温差对气液交叉流PM2.5去除效率影响

文 浩 郑志坚 夏素兰 李 勇 陈 毅 四川大学 成都 610065

在工业化快速发展阶段，工业尾气排放已经成为影响大气环境质量的主要因素，PM2.5 污染即是一个严峻挑战［1-2］。为改善大气环境质量，世界各国对PM2.5 减排制订了严格的法规，如荷兰限定工业尾气PM2.5 排放浓度不超过9 mg/m3［3］。我国现阶段工业尾气PM2.5 排放浓度比荷兰的指标高10 余倍［4］，减排任务十分艰巨。我国2016年将实施《环境空气质量标准》第一过渡时期目标值，即PM2.5日均浓度≤75μg/m3、年均浓度≤35μg/m3。实现PM2.5 减排的宏伟目标需要行之有效的减排技术，利用工业尾气高温特性，本课题组开发了基于气液交叉流界面吸收PM2.5 净化技术［5］。低温水流通过水平多孔板分散为具有光滑表面的连续流动液柱群，见图1。高温工业尾气横掠液柱群，尾气与液柱表面发生传热带动PM2.5产生附面运动并被液柱吸收。本文着重研究气液交叉流传热传质，分析气液温差对PM2.5 去除效率的影响，得到降膜阵列PM2.5 去除效率理论表达式。

1 气液交叉流去除高温工业尾气PM2.5理论

图1 光滑连续的气液交叉流液柱群

图2为高温工业尾气横掠错排降膜阵列分析示意图，进口处含PM2.5 气体流速为u0、温度Tin，液柱垂直于气流排布，温度为Tw，液柱直径为dw，同排液柱间轴线距离为a，液柱排距为b，出口处气体温度Tout。

图2 气流横掠错排降膜阵列分析示意图

对于气液交叉流体系，因为气体入口温度大于液柱表面温度，气液之间将发生传热，根据热量衡算和传热速率方程，得:

式中，K 为总传热系数，w/ (m2·k);A 为总传热面积，m2;ΔTm为气液对数平均温差，k;w 为气体质量流量，kg/s;cp为气体比定压热容，J/(kg·k)。

本文模型中传热传质为气膜控制过程，因此气膜侧传热系数h 近似等于总传热系数K，即

根据传热传质类比模型，引用科卡伯恩类比律［6］:

式中，Sh 为舍伍德数;Nu 为努塞尔数;Sc 为施密特数;Pr 为普朗特数;kc为气体传质系数，m/s;D 为气体扩散系数，m2/s;k 为气体导热系数，w/(m·K)。

联立(2)、(3)得到气体传质系数:

PM2.5 完全跟随气体运动，假设PM2.5 和液面接触即被全部吸收，即液柱表面PM2.5 浓度为0。根据PM2.5 质量衡算及传质速率方程，单排PM2.5 去除量:

式中，V 为气流体积流率，m3/s;Ai为单排降膜传质面积，m2;Ci、Ci+1为第i 排进、出口尾气PM2.5 浓度，mg/m3。则单排PM2.5 去除效率ηi:

联立式(4)、(7)得出不同气液温差时单排PM2.5 去除效率理论表达式:

对图2 中规则排布的液柱群，其动力学条件是等同的，模型计算假设来流具有均匀的表观流速和表观颗粒浓度，因此总体分离效率可按单液柱顺序串联模型计算，如果各排单液柱吸收效率视为相同，则总数为n 排的降膜阵列PM2.5 总去除效率:

2 气液交叉流降膜阵列去除PM2.5 实验

错排降膜阵列去除PM2.5 实验装置见图3。

图3 降膜阵列去除PM2.5 实验装置示意图

由直径为3mm 的亲水导流线垂直穿过上、下两块相距0.5m 的多孔板，组成均匀对称布置的20列×200 排降膜阵列。用循环水泵使导流线阵列上方多孔板上保持恒定液位，保证每根导流线表面产生连续均匀稳定的降膜流动。低压风机送空气进气流主体管道，通过空气加热器将空气加热到指定温度模拟工业尾气的高温特性，为避免气流主体中发生蒸发或冷凝而干扰对实验的测量，利用超声波雾化器向主流气体中加入相应量的水蒸气。高温工业尾气颗粒采用简易流化床装置接入气流管道，和气体均匀混合后进气液交叉流阵列，形成降膜阵列PM2.5 去除效率实验系统。每40 排降膜阵列为一组，每组之间设置采样孔，检测PM2.5 浓度。

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，通过空气动力学切割头使得只有动力学直径2.5μm 以下的颗粒(PM2.5)能被采样和检测，分辨率为0.01mg/m3，误差在±5%之内。实验中将两台同型号的激光粉尘仪采样管放入两个采样口，同时以2L/min 的采样速率抽取尾气样品检测，得到同一时刻不同位置对应的PM2.5 质量浓度。尾气的流速由精密皮托管压差计检测，绝对精度分度值0.2Pa，差在±2%之内。尾气进出口温度由温度计检测，温度计量程为0 ～100℃，误差在±2%之内。工业尾气中的颗粒用惰性的Al2O3粉体模拟，其PM2.5 粒级的平均直径为2.2μm。

3 结果与讨论

不同气液温差下前n 排降膜阵列PM2.5 去除效率变化曲线见图4。

图4 不同气液温差下前n 排降膜阵列PM2.5 去除效率变化曲线(Re=140)

由图4 可知，降膜阵列PM2.5 去除效率随液柱排数增加而增加，两者呈指数关系变化。对于气流雷诺数恒定为140，不断增加入口气体和液柱表面的温差，PM2.5 去除效率也不断增加。当气液温差由20oC 增加至80oC 时，相应200 排降膜阵列PM2.5 去除效率由48.5%提高至73.2% (单排降膜阵列 PM2.5 去除效率由0.33% 提高至0.66%)。气液温差为80oC 的条件下，PM2.5 去除效率达到90%所需液柱排数为350，若排间距b =1.5dw，则分离通道总长度为1575mm，对工艺装置尾气净化设备而言其效率是很高的。

4 结语

(1)针对工业尾气PM2.5 污染问题，基于工业尾气高温特性，利用工业废水-废气交叉流界面去除工业尾气PM2.5，获得高效去除PM2.5装置。

(2)研究工业尾气横掠降膜阵列时的传热传质，理论推导出PM2.5 去除效率表达式。研究表明降膜阵列PM2.5 去除效率随气液温差增加而增大，随液柱排数增加而增大。

(3)对高温工业尾气横掠降膜阵列进行实验，实验结果和理论分析吻合良好，说明了理论模型的准确性。

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