操作参数对水力喷射空气旋流器脱除细颗粒物的影响

程治良，全学军，李硕，李瑞恒，徐飞

（重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054）

操作参数对水力喷射空气旋流器脱除细颗粒物的影响

程治良，全学军，李硕，李瑞恒，徐飞

（重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054）

工业生产过程中排放大量有毒有害细颗粒物，对环境和人体健康威胁严重，急需治理。针对传统湿法除尘设备效率较低的问题，本文采用液相射流和空气旋流耦合作用的静态超重力设备——水力喷射空气旋流器（WSA），以平均粒径为1.56μm的滑石粉模拟细颗粒物，研究考察了粉尘初始浓度、液相射流流速、进口气速等操作参数对WSA的总除尘率η的影响；并对实验数据进行归纳分析，总结了操作参数与除尘率之间的数学关系模型。结果表明，WSA对PM2.5含量为74.15%的粉尘样品的除尘率最高达93%以上，尤其是粒径为1.8μm以上的细颗粒物，去除率可达100%；WSA的除尘率随着进气速度、射流速度及粉尘浓度的增大而增大，两者之间关系式为：η=133.61×Reg0.026×Rel0.027×(cs/ρs)0.065。本工作为工业细颗粒的脱除提供了一种新的方法。

捕集；多相流；气体旋流器；湿法除尘；模型

近年来，我国多地持续出现的雾霾天气，引起了公众对细颗粒物（粒径≤2.5μm的细颗粒物又称PM2.5）污染的高度关注[1]。我国现阶段能源消耗以煤炭为主，燃煤是我国大气环境中可吸入颗粒物的主要来源，另外，煤炭转化、冶金、建材、化肥等重型过程工业尾气的排放，也是PM2.5的重要来源[2]。

现阶段对细颗粒物进行源头治理，具有重要意义，但传统除尘设备较难满足更高标准的PM2.5去除要求[3-4]。为此，国内外广泛开展了脱除PM2.5的新技术研究，发现湿法与静电除尘耦合的处理技术，在处理PM2.5方面效果稳定，受颗粒物的直径的变化影响较小[5-6]，主要有Wet-ESP（wet electrostatic precipitation）技术[7-8]、填料洗涤塔和静电除尘耦合技术[9]、蒸汽相变和静电除尘耦合技术等[10-11]。但这类湿法静电耦合技术存在设备结构复杂、维护困难、处理和运行成本偏高等问题。为了降低处理成本，四川大学朱家骅教授团队[12-14]研发了废水交叉流阵列的PM2.5处理系统，产生类似于Wet-ESP的分离效果，以废治废降低处理成本。

湿法除尘具有去除效果好、成本低、可同时脱硫等优点。但常见的湿法处理设备如洗涤塔、填料塔、交叉流液柱等设备都是常规重力设备[6]。由于重力场较弱，相间质量传递、作用力等都比较弱，而在超重力环境下，会使得相间传质速率比传统的塔式反应器中要高1～3个数量级[15]，将其用于PM2.5的捕集强化，可大大提高捕集效率[16-17]。本文作者课题组[18-19]研究开发的水力喷射空气旋流器（water-sparged aerocyclone，WSA）是一种利用液体射流场和气体旋流超重力场耦合强化气液传质的新型设备，属于静态超重力设备，将其用于细颗粒物的脱除处理，研究操作参数对去除率的影响，并通过量纲分析法总结出去除率与操作参数的数学关系模型，以期形成脱除细颗粒物的新体系。

1 实验部分

1.1 细颗粒物样品

本实验采用的细粒物模拟物为工业级滑石粉，实验前须将滑石粉样品放入120℃的烘箱干燥12h以上，冷却后采用行星式球磨机（QM-3SP4型，南京大学仪器厂）进行球磨处理，混匀后放在干燥器中贮存，并采用Bettersize2000激光粒度分布仪（丹东市百特仪器有限公司）对样品的粒径分布进行测量，如表1所示，处理后的样品中位径为1.56 μm，PM2.5含量为74.17%。

表1 实验用细颗粒物的粒径分布

1.2 实验装置

参照前期结构优化结果[20]，本实验采用的水力喷射空气旋流器的喷孔设置为正方形排列方式，孔径为2mm，每层均匀排布喷孔16个，共6层，喷孔间距为15.6mm，其他几何尺寸如表2所示。整个实验系统由WSA、文丘里管、贮液槽、流化床式粉尘发生器、风机、循环泵、气液分离器以及粉尘采样器等组成，如图1所示。

表2 水力喷射空气旋流器的几何尺寸参数

为了使得粉尘能够在较好的状态下与气相混合，设计制作了一套小型流化床作为粉尘发生器，其结构如图2所示。实验前从粉尘发生器上方加入一定量经过干燥后的滑石粉样品，支路的载气可通过流化床底部进气口进入，载气流量可通过流量计调节，以保证气流的稳定，使得滑石粉样品呈现出流态化状态，并在空气流动的作用下，经过流化床顶部出口，通过文丘里管与实验装置气相进口主路汇合形成混合均匀的含尘气体。

在实验过程中，首先向流化床式粉尘发生器中加入定量的细粒物样品，然后开启循环水泵使储槽中的水进入WSA的液体夹套，并经过其多孔壁上的小孔产生面向旋流器中心的稳定轴对称射流，然后打开风机将空气从WSA的封头进气口切向输入其顶部，由于WSA进气口与文丘里管相连接，因此该过程中空气会经过文丘里管与进入文丘里管的细粒物混合形成含尘气体，而后切向进入WSA的顶部，产生强烈的空气旋流场，撞击径向射流液柱，并向下做螺旋运动。为了维持气液良好的接触状态，WSA底部需维持一定的液封高度。

图1 实验装置流程和WSA设备图

图2 自制流化床式粉尘发生器结构与实物图

1.3 实验过程与方法

实验前，首先称取50g的细颗粒物样品，将其加入至流化床粉尘发生器中，关闭粉尘发生器进出口阀门。开启风机与循环水泵，将液相射流速度（ul）和进口气速（ug）调节至预设值，并同时调节WSA底部阀门，使液相在其底部形成一定高度的液封，以保证含尘气体主要由中心排气管排出。当实验设备稳定运行5min后，打开粉尘发生器进出口阀门，并同时开始计时，使用型号为THF-30S的双路粉尘采样器采集出口气体中粉尘质量。实验采用间歇式操作方式，单次实验进行10min，采集的实验样品经烘干后使用电子天平称其质量，每次实验重复5次以上，结果取多次测量的平均值。实验考察粉尘初始浓度、液体射流速度、进口气速等操作参数对粉尘去除率的影响，并归纳两者之间的数学模型规律。

1.4 WSA总除尘效率的计算

除尘率是衡量WSA除尘性能最重要的技术指标，本工作采用测量WSA中粉尘的进出总质量来计算其除尘率，其计算公式如式(1)所示。

式中，η为除尘总效率，%；min为经过粉尘发生器进入WSA的粉尘总质量，g；mout为经过实验装置尾气管排出的粉尘总质量，g。min与mout的计算方式分别如式(2)、式(3)所示。

其中，m0为粉尘发生器内初始粉尘质量，g；m1为实验后粉尘发生器内的粉尘剩余质量，g；m2为实验过程中在出口处采样器中的粉尘质量，g；Vtotal为实验过程中进入实验装置的气体总体积，m3；Vi为实验过程中在出口处经过粉尘采样器的气体总体积，m3。

2 实验结果与讨论

2.1 粉尘初始浓度对除尘率的影响

当进口气速ug为13.17m/s、射流流速ul为1.84m/s时，研究考察粉尘初始浓度c0对WSA捕集脱除细颗粒物效果的影响，结果如图3所示。由图3可知，粉尘初始浓度从2480mg/m3增高到5923mg/m3时，在WSA中的总除尘率η迅速由88.4%增大到93.5%，当继续增大粉尘浓度至8272mg/m3，除尘率增大趋于平缓，继续增大粉尘浓度至9350mg/m3时，WSA的除尘率反而出现小幅降低；同时，可以看出WSA的出口尾气处粉尘浓度先持续升高，然后变化不大，再大幅升高的现象。即粉尘的去除率随着浓度初始浓度的增大而出现先增大，后略有下降的规律，这一结果与付加等[21]采用旋转填充床湿法除尘的结果相一致。当粉尘初始浓度较低时，旋转气流中的所含有的细颗粒物较少，气液两相剧烈作用后形成的雾化液滴对细颗粒物的润湿、卷吸的概率较小，所以此时的除尘率较低[22]；当粉尘浓度增大时，旋转气流中的粉尘量增多，增加了其与雾化的液相射流液滴的接触概率，其被润湿和卷吸进入液相的可能性增大，导致了除尘率的升高。并且依据前期研究[23]，液相中细颗粒物的适当增大，将提高气液两相传质面积，这也将有利于气相中的细颗粒物的捕集脱除，这也可能是除尘率增大的原因之一。由于液相射流流速一定，过高的粉尘浓度必将导致局部液相中的颗粒物浓度过高，其捕集脱除粉尘效果降低，从而导致了除尘率的降低，这一点也和前期研究发现液相中颗粒物浓度超过一定范围，将导致WSA的气液传质面积降低的结果吻合[23]。

图3 粉尘初始浓度c0对WSA的除尘率和出口尾气中粉尘浓度的影响

图4 射流流速ul对WSA的除尘率和出口尾气中粉尘浓度的影响

2.2 液相射流速对除尘率的影响

液相射流流速的大小不仅会影响射流雾化程度，更会影响湿法除尘过程中的液气比，是影响去除效果的重要指标。在进口气速ug为13.17m/s、粉尘初始浓度c0为5856mg/m3左右时，研究考察液相射流流速ul对WSA脱除细颗粒物效果的影响，研究结果如图4所示。由图4可以看出，当ul由1.11m/s增大到1.84m/s时，WSA中的总除尘率η持续由91.7%增大到93.4%，而WSA的出口尾气处粉尘浓度也出现持续降低的规律。这主要由于如下几个方面的原因造成，首先，液相射流流速ul的增大导致射流柱强度和射流惯性力增大，使得射流柱具有良好的穿透深度，这会增大其与粉尘的碰撞概率，并会导致气液两相的耦合作用增强，液相射流雾化程度更高，气液传质作用面积增大，这也有利于气相中的细颗粒物捕集进入液相[22]。另外，当进口气速一定时，ul的增大必定导致液气比的增大，即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，导致了除尘率的升高，这一点也和另一超重力湿法除尘设备旋转填充床的结果一致[17]。

2.3 进口气速对除尘率的影响

在射流流速ul为较优值1.84m/s、粉尘初始浓度c0为5710～5882mg/m3时，研究考察进口气速ug对WSA除尘效率的影响，结果如图5所示。由图5可以看出，进口气速存在一个较优值为13.17m/s，当进口气速低于13.17m/s时，进口气速的增大会导致WSA的总除尘率增大，但当进口气速继续由13.17m/s增大至16.46m/s时，除尘率反而出现略有降低现象。这样的规律也反映在WSA出口粉尘浓度ct变化规律上，ct呈现先降低再略有升高的现象。而这一结果也与前期测定的射流雾化液滴尺寸结果相吻合，前期研究表明进口气速增大，射流雾化液滴尺寸呈现先降低后增大的规律[25]。液相射流雾化形成的液滴尺寸越小，其与粉尘接触面积越大，除尘率也就越高。除尘率与进口气速之间的之所以呈现这样的规律，主要由于液相射流流型随着进口气速的增大依次呈现变形旋线射流、破碎旋线射流、雾化旋线射流，射流柱前端与旋流气体的剧烈作用，会逐渐出现膨胀、扩大、破裂，并产生雾化，使得液相表面积增大，气液传质作用面积也会增大，气相中的粉尘与液相雾滴的碰撞概率就会增大，增加液体捕集及粉尘预团聚的作用[22]。但过大的气速，一方面会导致液相射流发生贴壁雾化，这会降低气液两相耦合作用区域，降低气液作用面积，这将导致去除率的降低[22]；另一方面过大的进口气速也会导致粉尘的停留时间缩短，导致了除尘率的降低。

图5 进口气速ug对WSA的除尘率和出口尾气中粉尘浓度的影响

2.4 除尘率与操作参数之间数学关系模型

影响WSA除尘效率η的主要因素包括：气体密度ρg、气体黏度μg、进口气速ug、液体密度ρl、液体黏度μl、射流速度ul、进气口当量直径d0、液体喷孔内径d1、粉尘浓度cs、粉尘密度ρs。用量纲分析法和Buckinghan π定理可以得到如式(4)关系式。

式中，η为WSA总的除尘效率，k、a、b、c为待定系数；与表示进口气体和液相射流的雷诺数；cs为进口粉尘平均浓度，kg/m3；ρs为粉尘密度，kg/m3。

采用单因素实验数据，以式(4)进行多元线性拟合。在20℃的条件下，有关气液相的物性参数为：空气密度ρg=1.205kg/m3，动力黏性系数μg=1.79× 10–5Pa·s；水的密度ρl=0.998×103kg/m3，动力黏性系数μl=1.01×10–3Pa·s；滑石粉密度ρl=2.7×103kg/m3，得到WSA总除尘效率的关联式如式(5)。

由式(5)可以看出，在实验范围内，即13852≤Reg≤27703，2184≤Rel≤3640，WSA的总除尘效率η与气相雷诺数Reg、液相射流Rel与粉尘浓度与密度比cs/ρs均成指数关系，拟合的相关性较好，R2值高达0.98。其中cs/ρs对除尘效率η的影响最大，其次是Rel和Reg。图6为除尘率的实验值与按照式(5)计算的拟合值的对比，两者吻合度较高，最大误差低于1%，说明回归方程能用来预测WSA的总除尘效率。

2.5 粉尘脱除前后粒径分布变化规律

在较优的操作参数下，即c0为5940mg/m3、ul为1.84m/s、ug为13.17m/s时，在WSA中进行细颗粒的捕集脱除实验，将WSA出口尾气中的粉尘样品进行粒径分布测定，结果如表3所示。对比表1和表3可知，初始粉尘粒径在1μm和1.8μm以下的细颗粒物分别占30.57%和57.35%；而WSA出口尾气中粉尘粒径在1μm和1.8μm以下的细颗粒物达到80.07%和100%。这表明WSA去除的主要是粒径超过1.8μm的细颗粒物，去除率可达100%。但1μm以下的细颗粒物（PM1.0）处理效果不够理想，需要持续研究改进，并考虑在液相中加入表面活性剂等，以提高其对PM1.0的脱除率。

图6 WSA总除尘率η实验值与拟合值比较

表3 WSA出口尾气中粉尘样品的粒径分布

3 结论

本工作采用水力喷射空气旋流器（WSA）对滑石粉模拟的细颗粒物进行了捕集脱除实验研究，考察了粉尘初始浓度、液相射流流速、进口气速等操作参数对除尘率的影响，得出如下结论。

（1）粉尘初始浓度增大，WSA的除尘率增大，但过大的粉尘浓度会降低除尘率；液相射流流速增大，除尘率增大；进口气速增大除尘率增大，但超过一定限值，继续增大进口气速不会导致除尘率进一步提高。

（2）通过量纲分析和多元线性拟合，得到操作参数与总除尘效率的关系为：η=133.61×Reg0.026×Rel0.027×(cs/ρs)0.065，该回归方程能较好地预测WSA总除尘效率。

（3）WSA主要脱除的是粒径为1.8μm以上的细颗粒物，去除率可达100%，但对1.0μm以下的细颗粒物脱除效果略差。

[1]中华人民共和国环境保护部．2013年中国环境状况公报[R]．中华人民共和国环境保护部，2014：1-3. http://jcs.mep.gov.cn/hjzl/zkgb/ 2013zkgb/201406/t20140605_276521.htm．Ministry of Environmental Protection of P R China. China Environmental Status Bulletin 2013[R]. Ministry of Environmental Protection of P R China，2014:1-3. http://jcs.mep.gov.cn/hjzl/zkgb/ 2013zkgb/201406/20140605_276521.htm．

[2]曹军骥．PM2.5与环境[M]．北京：科学出版社，2014：190-235．CAO J J. PM2.5and environment [M]. Beijing：China Science Press，2014：190-235.

[3]李永旺，赵长遂，吴新，等．燃煤可吸入颗粒物在磁场中聚并脱除机理[J]．化工学报，2007，58（4）：987-993．LI Y W，ZHAO C S，WU X，et al. Aggregation mechanism of PM10from coal combustion in uniform magnetic field[J]. CIESC Journal，2007，58（4）：987-993．

[4]DE JOANNON M，COZZOLINO G，CAVALIERE A，et al. Heterogeneous nucleation activation in a condensational scrubber for particulate abatement[J]．Fuel Processing Technology，2013，107（13）：113-118．

[5]PERRY R H．Perry’s chemical engineer’s handbook[M]．New York：McGraw-Hill Co. Inc.，1999：6-47．

[6]朱家骅，夏素兰，魏文韫，等．湿法除尘技术进展及变温多相流脱除PM2.5的新方法[J]．化工学报，2013，64（1）：155-164．ZHU J H，XIA S L，WEI WY，et al. PM2.5removal——advances in wet collection technologies and a novel approach through temperature swing multi-phase flow[J]. CIESC Journal，2013，64（1）：155-164．

[7]BAYLESS D J，ALAM M K，RADCLIFF R，et al．Membrance-based wet electrostatic precipitation[J]．Fuel Processing Technology，2004，85：781-798．

[8]JAWOREK A，BALACHANDRAN W，KRUPA A，et al．Wet electro scrubbers for state of the art gas cleaning[J]．Environmental Science & Technology，2006，40（20）：6197-6207．

[9]KORELL J，PAUR H R，SEIFERT H，et al．Simultaneous removal of mercury，PCDD/F，and fine particles from flue gas[J]．Environmental Science & Technology，2009，43：8308-8314．

[10]WU H，YANG L J，YAN J P，et al．Improving the removal of fine particles by heterogeneous condensation during WFGD processes[J]．Fuel Processing Technology，2016，145：116-122．

[11]YAN J P，CHEN L Q，YANG L J．Combined effect of acoustic agglomeration and vapor condensation on fine particles removal[J]．Chemical Engineering Journal，2016，290：319-327．

[12]陈治良，魏文韫，朱家骅，等．横掠液柱流的微粒运动机理及PM2.5捕获(Ⅱ)——重型柴油机尾气PM2.5捕获效率[J]．化工学报，2012，63（7）：2010-2016．CHEN Z L，WEI W Y，ZHU J H，et al. Mechanism of micro-particle motion across falling liquid cylinder for PM2.5separation (Ⅱ) Efficiency of PM2.5separation from heavy-duty diesel exhausts[J]. CIESC Journal，2012，63（7）：2010-2016．

[13]李季，郑志坚，朱家骅，等．错排降膜阵列气液交叉流界面捕集PM2.5的传质类比模型[J]．化工学报，2014，65（11）：4238-4245．LI J，ZHENG Z J，ZHU J H，et al. Mass transfer analogy model of PM2.5collection on interface of gas-liquid cross-flow through staggered falling film array[J]. CIESC Journal，2014，65(11): 4238-4245.

[14]余徽，李涵默，魏文韫，等．热泳力协同作用下气液交叉流脱除PM2.5的研究[J]．四川大学学报，2014，46（1）：147-152．YU H，LI H M，WEN W Y，et al. Experimental and numerical study by a PM2.5separation using gas-liquid cross flow system[J]. Journal of Sichuan University，2014，46（1）：147-152.

[15]陈建峰．超重力技术及应用[M]．北京：化学工业出版社，2002：13-30．CHEN J F. High gravity technology and its application[M]. Beijing: Chemical Industry Press，2002: 13-30.

[16]付加，祁贵生，刘有智，等．超重力湿法脱除气体中细颗粒物研究[J]．化学工程，2015，43（4）：6-10．FU J，QI G S，LIU Y Z，et al. Removal of fine particles by high gravity wet cleaning[J]. Chemical Engineering (China)，2015，43(4): 6-10

[17]付加，祁贵生，刘有智，等．错流旋转填料床脱除细颗粒物研究[J]．化工进展，2015，34（3）：680-683．FU J，QI G S，LIU Y Z，et al. Research on removal of fine particles by cross-flow rotating packed bed[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2015，34（3）：680-683.

[18]QUAN X J，WANG F P，ZHAO Q H，et al．Air stripping of ammonia in a water-sparged aerocyclone reactor[J]．Journal of Hazardous Material，2009，170（2/3）：983-988．

[19]QUAN X J，YE C Y，XIONG Y Q，et al．Simultaneous removal of ammonia，p and COD from anaerobically digested piggery wastewater using an integrated process of chemical precipitation and air stripping[J]. Journal of Hazardous Material，2010，178（1/2/3）：326-332．

[20]程治良，全学军，代黎，等．水力喷射空气旋流器喷孔分布优化[J]．化工学报，2013，64（9）：3182-3188．CHENG Z L，QUAN X J，DAI L，et al. Optimization of spray hole distribution in a water-sparged aerocyclone[J]. CIESC Journal，2013，64（9）：3182-3188.

[21]付加．超重力湿法除尘技术研究[D]．太原：中北大学，2015．FU J. Studies on technology of wet dust collection under high gravity[D]. Taiyuan: North University of China，2015.

[22]程治良，全学军，晏云鹏，等．水力喷射空气旋流器中射流流型及其对传质面积和气相压降的影响[J]．化工学报，2014，65（8）：2914-2920．CHENG Z L，QUAN X J，YAN Y P，et al. Jet flow pattern and its effects on mass transfer area and gas phase pressure drop in a water-sparged aerocyclone[J]. CIESC Journal，2014，65（8）：2914-2920．

[23]赵清华，代黎，全学军，等．水力喷射-空气旋流器中微粒强化气液传质及其机理[J]．化工学报，2015，66（10）：3866-3873．ZHAO Q H，DAI L，QUAN X J，et al. Intensification and mechanism of gas-liquid mass transfer in water-sparged aerocyclone by microparticles[J]. CIESC Journal，2015，66（10）：3866-3873.

[24]赵清华，全学军，程治良，等．水力喷射-空气旋流器中气液传质特性及其机理[J]．化工学报，2013，64(10)：3652-3657．ZHAO Q H，QUAN X J，CHENG Z L，et al. Mass transfer characteristics and mechanism in a water-sparged aerocyclone[J]. CIESC Journal，2013，64（10）：3652-3657．

[25]代黎. 水力喷射空气旋流器的气相压降特性及射流雾化研究[D].重庆：重庆理工大学，2015．DAI L. Study on pressure drop characteristic of gas phase and jet atomization in a water-sparged aerocyclone[D]. Chongqing：Chongqing University of Technology，2015.

Effect of operation parameters on removal efficiency of fine particles in a water-sparged aerocyclone

CHENG Zhiliang，QUAN Xuejun，LI Shuo，LI Ruiheng，XU Fei
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

With the rapid development of industry in China，mass of fine particulate matter is emitted to the air，which is a big threat to the environment and public health. In order to overcome the shortage of low efficiency of traditional wet dust collection devices，a new device of water-sparged aerocyclone（WSA）was used for removal of model PM2.5sample of talcum powder with average particle size of 1.56 μm. The effects of operation parameters of initial concentration of dust，liquid jet velocity，gas inlet velocity on the total removal efficiency（η）of dust were investigated. Besides， experimental data was then summarized and analyzed to obtain the relationship between operating parameters and the removal efficiency. Results showed that the highest removal efficiency of fine particulate matter with 74.15% of the PM2.5was over 93%. When the WSA was used to treat the dusty gas，it is particularly effective to the particulate matter whose diameter is bigger than 1.8 μm，the removal efficiency can even reach to 100%. The removal efficiency increased with the increase of initial concentration of dust，liquid jet velocity and gas inlet velocity，which follows the formula ofη=133.61×Reg0.026×Rel0.027×(cs/ρs)0.065. The formula was proved to be useful in forecasting the removal performance of dust of the WSA. This investigation could develop a new process in removing industrial fine particulate matter.

capture；multiphase flow；gas cyclone；wet collection；model

TQ028.8

A

1000–6613（2017）04–1202–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.007

2016-08-19；修改稿日期：2016-09-30。

国家自然科学基金（21176273）、重庆市基础与前沿研究计划（cstc2015jcyjA20005）及重庆市教委科学技术研究项目（KJ1600927，KJ14000912）。< class="emphasis_bold">第一作者及联系人：

及联系人：程治良（1986—），男，博士，讲师，主要从事新型分离设备的基础及应用研究。E-mail：purper@cqut.edu.cn。