单股流布水改性碳钢表面的润湿特性

徐纯燕，常景彩，孟镇，王翔，崔琳，马春元



单股流布水改性碳钢表面的润湿特性

徐纯燕，常景彩，孟镇，王翔，崔琳，马春元

（山东大学燃煤污染物减排国家工程实验室，山东 济南 250061）

湿式静电除尘技术收尘极表面的易腐蚀和水膜均布问题是影响该技术连续可靠运行的重要因素。针对这两个问题，对碳素钢冷轧成型板进行了抗腐蚀保护层和在保护层基础上黏附不同附加亲水层的改性。使用称重法和平面成像法进行了单股流布水不同Reynolds数下不同改性表面持液量、表面流量、成膜率、水膜平均厚度等润湿特性的研究。结果表明：抗腐蚀保护层降低基材的润湿特性，附加亲水层中台丽碳纤维布的持液量较基材碳钢表面增加1.0～2.2倍，细沙粒成膜率比基材碳钢增加50%～60%，水膜厚度均在0.3～0.7 mm之间（最大达1.4 mm）；玻璃纤维布黏附在环氧树脂表面的疏松程度直接影响表面的润湿特性，涂刷第3层环氧树脂后自然晾晒12 h，120℃加热1 h后敷设玻纤布，自然冷却至固化得到的表面润湿特性最佳，其持液量可达0.014～0.021 g·cm-2，临界饱和时间＜3 min，实现完全润湿，成膜率较基材增加34～40倍；改性材料表面布水参数：喷水孔间距≥10 cm、Reynolds数超过2000，此时表面液膜为波动层流，可获得理想冲刷效果。

湿式静电除尘；腐蚀；水膜；润湿特性；布水

引 言

湿式静电除尘器具有诸如高效去除微细颗粒物、低压损、防止二次携带等优点，目前已得到广泛应用。当前用于湿式收尘极阳极材料的主要有高级不锈钢、铅、硬聚氯乙烯管、导电玻璃钢、碳或硅纤维[1-2]、有机纤维[3]等材料，以确保高湿腐蚀条件下阳极材料的可靠性；一般采用管状或板式阳极结构，使得极板表面起到水膜承载体的作用[2]。然而在湿式静电除尘器运行过程中，由于液体表面张力和刚性阳极表面机加工平面度偏差，刚性阳极表面水膜不可能实现均匀分布，导致局部腐蚀、火花放电和干斑点等缺陷[4]，因此研究合理的极板改性处理方法，增加极板表层的表面能，实现超低水耗量情况下刚性阳极表面形成完整液膜流动，从而解决传统刚性极板冲洗水消耗大、阳极成本高，冲洗水系统工艺复杂等问题，已经成为行业研究的热点之一。

一般来说，竖壁上液体流动形式可表现为完整液膜流动，流量较小或壁面润湿性较差时出现的沟流流动，以及继续减少流量后出现的液滴流动特 性[5]。目前关于竖板降膜流动特性的研究多集中在规整填料、换热、核电冷却壳[6-11]等方向，其研究内容侧重于竖壁表面的水膜状态、水膜的波动特性等，集中关注入口扰动频率、降膜和平板倾斜角等对降膜波动演化过程的影响[12-17]，对传统静电收尘极表面改性后的润湿特性研究鲜有关注。

本文以普通碳素钢冷轧成型板为基材，选用的亲水覆层同时兼顾材料耐蚀要求，对单股流布水条件下各种改性方法阳极板表面的润湿特性展开研究，揭示了Reynolds数等对不同改性阳极表面润湿特性的影响规律，显著增加极板单位面积持液量10倍甚至以上，扩大极板表面水膜铺展面积20～40倍，弥补了现行刚性极板表面水膜诱导铺展方法的不足，同时根据本文研究结论提出了针对传统固体阳极板的最佳的改性方法，以期为刚性极板表面液膜铺展方法的拓展提供借鉴意义。

1 实验部分

1.1 实验材料

基材选用电除尘常用板材Q215A碳钢板（carbon steel sheet，CSS），尺寸为100 mm×80 mm×1.5 mm，表面防腐层选用V-470酚醛乙烯基环氧树脂（epoxy resin，ER），每种改性方法中均在冷轧碳钢板表面涂刷两层环氧树脂，固化后涂刷第3层环氧树脂时对表面选用不同的改性材料，相应改性方法特征见表1，改性表面形貌见图1。

图1 碳钢及表面粘贴材料SEM图

表1 基材表面改性方法特征汇总

表1中方法2是直接涂刷3层环氧树脂自然晾干至固化，方法3～8是在涂刷第3层环氧树脂后，在其表面敷设上述材料然后自然晾干至固化。而玻璃纤维布系列（GFC series）区别如下：GFCⅠ，第3层树脂表面敷设玻纤布，自然晾晒12 h，120℃加热1 h后自然冷却至室温固化；GFCⅡ，第3层树脂自然晾晒4 h后敷设玻纤布，晾晒8 h，120℃加热1 h冷却至室温固化；GFCⅢ，第3层树脂自然晾晒12 h，120℃加热1 h后敷设玻纤布，自然冷却至固化；GFCⅣ，改性方法同GFCⅢ，基材碳钢和玻纤布宽度为GFCⅢ的1/2，其他同。

图1中显示，碳钢表面经打磨后表面呈现沟壑状；而环氧树脂表面比较光滑；沙粒（sand）浸于环氧树脂底层，表面也偏于光滑；玻璃微珠（GB）基本也浸入环氧树脂层；东丽（DL）、台丽（TL）、玄武岩（XWY）碳纤维布均被环氧树脂浸透，其中台丽碳纤维布中间还可看出单根纤维丝；玻璃纤维丝（GFF）被环氧树脂浸透但表面有棱；玻璃纤维布（GFC）是交叉编织，纤维丝疏松，GFCI也被环氧树脂浸透，GFCⅡ纤维丝基本上保持疏松状态，小部分有黏结，GFCⅢ、GFCⅣ可看出清晰的纤维丝原状，无任何黏结，纤维丝底部可看出环氧树脂层表面。

1.2 测试及分析方法

静态接触角测量使用Kruss-K12程序界面张力仪，取5.0 μl去离子水作为探测液，在待测样板表面不同位置取至少5点测量，用平均值作为最终 结果。

质量测定系统使用Mettler Toldeo XS204精密电子天平（称量范围为0.0001～220.000 g），线性误差0.2 mg。

液膜内部的动力学很大程度上取决于测试表面的润湿性和工作流体的表面张力[15]。工作介质选用去离子水，工作流体的表面张力确定，故液膜的动力学主要取决于测试表面的润湿性。其中表征表面润湿的参数如下。

（1）接触角 接触角的大小可以表征液体对固体的润湿程度，近年来，有人提出以接触角65°作为亲水和疏水的界限[18-19]。

（2）持液量 液体流动过程中单位面积固体表面持留的液体量。定义液体流动过程中单位面积上的最大持液量为饱和持液量（g·cm-2）。

式中，h为测试样板表面持留的液体质量，g；t为测试样板总面积，cm2。

（3）表面流量 单位面积固体表面上形成连续流动的水膜所需要的供水流量（kg·h-1·m-2）。

式中，t为给水流量，kg·h-1；e为有效成膜面积，cm2。

（4）成膜率 液体润湿的面积与测试样板总面积之比。

所有测试样板表面粘贴标尺，成膜图像由摄像机拍摄后采用像素法[20]计算有效成膜面积。

（5）水膜平均厚度 单位有效成膜面积上的持留液体的厚度（cm）。

（6）临界饱和时间 当表面的持液量达到饱和持液量的95%后，随着时间的推移，持液量缓慢地增大到饱和持液量，此时表面的有效成膜面积已经不再发生变化且可满足润湿整个表面。故将持液量达到饱和持液量的95%所用的时间记为临界饱和时间c(s)。

1.3 实验装置

实验系统如图2所示，给水系统由给水箱、循环水泵、储水罐和针型阀组成，三通阀和溢流管配合控制给水箱的水位和压头，调节针型阀得到实验所需的流量。将待测样板悬挂在支架上，将支架放置在天平上，在距离待测样板上部0.5～1 mm处固定布水管，布水管固定在固定支架上，固定支架与天平不直接接触，固定支架可以移动调节针管到悬挂样板的距离，布水管始终保证不与测试样板直接接触，通水后水流正好流经平板表面，在悬挂支架下部架空放置收集槽，收集槽内的水最终进入储水罐循环使用。摄像机置于测试样板正前方对测试样板进行拍照。使用天平数据采集软件Balance Link，实时采集电子天平的质量信号，进行数据统计。

图2 实验系统

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

2.1.1 接触角 不同材料表面接触角见表2，其中原基材碳钢表面的接触角为56°，涂刷环氧树脂作为表面防腐覆层后接触角变大为61°，采用不同改性方法后接触角明显变小，尤其GFCⅡ、GFCⅢ和GFCⅣ改性方法，液滴与改性表面接触后水滴迅速扩散，接触角为0°。

表2 不同材料表面的接触角

长纤维堆积形成的多孔介质毛细渗透过程中呈现各向异性[21]，本文研究中发现碳纤维布的各向异性表现明显，沿垂直纤维方向接触角明显大于沿平行纤维方向，在实验选用的3种碳纤维布中，台丽碳纤维布表面的接触角为0°，见表3。

表3 不同碳纤维材料表面的接触角

2.1.2 改性表面水流流态 由图3可见，单股流布水条件下基材碳钢、环氧树脂、细沙粒、玻璃微珠、东丽碳纤维布、台丽碳纤维布、玄武岩纤维布、玻璃纤维丝、GFCI表面水流均呈单股水流，但表面水流的形态和有效成膜面积明显不同，而GFCⅡ、GFCⅢ和GFCⅣ表面能够完全润湿，其中GFCⅡ表面中间有水流可见。

图3 表面单股流布水效果

2.2 不同改性表面的润湿特性

由图4 (a)可以看出，随着Reynolds数的增大，各改性表面的持液量均增大。涂刷耐腐蚀的环氧树脂层后，表面的持液量较基材碳钢有所降低；GFCI表面的持液量也低于基材碳钢；东丽碳纤维布在低Reynolds数下持液量高于基材碳钢，当Reynolds数高于2150后，持液量开始低于基材碳钢；玻璃微珠持液量均高于基材碳钢，但是在低Reynolds数下持液量差值要大于高Reynolds数；玄武岩持液量均高于基材碳钢，但是在低Reynolds数下持液量差值要小于高Reynolds数；台丽碳纤维布、细沙粒、玻璃纤维丝持液量均高于基材碳钢，其中台丽碳纤维布的持液量最高，较基材碳钢表面增加1.0～2.2倍。由图4 (b)可以看出，欲润湿相同面积的改性后表面，环氧树脂、东丽、GFCI需要的流量均高于基材碳钢，其他方式的都低于基材碳钢，其中玄武岩的接近基材碳钢，细沙粒需要的最小，比基材碳钢减少了36%。

图4 Reynolds数对不同改性材料持液量和表面流量的影响

表4 Re≈2150时不同改性表面的润湿参数

Note: Initial massinrefers to total mass of holder and test sample placed on electronic scales.

在实验Reynolds数范围内，基材碳钢表面的有效成膜面积为1.8～2.3 cm2，由图5 (a)可以看出，随着流量的增大，所有表面的成膜率均增大，基材碳钢的成膜率2.8%～3.5%，其中环氧树脂、东丽碳纤维布、GFCI的成膜率低于基材碳钢，玄武岩表面的成膜率增加不超过8%，玻璃微珠和台丽碳纤维布增加不超过22%，玻璃纤维丝增加不超过30%～50%，而细沙粒增加50%～60%。GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ均可完全润湿，故GFCⅡ和GFCⅢ成膜率可增加34～40倍，GFCⅣ板也可增加16～20倍。由图5 (b)可以看出台丽碳纤维布表面的水膜平均厚度最高，可达1.4 mm，其他改性方式均在0.3～0.7 mm。

图5 Reynolds数对不同改性材料表面成膜率和水膜平均厚度的影响

持液量越大，说明单位表面持留的液体越多，对表面的润湿效果越好。表面流量越小，过水面积越大，说明液体在表面的铺展性好，润湿一定面积需要的水量小。成膜率越大，说明液体在表面扩展的面积越大，布置喷水孔的间距可扩大。台丽碳纤维布的水膜平均厚度高是因为碳纤维布有各向差异，沿水流方向接触角很大，垂直于水流方向接触角很小，因此液体在表面停留的时间长，持液量高，但是过水面积较其他改性方式不占优势，这也说明表面的憎水性和亲水性与液体在表面停留的时间有关。水膜平均厚度大说明表面的亲水性差，在表面铺展性较差。

2.3 不同处理工艺玻璃纤维布表面的润湿特性

玻璃纤维布的处理工艺对其表面的润湿性有很大的影响。由图6 (a)可以看出，当Reynolds数为800（t0.05 g·s-1）时，基材碳钢、环氧树脂、GFCI表面的液体持留量在通水后，迅速达到一个高值，然后在此高值上下跳动，分析原因是水流在流经测试样板后到达样板的下边缘，液滴质量未累积到一定程度时会挂住，当后面的水流流下液滴质量增大，承受不住时滴落，如此反复，造成天平称量的数值上下跳动，GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ表面液体持留量增长过程中也存在跳动现象。给水后GFCⅡ表面的液体持留量缓慢持续上升，经过很长一段时间才能达到稳定值；而GFCⅢ和GFCⅣ在较短时间内即可达到稳定值。计算中均取稳定段的平均值作为测试样板表面的液体持留量。

图6 表面液体持留量随时间变化趋势

由图6 (b)可见，当Reynolds数为3100（t0.20 g·s-1）时，基材碳钢、环氧树脂、GFCI、GFCⅣ表面通水后，不再出现质量上下跳动问题，而是平稳在一定值，说明水流在流经测试样板后到达样板的下边缘，液滴重力足够可直接滴落，而 GFCⅡ和GFCⅢ表面可完全润湿，在样板下边缘存在多个液滴，当液滴不同步滴落时，也会造成表面液体持留量存在小幅度波动。

叶学民等[22]对垂直表面自由降膜流的水动力特性的研究结果表明：当4/＜20～30（为单位湿周的体积流率，为流体的运动黏度），流动为层流，膜表面呈平滑状态且膜厚为常数；当200＜＜l000～2000，流动呈波动的层流，其中表面波叠加在向前运动的液膜表面；当＞1000～2000，流动呈波动性剧烈的紊流。本文实验中基材碳钢表面液体持留量随时间变化趋势是否跳动的分界点为流量0.15 g·s-1，恰好验证了流量0.15 g·s-1以下的表面流动为波动的层流，0.15～0.30 g·s-1范围内为波动性剧烈的紊流。

Reynolds数与持液量的关系直接反映了Reynolds数对水膜平均厚度的影响，因为在给水时间足够的条件下，测试样板GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ均可被完全润湿，成膜率均为100%，持液量的值与水膜平均厚度值相同。如图7 (a)所示，GFCI表面的持液量随着Reynolds数的增大，GFCI表面的持液量几乎呈线性增长趋势，增长的幅度不大；GFCⅡ表面的持液量开始随着Reynolds数的增大而增大，当Reynolds数增大到2000，持液量不再增大，而是保持在0.025 g·cm-2上下；GFCⅣ板表面的持液量高于GFCⅢ的原因是二者表面的液体持留量相差不到20%，但是润湿面积GFCⅣ是GFCⅢ的两倍；GFCⅢ表面的持液量在低于2000时，变化不大，Reynolds数继续增大，持液量才开始增大，且存在一个最大值，在Reynolds数为4000左右；GFCⅣ板表面的持液量在低Reynolds数时，基本不增长，Reynolds数超过2000后，持液量增大。与前面所述的流型的分类吻合，即在波动的层流状态下，GFCⅡ的持液量随着Reynolds数的增大而变大，而GFCⅢ和GFCⅣ的持液量随着Reynolds数的增大基本维持不变，Reynolds数增大过渡到紊流波动状态后，呈现出相反的现象，GFCⅡ的持液量随着Reynolds数的增大基本维持不变，而GFCⅣ和GFCⅢ的持液量随着Reynolds数的增大而变大。这种差别的存在主要是由于玻璃纤维布表面的玻璃纤维丝之间的疏密程度不同进而导致毛细结构不同引起的。

图7 Reynolds数对不同玻璃纤维布改性表面持液量和临界饱和时间的影响

GFCI表面达不到完全润湿， GFCⅡ和GFCⅢ有效成膜面积为GFCⅣ的两倍，润湿面积相同的情况下，玻璃纤维布表面的表面流量与Reynolds数呈线性关系。由图8可见，GFCI的表面流量高于1000 kg·h-1·m-2，远大于其他3种表面，GFCⅣ次之，但表面流量最大值不超过300 kg·h-1·m-2，GFCⅡ和GFCⅢ接近，不超过200 kg·h-1·m-2，说明润湿相同面积的改性后表面，GFCⅠ表面流量较基材碳钢需要增大15%～25%，GFCⅣ表面流量较基材碳钢可降低94%，GFCⅡ和GFCⅢ需要的流量最小，可降低97%。

图8 Reynolds数对不同玻璃纤维布改性表面流量的影响

在工程应用过程中应综合考虑Reynolds数对表面持液量和临界饱和时间的影响，选择合适的布水流量，保证在小流量下较迅速润湿整个阳极板。在实验测试样板长度单股布水条件下可润湿布水管直径20倍以上的宽度，这就说明在布水时，喷水孔间距可设置为10 cm或更宽。Reynolds数达2000时，GFCⅡ的持液量和临界饱和时间基本上可达到比较好的效果，GFCⅢ和GFCⅣ表面均有较高的持液量和较低的临界饱和时间，且表面流量维持在较低的水平，此时表面的液膜波动为波动的层流，能够取得较好的冲刷效果。

3 结 论

（1）不同的改性方法，表面润湿特性差异显著；环氧树脂、GFCI改性后表面润湿特性与基材相近；细沙粒、玻璃微珠、GFF改性后润湿特性相近，但是亲水性改善有限。其他改性方法中台丽碳纤维布的持液量最高为0.0028～0.0054 g·cm-2，较基材碳钢表面增加1.0～2.2倍；细沙粒表面流量需要的最小，比基材碳钢减少了36%；细沙粒成膜率最大较基材碳钢表面增加50%～60%；表面的水膜平均厚度均在0.3～0.7 mm，台丽最大达1.4 mm。

（2）GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ改性表面亲水性良好：表面水膜平均厚度均在0.35 mm以下；其中GFCⅢ、GFCⅣ表面润湿速度较快，临界饱和时间c＜3 min；润湿相同面积的改性后表面，GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ表面流量较基材碳钢可降低94%～97%。

（3）GFCⅢ改性表面纤维丝保持疏松状态无黏结，润湿特性优异，喷水孔间距设置可间隔10 cm或更宽。

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Wetting characteristics of modified carbon steel surface with single strand flow

XU Chunyan, CHANG Jingcai, MENG Zhen, WANG Xiang, CUI Lin, MA Chunyuan

(National Engineering Laboratory for Coal-Fired Pollutants Emission Reduction, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China)

The erosion of dust collection electrode and distribution of water film are the main factors affecting stability and reliability in successive operation of wet electrostatic precipitators (WESP). To address these problems, modification of carbon steel made by cold rolling was made to provide corrosion protective coating and additional water affinity. The surface wetting characteristics of various modified anode plates were investigated under single strand feed water condition. The influence of Reynolds number on surface wetting characteristics of optimum modified plate was studied, aiming at providing theoretical foundation of rinse water distribution of WESP. Corrosion protective coating had negative impact on the surface wetting characteristics of substrate. With similar surface wetting characteristics, epoxy resin and glass fiber cloth Ⅰ had no effect on hydrophilic modification. The surface wetting characteristics of epoxy resin modified by sand, glass beads and glass fiber filament were similar and had little effect on hydrophilic modification. TL carbon fiber cloth had the largest liquid holdup of 0.0028—0.0054 g·cm-2, increased by 1.0—2.2 times compared with carbon steel sheet (CSS). Sand needed the least surface flow rate to wet the whole test sample, which was decreased by 36% compared with CSS; while sand had the largest film rate, increased by 50%—60% compared with CSS. The average thickness of water film was about 0.3—0.7 mm, and TL carbon fiber cloth could reach 1.4 mm. The degree of tightness of glass fiber cloth attached on the surface of epoxy resin depended on adhesion technology, which had direct effect on surface wetting characteristics. GFC series modification methods (GFCⅡ, GFCⅢ, GFCⅣ) had favorable effect on hydrophilic modification, and average thickness of water film was less than 0.35 mm. GFCⅢ, GFCⅣ surface could get wetted quickly, and critical time was shorter than 3 min. Surface flow rate of GFCⅡ, GFCⅢ, GFCⅣ could decrease by 94%—97% compared with CSS to wet the same size surface. Among them, adhesion technology Ⅲ had the best performance. The pitch of blowhole could be set as 10 cm or wider. Effective washing could be obtained, when the waves on the liquid film were fluctuating laminar at Reynolds number about 2000.

wet electrostatic precipitator; corrosion; water film; wetting characteristic; rinse water distribution

2014-06-13.

MA chunyuan, sdetechym@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20140894

X 51

A

0438—1157（2015）02—0669—09

国家自然科学基金项目（51206097）；山东省自然科学基金青年基金项目（ZR2011EEQ019）；山东大学基本科研业务费专项资金项目。

2014-06-13收到初稿，2014-11-21收到修改稿。

联系人：马春元。第一作者：徐纯燕（1987—），女，博士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51206097), the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2011EEQ019) and the Fundamental Research Funds of Shandong University.