离器除尘、布袋除尘以及重力除尘器除尘等[11]。针对传统除尘设备去除细颗粒物效果较差,学者研发了细颗粒物预团聚及去除技术以及湿法除尘技术等[12-13]。预团聚技术通过物理或化学作用将细颗粒物进行预处理,使细颗粒物团聚,然后由现有污染物控制设备加以清除,这类除尘技术往往工艺较为繁琐,处理成本较高[12]。作为现阶段的主要除尘手段,湿法除尘技术主要是在除尘装置处安装湿法烟气脱硫系统,该法有除尘效果良好、处理成本低廉、同时脱硫等优点[11]。然而传统的湿法除尘设备[14-15]如洗涤塔、填料塔等常规的重力设备都具有相间作用力较弱、相间质量传递、重力场作用弱等方面的问题[16]。

    本课题组研发了一种在液体射流场和气体旋流超重力场中来强化气液传质的设备——水力喷射空气旋流器(water-sparged aerocyclone,WSA)[17],相对于传统旋风旋流器的不同之处在于 WSA在圆柱主体部分外设置了夹套,液相进入夹套后,经过WSA主体上的小孔分成多束射流进入筒体内,射流通过在旋流器内部三维气相旋流场作用下产生射—旋流耦合作用,从而使其产生射流雾化现象。并且产生的液滴在旋流场离心力作用下向壁面运动,形成超重力传质效果。两相流体混合物向下继续旋转运动,最后在旋流器下段分离空间内,进而实现气液分离,并且与传统常规气液设备相比,能将气液相间传质速率提高1～3个数量级[18],此外WSA还具备构造简单、没有内部组件、难以产生污垢以及不堵塞等优点[19-20]。将WSA应用于粉尘的捕获去除,利用WSA的强化气液传质性能,通过射流雾化的雾滴润湿、粘附和卷吸作用,可大幅提升粉尘细颗粒物的去除效率[21]。针对煤电厂煤尘的易燃、易爆、颗粒细小等特性,本工作选用WSA湿法除尘,预计可捕捉粒径<10 μm的细小煤尘,除尘率高;WSA构造非常简易,初期投入相当少(相较电除尘器),占地面积非常小,运行成本低且修理便利。本研究采用WSA对燃煤电厂粉煤灰进行捕集去除,考察了粉尘初始浓度(c0)、进口气速(ug)、射流流速(uL)等操作参数对WSA除尘率的影响规律,并研究了捕集去除前后粉煤灰粒径分布、化学成分形貌以及金属含量的变化规律。

    1.1 实验材料

    实验所采用粉煤灰样品取自重庆市合川某燃煤电厂,将粉煤灰样品进行预处理。首先,将样品放入110 ℃的烘箱干燥处理12 h以上,随后将其取出放入干燥器中冷却并恒温储存备用。表1为处理完成的粉煤灰的粒径分布。由表1可知样品颗粒的中位径为13.19 μm,其中PM2.5的含量约占17.18%,样品颗粒中PM10的含量约占41.35%。

    表1 实验用粉煤灰的粒径分布表

    1.2 实验装置

    参照前期实验研究优化结果[15],正方形排列方式为本实验采用的WSA喷孔的最优设置形式,孔径为 2 mm,每层均匀排布喷孔16个,共6层,喷孔间距为15.6 mm,而侧壁开孔区长度占中心排气管长度的3/4以上,WSA其他尺寸详细参见我们前期工作[11,22]。风机、转子流量计、WSA、文丘里管、贮液槽、气液分离器、粉尘采样器、循环液泵以及粉尘发生器等组成整个WSA湿法除尘实验装置,其流程如图1所示。实验过程中的含尘气体的形成过程:在粉尘发生器中加入定量前期处理干燥储备的粉煤灰样品[11],用一小型风机向粉尘发生器底部进气口通入空气,并使用气体流量计调节空气流量。通过调节空气的流速,让粉尘发生器中的粉煤灰呈现不间断的湍动的均匀分布状态,并持续不断地被粉尘发生器顶部的文丘里管的吸力吸入,最后与主干路气流汇合形成混合均匀的含尘气体。

    1.3 实验过程与方法

    首先将50 g研磨充分并干燥的实验用粉煤灰加入自制粉尘发生器中,并且关闭粉尘发生器进出口阀门。随后向贮液槽加入5.5 L干净的自来水,接着开启气泵和循环液泵,将ug和uL控制在恒定的预设值,同时调节WSA主筒体的底部阀门,使液相在主筒体底部形成一定高度的液封,以确保脱尘气体主要由中心排气管排出。实验开始前须将实验设备稳定运行10 min,随后打开粉尘发生器进出口阀并开始计时,采用型号为THF-30S的双路粉尘采样器捕集测定WSA尾气流中粉尘浓度。本实验操作方式采用间歇式,单次捕集实验时间控制为8 min,每次实验至少平行进行3次,结果为多次实验的平均值。采用电子天平(0.000 01 g)称量捕集粉尘前后滤膜质量之差除以气体采样体积计算粉尘浓度,滤膜称量前应采取40 ℃低温烘干。影响WSA除尘效率的关键因素为尘粒与液滴之间的相对速度、尘粒质量、液滴的尺寸和形状等。其次,由于尘粒大小的不同[19],尘粒的截留作用与布朗扩散也会影响除尘效果。因此,针对WSA设备特性,本研究主要探究了粉尘初始浓度、液相射流流速、进口气速对除尘效率的影响规律。

    1.气泵;2.阀门;3.转子流量计;4.文丘里管;5.流化床式粉尘发生器;6.WSA;7.贮液槽;8.循环液泵;9.挡板式气液分离器;10.滤膜式粉尘采样盒;11.粉尘采样器

    1.4 粉尘的表征

    捕集前后粉尘样品的颗粒直径采用激光粒度分布仪进行测定(Bettersize2000,中国丹东百特科技有限公司),采用日立S4800扫描电子显微镜(SEM,JSM-6460LV,日本)对WSA湿法捕集前后粉尘样品的微观形貌进行观察,采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES,Agilent 700,美国)对粉尘中的Cr、As、Pb、Hg等重金属元素含量进行精确测定。

    1.5 总除尘率的计算

    除尘设备性能优劣主要由除尘率来检验,同时也是检验除尘仪器的重要技术指标[23]。本工作通过测量进入WSA的粉尘总质量以及逃逸出的粉尘总质量来计算WSA的去除率。

    (1)

    式中:R为总除尘率,%;min为经过粉尘发生器进入WAS的粉尘总质量,g;mout为经过尾气装置逃逸出的粉尘总质量,g。

    min与mout的计算式为:

    min=m0-m1

    (2)

    (3)

    式中:m0为初始粉尘质量,g;m1为实验仪器中剩余粉尘质量,g。实验过程中,在出口阀处采集的粉尘质量为m2,g;在出口阀处采集的气体总体积为Vi,m3;通入实验装置的气体总体积为Vtotal,m3。

    2.1 粉尘初始浓度c0对除尘率的影响

    实验控制进口气速为13.17 m/s、射流流速为1.66 m/s,研究考查粉尘初始浓度c0对去除率的影响。根据燃煤电厂实际尾气排放粉尘浓度值[24]以及前期研究结果[11,21],设定c0分别为1 356.80、1 705.47、2 584.00、5 061.50、11 802.25 mg/m3,WSA进出口压降控制在1.26～1.30 kPa。图2为不同c0对除尘率影响实验结果。c0由1 356.80 mg/m3增大到1 705.47 mg/m3时,WSA湿法捕集除尘率却从99.11%降低至98.83%,继续增大c0到5 061.50 mg/m3,粉尘去除率又增大至99.35%,但继续增大c0至11 802.25 mg/m3,除尘率并没有明显变化。出现这种规律的原因是当增大c0到一定值时[25-26],在恒定的液相射流流速下,过高的粉尘浓度导致局部液相中的颗粒物浓度过高,颗粒物与雾化的液相射流液滴接触面积减少,使得WSA系统捕集脱除效果下降。此时,继续增加粉尘初始浓度,粉尘去除率也并不会明显增加,甚至出现降低。适当的粉尘浓度存在于气液两相流中,可以有效增加气液接触面积,从而保持一个较高的去除率[27]。

    图2 粉尘初始浓度c0对粉尘去除率R的影响曲线

    2.2 进口气速ug对除尘率的影响

    将粉尘初始浓度控制在4 970～5 097 mg/m3、液相射流速为1.47 m/s。研究进口气速ug对除尘率的影响,实验时调节ug分别为6.58、8.20、9.88、11.52、13.17、14.81 m/s,实验结果如图3所示。由图3可知,随着进口气速由6.58 m/s增至14.81 m/s时,WSA捕集粉尘颗粒物的除尘率由97.9%持续增大到99.40%。但进口气速从6.58 m/s增大到9.88 m/s后相较于9.88 m/s到14.81 m/s这一过程增幅更大。根据前期研究显示,进口气速增加,WSA的气液传质效率并非线性增大,而是存在一个较优峰值;WSA中液相射流流型随着进口气速的增大,射流柱与旋流气体会产生剧烈作用,渐渐出现膨胀、扩大、破裂,甚至雾化,并依次出现变形旋线射流、破碎旋线射流、雾化旋线射流,这一系列变化也会逐渐增大气液传质面积[21]。同时,气相中的粉尘与液相雾滴的碰撞概率也随气液传质作用面积的增大而提高,起到增加液体捕集及粉尘预团聚的作用[14]。然而过大的进口气速,一方面会导致液相射流发生贴壁雾化,降低气液两相耦合作用区域以及气液作用面积,使得粉尘去除率降低[17];另一方面,会导致粉尘的停留时间缩短,这也造成除尘率降低。

    图3 进口气速ug对粉尘去除率R的影响曲线

    由图4可知,进口气速ug也会显著影响气相压降。压力损失过大会导致除尘设备的除尘率不高,同时操作压力过大会提高对设备的要求,能耗也会增加,因此气相压降应保持在合适的范围[28]。在实验初始阶段,进口气速由6.58 m/s增大至8.23 m/s,气相压降从0.21 kPa快速增大至0.89 kPa,粉尘的去除率也迅速提高,这可能是由于发生了射流雾化现象[29-30]。随着进口气速的增大,气相压降也随之继续缓慢增大,这就导致设备的抗压要求和能耗也相应提高,因此有必要将进口气速控制在一个合适的区间,在保证较大的粉煤灰去除率的同时保持设备的较低运行成本。

    图4 进口气速ug对气相压降Δp的影响直方图

    2.3 液相射流速uL对除尘率的影响

    湿法除尘过程中射流雾化程度以及液气比会受到液相射流流速uL的影响,因此uL的变化也会影响粉尘去除率。将进口气速ug控制为13.17 m/s、粉尘初始浓度c0保持在5 028～5 097 mg/m3,来研究液uL对除尘率的影响。如图5所示, WSA中的总除尘率R随着uL由1.11 m/s增大到1.85 m/s,由99.10%持续增大到99.30%。即粉尘的去除率符合随uL的增大而缓慢增大的规律。呈现这种规律的主要原因是射流柱强度和射流惯性力随着液相射流流速uL的增大而增大,进而使得射流柱的穿透深度得到加强。同时,液体与粉尘的碰撞概率也随之增大,进而增强气液两相的耦合作用。气液传质作用面积会随着液相射流雾化程度提升而以进一步提高,这一现象也有利于气相中的细颗粒物被捕集进入液相[28]。另外,当进口气速一定时,液气比会随着uL的增大而增大,表明单位体积内的雾化液滴密度增大,更多的液滴与气相中的细颗粒物作用,进而提升了除尘率。

    图5 射流流速uL对粉尘去除率R的影响规律

    2.4 捕集前后粉尘粒径及形貌变化规律

    对WSA尾气中捕集的粉煤灰颗粒物的粒径进行测定,具体结果如表2所示。对比表1和2可知,未经WSA处理的粉尘,颗粒物粒径主要分布在0.02～100 μm,粉煤灰中粒径小于2.5 μm的细颗粒物(PM2.5)含量为17.18%,粒径超过10 μm的颗粒物(PM10)占41.35%,粒径分布范围较广,粒径较大的颗粒物含量较多。经湿法捕集处理后的水力喷射空气旋流器尾气中的粉尘,粒径主要分布范围为0.02～1.80 μm,这表明水力喷射空气旋流器对于粒径大于1.8 μm的粉煤灰颗粒物捕集去除效果较好,去除率可达100%;对实验样品中的粉尘颗粒中的PM2.5的综合去除率可达到87.50%。同时利用扫描电子显微镜观测捕集处理前后的粉煤灰微观形貌,结果如图6所示。其中图6(a)和图6(b)分别是捕集前以及尾气中的粉煤灰形貌SEM图。从图6(a)可以观测出,处理前的粉煤灰颗粒大小不均,表面粗糙,颗粒分布较为分散,存在许多直径较大的颗粒物。而经WSA湿法处理后的粉煤灰,颗粒较小,颗粒平滑均匀且分布较为聚集(图6(b)),结果表明WSA对粉煤灰中较大颗粒物去除效果良好。

    表2 湿法捕集后WSA尾气中粉煤灰粒径分布及不同粒径粉煤灰去除率

    图6 WSA湿法捕集前(a)和尾气中(b)粉煤灰 微粒SEM图

    2.5 捕集前后粉煤灰金属元素变化规律

    实验对象为燃煤电厂粉煤灰,化学成分主要为多种氧化物、黏土、碳酸盐,硫酸盐等[3],大量的金属元素存在于粉煤灰颗粒物中,甚至含有有害重金属元素。表3为WSA湿法捕集前后粉煤灰颗粒物中主要金属元素测定结果对比。与捕集前粉煤灰中金属元素对比,实验后得到的粉煤灰中,致癌重金属Pb、Cr、As、Hg等的含量在处理后有所增加,其主要是因尾气中的颗粒物粒径更小(见表2),具有更大的比表面积,同时具备更高的表面活性和吸附能力,更多的重金属能够在其表面被吸附[22]所致。WSA设备的湿法捕集除尘率可达99%以上,因此金属元素去除率平均达96.90%,Pb、Cr、As、Hg四种有毒重金属平均去除率达98.85%,本工作可有效降低粉尘重金属毒性风险。

    表3 WSA湿法捕集前后粉尘中金属元素变化规律

    1) WSA的湿法除尘率随粉尘初始浓度、进口气速、液相射流流速的增大均呈现先较大幅度增大、后保持不变或增幅较小的规律,存在较优数值,且进口气速的增大也会使得气相压降显著升高,导致能耗增加;

    2) 本实验的粉煤灰颗粒粒径主要分布在0.02～100 μm,其中位径为13.19 μm,约17.18%为PM2.5, 约43.15%为PM10。

    经WSA湿法捕集处理后,粉尘颗粒物粒径大于1.8 μm的能够完全被去除,粒径在0.02～1.8 μm区间的细颗粒物的平均去除率为87.50%。捕集前粉煤灰颗粒物呈表面粗糙的球状和不规则状,而捕集后粉煤灰颗粒呈规则的球状。

    3) 粉煤灰中含有Pb、Cr、As、Hg等致癌性重金属,其中Cr含量高达558.72 mg/kg,经过WSA湿法捕集处理后,样品粉煤灰中重金属平均去除率达98%以上。该设备在工程应用上具有除尘效率高、构造简单、投入较少、运转平稳和维修便利等一系列优势。

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