降膜阵列脱除工业尾气PM2.5效率研究

李 季 郑志坚 夏素兰 李 勇 文 浩 四川大学化学工程学院 成都 610065

设计技术

降膜阵列脱除工业尾气PM2.5效率研究

李 季*郑志坚 夏素兰 李 勇 文 浩 四川大学化学工程学院 成都 610065

提出一种低压降、大通量、高效率降膜阵列式，利用废水废气交叉流界面脱除工业尾气中PM2.5技术。以含Al2O3粉末的气溶胶流体模拟工业尾气横掠20列×90排直径3mm的降膜阵列进行实验，结果表明降膜阵列脱除尾气PM2.5效率随降膜阵列传质面积增大而增大，随处理量的增大而降低。当体积流量为111.3m3/h，相应的尾气雷诺数为230时，传质面积为0.0942m2的单排降膜阵列脱除PM2.5的效率为0.794%，此工况下，传质面积为37.7m2的400排降膜阵列脱除PM2.5的理论效率可达95.8%。

PM2.5 降膜阵列 脱除效率 气液交叉流

PM2.5对空气的污染严重危害到人体健康。有关中国大气PM2.5污染源的研究指出，以基础原材料加工与能源产业为主的重型过程工业尾气排放占大气PM2.5来源的45%[1-3]。现有PM2.5的减排技术成本高昂，以西欧为例，本世纪初开始的工业尾气PM2.5排放减半计划，利用蒸汽喷淋、静电沉积和纤维过滤等方法减排1t(PM2.5)的成本约为10万欧元[4]。我国以产品附加值低的基础重工业为主的大型过程工业，如以上述方法进行减排，其成本难以接受。而我国大型基础工业的规模十分庞大，其尾气PM2.5减排对大气污染治理成败意义重大。近年来，中国新颁布的大气污染物排放标准对过程工业尾气排放做出严格控制[5]。因此，为满足我国工业尾气PM2.5减排的客观需求，开发经济可行的PM2.5减排技术，势在必行。从“以废治废”的角度出发，作者课题组研发了尾气废水交叉流技术，并成功应用于柴油机废气与钻井废水同步治理。本文在此基础上，研发了降膜阵列PM2.5脱除技术，弥补了气液交叉流流动稳定性不高、处理量不大等缺点，并对实验结果及其放大设计进行讨论。

1 降膜阵列脱除PM2.5实验研究

降膜阵列脱除PM2.5实验流程见图1。

图1 降膜阵列脱除PM2.5实验流程

由排距4.5mm、行距5.2mm、 20列×90排直径3mm的交错排列导流线阵列垂直穿过上、下两块多孔板，多孔板相距0.5m。废水从导流线与多孔板开孔之间的环隙均匀流出，环隙宽0.5mm。每根导流线的亲水表面都保持稳定的降膜流动，从而构成稳定的降膜阵列PM2.5脱除实验装置。在常温下进行实验，用磁力泵循环废水，使进降膜阵列的废水液位保持稳定。由压缩机进空气，与Al2O3流化床产生的PM2.5颗粒混合均匀，模拟工业尾气进入降膜阵列。

尾气的流速由皮托管压差流量计检测，绝对精度分度值0.2Pa，误差在±2%。在降膜阵列进出口设置采样孔，形成降膜阵列的PM2.5脱除效率实验测试系统。采用带湿度修正的LD-5S激光粉尘仪测量尾气中PM2.5的质量浓度，通过空气动力学粒径切割头使得只有PM2.5的颗粒能被采样和检测，分辨率为0.01mg/m3，误差在±5%。实验中将两台LD-5S激光粉尘仪采样管放入两个采样口，同时抽取横掠降膜阵列的尾气样品进行检测，采样速率2L/min，得到同一时刻进出降膜阵列的尾气PM2.5质量浓度。

表1为实验Al2O3粉末的物性参数，经马尔文激光粒径仪测得粒径分布，结果显示PM2.5的含量为4.52%、平均直径为2.01μm。

表1 Al2O3物性参数表

2 结果讨论与放大设计

2.1 实验结果讨论

在同一进气流速下，同一时刻测得尾气在不同采样点的PM2.5质量浓度。为保证实验数据的可重复性，每组实验都重复进行了3～4次。当横掠降膜阵列的尾气体积流量为111～248m3/h时，分别测得进出降膜阵列气体的PM2.5质量浓度及降膜阵列脱除PM2.5效率实验值，实验结果见表2。

表2 20列×90排降膜阵列PM2.5脱除效率实验数据

实验表明，随着尾气处理量逐渐由111m3/h增加到248m3/h，20列×90排降膜阵列脱除PM2.5效率由51.2%下降到36.1%，可见几何结构一定的降膜阵列PM2.5脱除效率随着处理量增大而降低。

2.2 理论分析与放大设计

降膜阵列均匀对称排列，根据质量衡算及传质通量方程，单排PM2.5脱除量：

V(ci-ci+1)=KPMAi(ci-cs)

(1)

式中，V为含尘尾气体积流率，m3/s；(ci-ci+1)为通过该排后尾气PM2.5浓度减小值，mg/m3；KPM是PM2.5颗粒的对流传质膜系数，m/s，与流体物性和流动结构有关；Ai为单排降膜传质面积(即单排降膜表面积，m2)；cs为气液界面PM2.5浓度，假定气液界面处PM2.5被液膜完全吸收，即cs=0，则单排PM2.5脱除效率ηi：

(2)

上式表明，几何结构相似的降膜阵列处理等量含尘工业尾气的单排PM2.5脱除效率相同，与来流PM2.5浓度无关。忽略阵列的头尾效应，总数为n排的降膜阵列PM2.5脱除效率：

(3)

可见降膜阵列脱除尾气PM2.5效率与传质面积和尾气处理量有关。尾气雷诺数范围为230～515，1～500排具有本文几何结构特点的降膜阵列PM2.5脱除效率理论预测值见图2。尾气雷诺数定义式：

(4)

式中，ρ为气体密度，kg/m3；d为降膜流柱直径，m；μ为气体粘度，Pa·s；Umax为通过降膜阵列排距SL、列距ST和表观平均流速U0计算得到的横掠降膜阵列最大流速，m/s，其计算公式：

(5)

(6)

图2 降膜阵列脱除PM2.5效率放大设计(Ai=0.0942m2)

由图2可知，单排降膜阵列传质面积为0.0942m2，降膜阵列传质面积随着排数的增加而增加，相应的降膜阵列PM2.5脱除效率逐渐上升。当尾气处理量为111m3/h时，相应的气体雷诺数为230，单排降膜阵列PM2.5脱除效率为0.794%，而传质面积为37.7m2的400排降膜阵列，PM2.5脱除效率可达95.8%。当尾气处理量增大，气体雷诺数增加，降膜阵列PM2.5脱除效率随传质面积的增加而增加的趋势变缓，当尾气处理量为248m3/h时，相应的气体雷诺数为515，降膜阵列单排PM2.5脱除效率下降为0.496%，400排降膜阵列PM2.5脱除效率可达87.5%。

3 结语

(1)针对工业尾气PM2.5污染治理问题，提出低压降、大通量、高效率的降膜阵列结构，利用废水废气交叉流界面脱除工业尾气PM2.5，过程连续、稳定，为工业放大奠定了基础。

(2)以含Al2O3粉末的气溶胶流体模拟工业尾气横掠20列×90排直径3mm降膜阵列进行实验。结果表明，尾气处理量越大，PM2.5脱除效率越低，降膜阵列处理111m3/h的含尘尾气，效率为51.2%，而处理248m3/h的含尘尾气，效率为36.1%。

(3)基于降膜阵列脱除PM2.5传质特性可得，降膜阵列单排PM2.5脱除效率与来流气体PM2.5浓度无关，降膜阵列脱除尾气PM2.5效率随传质面积的增大而增大。尾气雷诺数为230时，单排降膜阵列脱除PM2.5的效率为0.794%，此工况下，90排降膜阵列PM2.5脱除效率可达51.2%，而当传质面积增加到37.7m2的400排降膜阵列脱除PM2.5的理论效率可达95.8%。

1 Lv W, Wang Y, Querol X. Geochemical characteristics of PM2. 5 in a metropolis in Central China[J]. Chemical Engineering III, 2013: 145.

2 Yuan Y, Liu S, Castro R, et al. PM2. 5 Monitoring and Mitigation in the Cities of China[J]. Environmental science & technology, 2012, 46(7): 3627-3628.

3 Guan D, Su X, Zhang Q, et al. The socioeconomic drivers of China’ s primary PM2. 5 emissions[J]. Environmental Research Letters, 2014, 9(2): 024010.

4 Lükewille A, Bertok I, Amann M, et al. A framework to estimate the potential and costs for the control of fine particulate emissions in Europe[J]. International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), IR-01-023, Laxenburg, Austria, 2001.

5 GB 13223-2011, 火电厂大气污染物排放标准[S].

国家自然科学基金项目(21276161)。 科技部国际科技合作专项(2014DFG92250)。

2014-05-30)

*李 季：硕士研究生。夏素兰：教授，硕士生导师。联系方式，E_mail:slxia@scu.edu.cn。