云式除尘技术对细颗粒物的脱除研究

程 滕,陶明清,向 羿,王 博

(兰州大学资源环境学院,甘肃 兰州 730000)

1 引言

细颗粒物（PM2.5）是我国最主要的大气污染物之一，主要来源于燃料燃烧、工业生产及汽车尾气等[1]。其粒径小、比表面积大，容易吸附空气中的病毒、细菌、有机物、重金属等有毒有害物质，并能够穿透呼吸系统进入体内，对人体健康造成严重危害[2-3]。

旋风除尘器是利用气体高速旋转形成的离心力将烟气中的颗粒分离出来的一种除尘技术。由于具有工况适应性强、运行成本低的优势，广泛应用于工业烟气颗粒物的去除[4-5]。然而，传统旋风除尘器虽然在结构上进行了不同的优化，但仍不能有效脱除细颗粒物[6-9]。针对该问题，有学者采用数值模拟计算的方法进行研究，结果发现颗粒物在旋流场中的运动由离心力及流体曳力共同决定，对于细颗粒物来说，受到的离心力远小于流体曳力，是其难以从气流中分离出来的主要原因[10]。因此，使用预处理技术使细颗粒物团聚长大，再经由旋风除尘器脱除，是获得高脱除效率的有效途径之一。

在诸多预处理技术中，水汽相变技术受到广泛关注[11-13]。当环境的水汽过饱和度高于颗粒物的临界过饱和度时，颗粒物会被激活成为凝结核，水蒸气自发的发生相变并在其表面凝结[14-15]；同时，产生的热泳力和扩散泳力会促使周围的细颗粒物向凝结核表面迁移，进一步提高了细颗粒物间的碰撞概率[16]；此外，凝结在颗粒物表面的液滴提供了毛细力，比干烟气颗粒团聚过程中起主要作用的范德华力高几个数量级，能够有效提高后续碰撞团聚的成功率[17]；最终，细颗粒物粒径增大，质量增加，形成大粒径的含尘液滴。目前，创造过饱和水汽环境的方法主要有三类，分别为向烟气中添加蒸汽[18]、添加湿空气[19]和换热器降温[20]。其中，添加蒸汽运行成本高，添加湿空气和换热器降温则要求原始烟气为接近饱和状态的高湿烟气。

基于上述原理，本课题组提出一种新的除尘技术—云式除尘技术，由超声波雾化室和旋风分离器组成。在雾化室中，利用超声波雾化器产生4～10 μm的超细液滴。这些液滴由于具有极大的比表面积，能够迅速蒸发创造出过饱和水汽环境，使烟气中的水蒸气在细颗粒物表面凝结形成含尘液滴；接着，在旋风分离器内的湍流流场中，颗粒物、含尘液滴及未蒸发的液滴之间发生碰撞，并在毛细力的作用下团聚，粒径进一步增长；最终，长大后的颗粒物能够有效被旋风分离器收集在灰斗中；此外，被离心力甩在壁面的液滴可以汇聚形成液膜，提高了筒体壁面的附着力，从而增强对颗粒物的捕集，减少二次扬尘。

本文通过实验室试验和某催化剂厂全烟气工况工程应用试验，研究了云式除尘技术对细颗粒物的脱除特性。实验室试验通过对比云式除尘器和传统旋风分离器对颗粒物的总脱除效率及分级脱除效率，考察了云式除尘技术对颗粒物的强化脱除效果；并研究了关键操作参数雾化量对系统运行效果的影响。随后，以某15000 m3/h烟气量的工业系统为依托，考察了云式除尘系统对生产过程中工况波动的适应性。

2 研究方法

试验系统如图所1示，由给料机、电声超声雾化器、Lapple旋风分离器、风机和测量系统组成。试验过程中，风机提供模拟烟气，流量稳定在400 m3/h，旋风分离器入口流速为16 m/s。待烟气流量稳定后，采用气溶胶发生器加入浓度为4000 mg/m3的颗粒，与烟气混合均匀。接着，含有颗粒物的模拟烟气进入后续的雾化系统中，系统内布有电声超声雾化器以产生粒径在4～10 μm范围内的超细雾滴，通过调整雾化器运行数量改变雾化量。最后，颗粒与超声波蒸汽充分混合后，与烟气一起进入旋风分离器，并在料斗中进行分离收集。根据试验需要，可关闭雾化系统，此时试验考察的即为传统旋风分离器对颗粒物的去除效果。

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

试验中使用的粉尘颗粒为疏水二氧化硅，采用激光粒度分析仪（英国马尔文，Mastersizer 2000）测试颗粒物的粒径分布，结果如图2所示。可以看出，颗粒物的中位粒径(D50)为12.52 μm，D90为27.32 μm，说明颗粒物的整体粒径较小。

图2 粉尘颗粒物的粒径分布Fig.2 Volume distribution of dust particles

试验过程中，采用自动烟尘采样仪（青岛崂应，3012H-08）获得系统进出口粉尘浓度，并通过下式得到系统对颗粒物的脱除效率：

式中：η为颗粒物总脱除效率，Cin为入口颗粒物浓度，Cout为系统出口颗粒物浓度。

此外，在出口处用过滤器采集样品，然后使用激光粒度分析仪（英国马尔文，Mastersizer 2000）分析样品的粒径分布和质量分数。颗粒的分级去除效率可由式（2）计算得出：

式中：ηi为颗粒的分级去除效率；η为颗粒总去除效率；pmi、分别为入口和出口相应粒径区间颗粒的质量分数。

最后，采集旋风分离器灰斗中收集到的颗粒物，经干燥后采用场发射扫描电子显微镜（scanning electronic microscopy,SEM）观察颗粒物形貌。

3 结果与讨论

3.1 云式除尘技术对颗粒物的强化脱除效果

试验对比了传统旋风分离器和云式除尘器对颗粒物的总脱除效果，结果如图3所示。试验过程中，云式除尘器处于该工况下的最佳运行状态，雾化量约为76 g/m3，其余参数和第2节所述一致。可以看出，旋风分离器对颗粒物的脱除效率较低，仅有72.9%，相比之下，云式除尘器对颗粒物的脱除效率提高近20%，达到92.3%。上述结果证实，和传统旋风分离器相比，采用云式除尘技术能够显著增强对颗粒物的捕集脱除。

图3 不同系统对颗粒物的总脱除效果Fig.3 Total removal efficiency of particles by different system

为进一步研究云式除尘系统对细颗粒物的强化脱除效果，研究了传统旋风分离器及云式除尘器对颗粒物的分级脱除效率，试验结果如图4所。

图4 不同系统对颗粒物的分级脱除效果Fig.4 Grade removal efficiency of particles by different systems

从图4可以看出，对于传统旋风分离器，随着颗粒物粒径的增大，脱除效率呈现出先下降后上升的现象，并在2.3 μm处达到最低值，仅有9.2%。这是因为粒径大于2 μm的颗粒主要受到离心力的作用，因此可以被旋流场有效分离；同时，布朗扩散会促进小于0.1 μm的细颗粒物发生碰撞团聚，形成较大团聚体，因而也能被有效脱除；而对于粒径在1～2 μm的颗粒，扩散和离心力都不明显，导致去除率较低，该现象被称为“鱼钩”效应[21-22]。在云式除尘器中，“鱼钩”效应得到明显抑制，各粒径段颗粒物的脱除效率和传统旋风分离器相比都有明显提高，这主要归因于颗粒物的碰撞凝并长大。微米级颗粒物的临界过饱和度较低，容易被激活使水汽在其表面凝结，形成较大的含尘液滴；同时，增强的热泳力和扩散泳力促进了亚微米级细颗粒物的碰撞团聚，因此，各粒径段颗粒物的粒径都能够增大，长大后的颗粒物进入旋风分离器被有效脱除[19]。

采集传统旋风分离器和云式除尘器灰斗中收集到的颗粒物样品，对微观形貌进行观察，得到SEM图像如图5所示。可以看出，传统旋风分离器收集到的颗粒物呈不规则的椭球形，粒径在十几微米，和图2所示的粉尘粒径分布相吻合（见图5（a））。相比之下，云式除尘器收集到的颗粒物中出现了许多亚微米级的细颗粒物（见图5（b）），证明云式除尘技术增强了对细颗粒物的脱除。

图5 不同系统灰斗中颗粒物的SEM图像Fig.5 SEM morphology of particles in hopper of different system

此外，在旋风分离器料斗中收集到的颗粒较为分散，未观察到有明显的团聚体产生，颗粒物表面较为光滑；而在云式除尘器的料斗中，细颗粒物间出现明显的团聚现象，生成了粒径较大的团聚体，且大颗粒表面附着的细颗粒物明显增多。这一现象证实了颗粒物在水汽相变、碰撞团聚的作用下生成了团聚体。

3.2 雾化量对云式除尘技术运行效果的影响

图6所示为雾化量对云式除尘技术颗粒物总脱除效率的影响。试验过程中，云式除尘系统的雾化量分别调整为 0、38、50、63、76、100、127 g/m3，其余参数和第2节所述一致。可以看出，当雾化量在0～76 g/m3之间时，随着雾化量的提高，云式除尘器对颗粒物的总脱除效率显著提高，从72.9%增加至92.3%；而当雾化量超过76 g/m3时，进一步提高雾化量对颗粒物脱除效率的影响有限。增加雾化量，一方面有助于构建过饱和环境，能使更多细颗粒物凝结长大；另一方面，未蒸发的液滴数随之增加，提高了液滴和颗粒物间碰撞团聚的概率，有助于形成粒径更大的团聚体；此外，液滴在旋风分离器壁面汇聚形成液膜，减少了二次扬尘的产生，因此，脱除效率会随雾化量的提高显著上升。但当雾化量过大时，额外喷入的液滴难以有效蒸发，对过饱和度的提高程度有限；同时，液滴数过多会使液滴之间发生碰撞团聚，对颗粒物碰撞团聚长大的促进作用不再增强；此外，当壁面液膜厚度达到一定程度时，对抑制二次扬尘的效果将不再发生变化，因此，当雾化量提高到一定程度时，系统的脱除效率将逐渐稳定。

图6 雾化量对颗粒物总脱除效果的影响Fig.6 Effect of atomization amount on total removal efficiency of particles

图7显示了雾化量对系统压降的影响。实验过程中，风机频率（风速）不变，仅改变系统雾化量。可以看出，当雾化量从0增加到127 g/m3时，系统的压降持续下降，从1200 Pa下降至1135 Pa。这是因为液滴的存在减弱了旋风分离器内的旋流强度，壁面摩擦随之减小，从而降低了系统压降。压降越低意味着系统能耗越低，由此可见，喷雾不仅能够增强旋风分离器对颗粒物及细颗粒物的脱除，还有降低系统能耗的作用。

图7 雾化量对系统压降的影响Fig.7 Effect of atomization amount on system pressure drop

3.3 工程应用情况

在实验室理论研究不断深入的同时，云式除尘技术同步进行工业放大，并应用于煤炭、石化等行业，以解决细颗粒物难以捕集的问题。图8展示了云式除尘系统的工业装置。烟气首先进入云雾发生器，经两级超细喷雾后颗粒物发生水汽相变长大形成含尘液滴，并和其余未蒸发的液滴一同进入后续的超重力旋风分离器；在超重力场中，颗粒物进一步碰撞团聚长大，并在离心力的作用下从烟气中分离出来，最终得到符合排放标准的洁净烟气。

图8 云式除尘系统工业应用Fig.8 Industrial application of Cloud-Air-Purifying system

以某催化剂厂15000 m3/h风量的工程系统为依托，开展全烟气工况工程应用试验，以考察云式除尘系统对生产过程中工况波动的适应性。首先，对烟气中的颗粒物分析可知，PM2.5和PM10的占比分别为28.3%及82.0%，可见该烟气中的颗粒物粒径较小，细颗粒物占比高。图9显示了系统运行过程中进出口颗粒物浓度及脱除效率。可以看出，生产过程中，原始烟气工况波动较大，颗粒物浓度在70～650 mg/m3范围内波动。但经过云式除尘系统后，出口颗粒物浓度始终保持在20 mg/m3以下，脱除效率介于91.4%～99.7%，平均脱除效率为96.3%，可见云式除尘技术对工况波动的适应性较强，并能确保工业烟气中的粉尘浓度达到排放标准。此外，云式除尘技术的耗水量低，运行过程中系统根据烟气条件自动调节雾化量，但始终未超过100 g/m3；且收集到的含尘浆液可直接回用于生产，避免造成二次污染。

图9 颗粒物的浓度及脱除效率Fig.9 Particle concentrations and removal efficiency

相较国内外应用较普遍的除尘技术，云式除尘技术具有结构简单、投资成本低、占地规模小等独特的优势。与布袋除尘器相比，云式技术不需要滤料，能够有效处理高温、高湿含尘烟气；与湿式电除尘技术相比，云式除尘技术对粉尘浓度的适应性更强；与湿式除尘技术相比，如广泛应用于冶金工业的动力波洗涤器等，云式除尘技术的一次性建设投资低、工程建设难度小、废水量更小。

4 结论

本文通过实验室试验和工程应用试验研究了云式除尘技术对细颗粒物的脱除特性。

（1）实验室研究结果表明，和传统旋风分离器相比，云式除尘器对颗粒物的脱除效率显著提高，尤其是对细颗粒物及“鱼钩”范围内的颗粒物。优化雾化量可以提高云式系统对颗粒物的脱除效率，降低系统压降及能耗。

（2）工程应用研究结果表明，云式除尘技术具有耗水量低、工况适应性强的优点。当原始粉尘浓度在70～650 mg/m3范围内波动时，出口粉尘浓度均保持在20 mg/m3以下，平均脱除效率为96.3%。收集到的含尘浆液可回用于生产，不会造成二次污染。