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电厂污泥车间静电雾化过氧化氢杀菌特性研究

2020-09-22俞燕施捷詹晓艳胡晓亮陆毅彬

中国设备工程 2020年18期
关键词:过氧化氢液滴静电

俞燕,施捷,詹晓艳,胡晓亮,陆毅彬

(1.嘉兴新嘉爱斯热电有限公司,浙江 嘉兴 314016;2.杭州电子科技大学,浙江 杭州 310018)

污泥干化焚烧是这几年发展起来的一种新兴污技术。污泥经过机械等手段脱水干化后与煤炭掺混进行焚烧,烟气经净化达标排放,新嘉爱斯拥有国内最大污泥焚烧综合利用热电联产项目。干化后的污泥含有将近40%的水分,由于这类污泥体积大,且富集了大量的微生物种群,在仓储的过程中会释放各种恶臭气体,且成分复杂,主要是微生物呼吸或发酵所形成的产物和不完全产物。有效地将这一部微生物种群杀死阻止其代谢和呼吸对于污泥干化焚烧无害化处理、避免二次污染起着重要的作用。过氧化氢由于其较强的氧化性,作为传统的杀菌方法已经广泛应用于食品、医疗、化工等领域。将过氧化氢溶液雾化成细小的液滴群,使其具有较大的比表面积,弥漫在杀菌场所中,对杀毒灭菌有着至关重要的作用。本文将基于平行板电极静电破碎实验装置研究过氧化氢的雾化机理,探讨在污泥车间雾化杀菌的影响因素,为污泥干化过程中废气治理提供新的思路。

图1 平行板电极静电破碎的实验装置示意图

1 实验装置

平行板电极静电破碎实验装置示意图如图1 所示,主要由高速摄像机、微泵、高压电源、平行板电极、LED 光源和固定脚架组成。输液部分是由微泵推动储存在注射器中的过氧化氢溶液,以精度为±2%来控制体积流量,从而保证流量的稳定。用鲁尔接头将注射器和毛细管喷嘴末端进行软性连接,保证输液过程无渗漏。启动微泵后,可以通过其将过氧化氢溶液输送至毛细管(内径d=500μm,外径D=800μm)一端。平行电极提供横向平行高压电场,因此,为避免摇晃,需要将毛细管喷嘴一端竖直固定以保证静电雾化时喷嘴定。同时,将有机玻璃板贴合包装在平行板周围做到了良好的绝缘,避免铝板直角针尖放电、空气电离及电荷泄漏等。高速摄像机采用的是Phantom 高速相机。录制帧率采用为15000fps,图像分辨率512×384。使用背光均匀的LED 灯源用于视场照明,同轴心摆放于Phantom 高速相机镜头的对面位置,便于在大光圈且短时间曝光情况下获得对比度明显的图像(图2)。

2 电压和流量对雾化的影响

2.1 电压的影响

控制流量400ml/h、依次调高电压研究电压对35%过氧化氢溶液雾化的影响。液滴群数量随电压变化的情况如图3所示。当电压调节至12kV以下时,液滴表面聚集的电荷较少,静电力对脱落液滴的个数并未造成影响,液滴的数量没有明显增加,未达到良好的破碎的效果。电压调节至12 ~28kV时,于12kV出现了液滴数目第一次急剧拉升现象,主液滴脱落的过程中,较小卫星液滴也伴随出现,从而导致了液滴数目的上升。随着电压的增加,一次周期性的脱落便可以分裂出14个左右的小液滴,并于28kV时,液滴数目出现第二次拉升,迅速攀升至37个。液滴数目在30kV时,由于空气电离,导致流量不稳定,液滴个数尽管有所回落,但依然可以超出平均水平,10个左右的液滴数差距。

图2 不同电压下的雾化颗粒图像

图3 液滴群个数随电压变化情况

图4 平均粒径随电压变化情况

综上所述,当电压调节至28 ~30kV时,液滴数量明显要远高于先前电压值。接触荷电使管道内液体与电荷直接接触,从而在管道内就带上电荷。管道内射流而出的液体,因电荷大量聚集,导致库仑斥力急剧增大,使得液滴破碎并得到可观的液滴数目。因此,液滴数量受到电压的影响较大,在保证流量稳定、无空气电离条件下,实际工程若有高压源条件允许,应该优先设置较大的电压,从而保证较大的场强。但是,随着电压升高,主液滴粒径不会一味减小,而是逐渐减小并趋于稳定。主液滴的大小在一定程度上对液滴群的平均粒径造成了一定的影响,在雾化过程中,使得主液滴的粒径保持较小的占比将成为实验的关键。

不同电压下的液滴群平均粒径变化情况如图4 所示,表明了相对较低的电压情况下(10kV以下),破碎液滴的粒径大部分都要大于1000μm,以一颗主液滴的形式脱落,并未形成有效破碎。在中等电压情况下,即10 ~20kV时,伴随着卫星小液滴的出现,平均粒径开始下降,于10kV时的平均粒径下降尤为明显。在高电压下,当电压调至22kV时,破碎液滴的粒径逐渐开始出现100μm 以下的小液滴,并随着电压升高,占比逐渐增大,于28kV时,占比达到最高,平均粒径也相应达到最小值154.8μm,这一阶段的破碎液滴的粒径大小主要分布在51.2 ~194.5μm 的范围内。可以发现通过改变电压能够改变主液滴的粒径大小,其粒径尺寸是评估雾化效果良好的关键因素。

图5 液滴群个数随流量变化情况图

图6 液滴平均粒径随流量变化曲线

2.2 流量的影响

固定电压值为28kV、通过微泵从小到大调节不同流量。实验中液滴群个数随流量变化情况如图5 所示。流量位于0 ~100ml/h时,此时,流量较小,针管口偶有出现主液滴和跟随其而来的卫星液滴,液滴数目较少;流量在100 ~550ml/h 由于流量的增加,液滴的数量将增加。第一次较为明显的急剧上升位于流量175ml/h,数量骤升。于流量为500ml/h时达到液滴数量峰值37个。流量置于500~1200ml/h 的范围内,液滴数量开始不断下降,第一次明显的骤降位于流量1000ml/h,液滴数量骤降,于超高流量1200ml/h时,受限于电压无法上升,超高流量的推力明显抑制住了电场力的作用,很难再有好的破碎果。

平均粒径折线图表明(如图6 所示),流量25 ~175ml/h:粒径于158 ~308μm 波动,粒径上下浮动是由于微泵在小流量下,考虑为流量不稳定所导致。此外过氧化氢溶液由于静电力与黏性力共同作用,一定程度削减了微泵低流量时的推力,使得管口低流速的液体牢牢黏附于管口,从而造成数据上的波动。流量调节至175 ~700ml/h时,平均粒径开始下降并趋于平缓。平均粒径也从最高值234μm 降至500 ml/h时的最低值92.8μm。流量位于700 ~1000ml/h时,液滴的平均粒径开始增大。流量在1000 ~1200ml/h时,粒径的曲线斜率陡增,粒径增大速度远超于上一阶段,平均粒径增大速度迅猛。

3 结语

(1)通过以上的研究发现,过氧化氢的静电雾化特性受到电压和流量的影响。当电压为28kV,流量为500ml/h,35%过氧化氢溶液雾化的液滴数量较多,且平均粒径达到了90.7μm。

(2)合理控制雾化的电压和流量,将过氧化氢雾化成100um 以下气溶胶,可以在污泥仓库空气中形成网状屏障,弥漫在堆积污泥的上方及周围。随着污泥抓斗的翻泥与卡车倾倒污泥,与微生物大面积的接触而杀死。最大可能地达到杀菌效果,避免微生物因呼吸和代产生恶臭气体,造成二次污染。

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