尾气湿含量对气液交叉流阵列捕集PM2.5的影响

李 勇 郑志坚 夏素兰 文 浩 陈 毅

（四川大学化学工程学院，四川成都，610065）

我国正值工业化快速发展阶段，近十年影响大气环境质量的主要因素是各种工业尾气排放，其中的 PM2.5危害很大［1－2］。过程工业尾气中 PM2.5排放占大气PM2.5来源接近50%，因此PM2.5的控制首选工业尾气源头控制［3］。现存PM2.5的减排技术成本高昂，若以荷兰本世纪制定的工业尾气PM2.5减排率50%计划为参照［4］，一台315kW 的尾气离心通风机产生PM排放量35kg·h－1，即便50%的减排率所需成本也高达1750·h－1，这在我国现阶段经济不可行。因此开发经济可行、PM2.5捕集效率高的技术迫在眉睫。从“以废治废”角度出发，利用工业尾气含湿特性，本课题组开发了基于气液交叉流界面吸收PM2.5净化技术，并已成功实现工业应用［5－6］。如图1所示，吸收液通过水平多孔板和亲水导流线分散为具有光滑表面的连续流动降膜阵列，含湿工业尾气横掠降膜阵列，尾气中水蒸气向液膜表面冷凝，驱动PM2.5微粒向液膜表面运动并被吸收。本文通过质量衡算及传质速率方程，得到气液交叉流降膜阵列PM2.5捕集效率模型，重点研究尾气湿含量对PM2.5捕集效率的影响。

1 理论分析

图1 光滑连续的降膜阵列

图2 含湿尾气横掠降膜阵列示意图

图2为含湿尾气横掠降膜阵列示意图，尾气进口表观气速、温度、湿含量分别为u0、T1、H1，尾气出口气速、温度、湿含量分别为u1、T2、H2。阵列垂直于气流方向排布，液柱直径为dc，轴间距为a，排间距为b，液膜表面温度恒定为Tw。

假设尾气中水蒸气分压大于液膜表面温度对应的饱和蒸气压，尾气中水蒸气均匀的向液膜表面发生冷凝扩散，根据水蒸气质量守恒：

式中uw为气液交叉流阵列中水蒸气向液膜表面运动的体积通量，H1、H2为尾气进口、出口湿含量，kg/kg；ρg为空气密度、ρw为尾气中水蒸气分压对应的水蒸气密度，g/cm3；n为阵列排数。

水蒸气体积通量：

此即为水蒸气组分向液膜表面的迁移速度，带动PM2.5粒子以同样的速度向液膜表面运动，忽略重力、热泳力等对PM2.5的影响，此时PM2.5向液膜表面的传质系数Kp等于水蒸气体积通量uw［7］，即：

根据PM2.5质量衡算及传质速率方程，单排液膜阵列PM2.5吸收量为：

式中V为尾气体积流量，m3/s；Ai为单排液柱传质面积，m2；（ci－ci＋1）为通过该排后尾气PM2.5浓度变化值，mg/m3；cs为液膜表面PM2.5浓度。假设一旦PM2.5和液膜接触就被全部吸收，即液膜表面PM2.5浓度为0，则单排降膜阵列PM2.5捕集效率ηi为：

由 （2）式、（3）式、（5）式得出：

对图2所示规则均匀排布的降膜阵列，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气速和PM2.5浓度，忽略阵列的头尾效应，如果各排降膜阵列PM2.5捕集效率视为相同，总数为n排的降膜阵列PM2.5总捕集效率为：

2 气液交叉流捕集PM2.5实验

图3为PM2.5捕集效率测试实验装置，由dc＝3mm导流线垂直穿过上、下两块相距0.5m的多孔板，组成均匀错排布置的20列×90排降膜阵列，前30排为一组，其余每20排为一组，每组之间设置采样孔。气液交叉流设备通过水泵由水槽向多孔分布板供水，在导流线上形成连续均匀稳定的降膜流动。换热器加热风机提供的气流，超声波雾化器提供水蒸气，PM2.5生成装置产生PM2.5粒子，在气液交叉流降膜阵列入口前均匀混合，模拟含PM2.5和水蒸气的工业尾气。

图3 气液交叉流捕集PM2.5实验流程图

表1 Al2O3粒径分布

实验使用纯度为99%惰性Al2O3粉体模拟尾气中的PM2.5粒子，用 Malvern Mastersizer 2000（英国马尔文公司）测量Al2O3粉体粒径，测量范围0.1 μm～1000μm，Al2O3粉体粒径分布如表1所示。采用带湿度修正的LD－5S激光粉尘仪（北京聚道合盛科技有限公司）测量气流中PM2.5质量浓度，分辨率为0.01mg·m－3，误差在±5%之内。用Dwyer RHT－D－LCD温湿度变送器测量气流相对湿度和温度，相对湿度分辨率0.1，温度分辨率0.1℃，误差在±2%之内。进口尾气流速由MAGNEHELIC－2000精密皮托管压差计（Dywer Instruments，Inc）检测，其分度值0.2Pa，误差±2%。

实验中控制尾气进口表观气速u0＝0.69m/s，T1＝80℃恒定不变，PM2.5进口浓度不变，改变进口尾气的湿含量，依次检测各采样孔PM2.5浓度。每组实验重复3次，实验数据取平均值。

3 实验结果与讨论

如图4所示，PM2.5捕集效率与排数之间呈指数关系变化。理论结果表明，进口尾气湿含量H1从0.28kg/kg增加到0.52kg/kg，单排降膜阵列PM2.5捕集效率从0.64%增加到1.26%，相应90排降膜阵列PM2.5捕集效率从44%增加到68.1%，该理论结果与实验结果基本一致。单排降膜阵列PM2.5捕集效率为1.26%时，达到90%分离效率仅需182排，若排间距b＝1.5dc，则分离通道总长度仅为819mm，对工艺装置尾气净化设备而言其效率是很高的。

图4 不同湿含量下PM2.5捕集效率理论与实验对比

4 结论

（1）提出以废水－废气构建的气液交叉流降膜阵列捕集工业尾气中PM2.5，实现以废治废的目的。

（2）基于质量衡算和传质速率方程，得到以尾气湿含量为控制参数的气液交叉流降膜阵列PM2.5捕集效率模型。理论结果表明，进口尾气湿含量从0.28kg/kg增加到0.52kg/kg，单排降膜阵列PM2.5捕集效率从0.64%增加到1.26%，当湿含量为0.52kg/kg时，预测182排降膜阵列就可达到90%分离效率。

（3）通过90排气液交叉流降膜阵列实验验证，理论结果与实验结果基本一致。

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［5］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.

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［7］Friedlander S K.SMOKE，DUST，AND HAZE：Fundamentals of Aerosol Dynamics（2nded）［M］.Oxford university press：New York Oxford，2000：38－39.