表面活性雾滴联合金属网栅增效除尘

2023-03-01邓权龙丁厚成徐远迪蒋仲安杨岚孙雪霏

化工进展 2023年1期

邓权龙，丁厚成，徐远迪，蒋仲安，杨岚，孙雪霏

（1 安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243002；2 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083）

粉尘防治工作一直是大气环境治理和职业健康关注的重点。燃煤和工业排放是城市PM2.5的重要来源，且颗粒物携带As、Pb、Zn、Cu 等多种金属[1−2]，对人们呼吸系统的健康造成严重威胁。此外，国家卫生健康委等多部门联合印发的《国家职业病防治规划（2021—2025 年）》强化了安全生产和职业健康的要求[3]，每年我国尘肺病发病数占总尘肺病新增数的80%以上[4−5]。因此，国内粉尘颗粒物防治工作的形势很严峻，需要对作业场所颗粒物排放进一步治理。

在工业生产中常用的除尘技术主要有机械式除尘、袋式除尘、湿式除尘、静电除尘等[6]，其中湿式除尘技术具有成本低、效率高、易操作等特点，常见除尘设备有水浴水膜除尘器、冲击式除尘器、加压喷淋除尘器等[7−8]。喷雾降尘作为传统的湿式除尘方法，在工业防尘中广泛应用，其核心在于喷嘴性能方面，众多学者对其喷雾雾化效果[9−10]、参数优化[11−12]、智能化控制[13−14]等方面开展大量研究工作，通过改善雾滴粒度分布、雾化角度、喷雾形状等指标，提高除尘效果。然而对于某些微细颗粒或者难溶于水的颗粒物，单纯的水喷雾除尘效率并不高。部分学者在复合式湿式除尘方面开展了大量研究工作，周磊等[15]针对褐煤细颗粒粉尘疏水性的问题，采用表面活性剂增强喷雾的复合式除尘试验，除尘效率具有显著提高；王军锋等[16]开展了表面活性剂影响下细水雾吸附细颗粒物特性的试验，测试其对颗粒的聚合作用；Nie 等[17]通过化学改性方法开发了一种具有高润湿性和凝聚性的环保抑尘剂，通过喷雾降尘可显着降低粉尘浓度；Guo 等[18]对喷雾与湿式弦栅复合湿式除尘的参数进行了理论分析和试验研究，得出除尘阻力与喷雾压力、振弦格栅填充率和风速的关系。尽管多种湿式除尘机理联合应用的研究结果不少，但是如何基于多种除尘机理的复合，研发新型、高效、经济的除尘设备一直是除尘领域的难题，也是科研人员的共同目标。

因此，基于前人的研究工作的基础上，本文将表面活性剂、高压喷雾和金属网栅三者进行联合，构建喷雾协同金属网栅除尘试验装置，对表面活性剂进行优选，揭示风速、喷雾压力、网孔目数、网栅层数和粉尘浓度对除尘性能的影响规律，为新型高效的复合湿式除尘技术的改进提供参考。

1 除尘原理

表面活性雾滴联合网栅除尘作用主要涉及高压喷雾降尘、表面活性剂增效润湿、网栅水膜捕尘三个方面的原理。

其中高压喷雾以水流为介质，在高压、高能作用下水流穿过喷嘴产生激烈的液体破碎，从而形成微细水雾颗粒，产生雾化作用[19]。粉尘穿过雾化区域时，尘粒与水雾颗粒进行充分混合，两者之间发生相互的碰撞与凝聚，结合成新的大颗粒物，在重力作用下实现沉降[20]。表面活性剂因其分子的两亲结构使其具有界面活性，使其溶液体系的界面状态发生明显变化，有效地降低水溶液的表面张力[21−22]，与普通水雾相比，表面活性雾滴能够增效对尘粒的润湿作用。其中，网栅水膜捕尘是基于网栅间动态形成和破碎的水膜与粉尘颗粒的作用，在高压喷雾作用下，雾滴在网栅上被吸附停留，当液滴积累至一定程度时，在网孔形成水膜。在含尘气流经过网栅时，粉尘颗粒被水膜润湿捕集，同时水膜瞬间也发生破裂[23−24]。网栅上的水膜的形成与破裂是瞬时动态的循环，从而实现网栅水膜连续捕尘。

经过喷嘴雾化后，表面活性雾滴在网栅网孔处形成动态水膜，当粉尘颗粒进入雾化区，液滴与颗粒发生凝聚作用结合成新颗粒，在风流作用下，遇到网栅水膜被捕集，表面活性雾滴联合网栅除尘原理示意如图1。

图1 表面活性雾滴联合网栅除尘原理示意图

2 模型与方法

2.1 实验装置系统

表面活性雾滴联合金属网栅除尘实验系统由风尘控制、喷雾控制和数据测试共三部分组成，实验系统如图2。风尘控制部分包括粉尘发生装置、进风管、匀流板、箱体、金属网栅、出风管、离心式通风机，箱体尺寸为1200mm×450mm×450mm，粉尘发生装置模拟尘源且控制产尘量，风机通过无极变速调节所需风量，风机为实验系统提供通风动力。喷雾控制部分包括循环水箱、试剂混合器、水管、水泵、水压表、水流量表、喷嘴，其中循环水箱底部具有污水过滤功能，实现污水循环利用；H2S 型水泵为高压低流量型水泵，最大供水量488L/h，额定功率3.1kW，提供0～20MPa 连续可调的水压。数据测试部分主要仪器包括LS−909 激光粒度分析仪（测试范围0～2100μm、精度1%）、VT−100 风速仪（测试范围0.15～30m/s、精度3%）、AS510 压力计（测量范围0～10kPa、精度1Pa）、FC−3A型采样仪（流量范围5～25L/min、精度1%）、CPA2250D 型分析天平（测量范围0～220g、精度0.01mg）、JC2000D4G 表面张力测试仪（测量范围0～2000mN/m、精度0.01mN/m），为减小测量误差，单个数据进行重复测量3次。

图2 实验装置系统图

2.2 实验材料

2.2.1 金属网栅

金属网栅材质为304不锈钢，通过方形框架将金属网固定自制而成，为了研究金属网栅结构特征对粉尘颗粒的捕集效果，选取不同网孔尺寸和层数的金属网开展实验。选择的网孔尺寸目数分别为20、40、60、80和100共5种，选择层数分别为1、2、3、4、5共5种进行实验。金属网栅如图3所示。

图3 金属网栅制作过程

2.2.2 喷嘴

喷嘴的选项决定着喷雾效果的优劣，为了提高雾化效果，使得雾滴与颗粒发生充分混合，实现高效的碰撞和凝聚作用，实验中选用了雾化角80°且口径为1.5mm 的实心喷嘴，最高压力承受为10MPa，流量最高达300mL/min，具有耐高压且水流量低的特点。

2.2.3 表面活性剂

表面活性剂的种类有很多种，根据其离子特型、除尘场景和成本经济性等方面的因素，共初选了常见的6 种表面活性剂进行了相关性能参数测试，具体信息如表1。

表1 六种表面活性剂信息

2.2.4 粉尘样品

实验用的粉尘来源于某铁矿井下现场收集的粉尘，对粉尘样品分别进行X射线EDS能谱仪分析和SEM电镜扫描，如图4所示。结果显示粉尘主要元素为Si、O、Al、Na、C 等，说明该粉尘种SiO2含量较高，粉尘形状较多地呈现为不规则的方形和圆形。采用激光粒度分析仪（OMEC，LS−909）对粉尘颗粒粒径进行测试分析，结果如图5。粉尘粒径范围0～231μm，其中D10为4.71μm，D50中值粒径为24.47μm，D90为69.43μm，从粉尘粒径分布测试结果看出粉尘大部分属于细尘。

图4 粉尘样品EDS分析和SEM扫描结果

图5 粉尘粒径分布图

2.3 实验方法

实验中测量的除尘性能主要参数有风速、通风阻力、粉尘浓度和除尘效率，其中风速、通风阻力分别通过风速仪和分压仪测定。粉尘浓度采用滤膜取样称重法测得，计算方法如式(1)。

式(1)中，c为粉尘浓度，g/m3；Δm为滤膜采样前后质量差，mg；Q为采样流量，L/min；t为采样持续时间，min。

根据除尘效率的定义，计算公式如式(2)。

式(2)中，η为除尘效率，%；Δm1、Δm2分别表示除尘器进口和出口处粉尘质量，mg。

在进风管道和出风管道分别设置采样孔，通过FC−3A型采样仪进行采样，采用CPA2250D型分析天平对滤膜样品进行质量分析，得出相关实验结果。

3 结果与分析

3.1 表面活性溶液性质测试分析

对初选的AES、LABSA、APG0810、X−100、CAB−35、LAB−35共6种表面活性剂分别进行0.04%、0.07%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%质量分数配制溶液，通过表面张力测试仪对其进行表面张力测试。测试结果如图6所示。

图6 表面张力与溶质质量分数的关系曲线

从测试结果看出，随着表面活性剂溶质质量分数增加，溶液表面张力总体呈现降低趋势。当溶质质量分数为零（纯水）时，表面张力最大为0.06964N/m，随着表面活性剂溶质质量分数增加，溶液表面张力首先大幅度的降低，然后进入缓慢变化，当溶质大于0.4%时，溶液表面张力值基本趋于稳定。因此，通过对比6种表面活性剂溶质质量分数为0.4%时的表面张力值，并对其数值由高至低排序：fAPG0810>fLABSA>fCAB−35>fAES>fX−100>fLAB−35。

由于溶液表面张力值大小能够体现与固体界面的渗入难易程度，溶液表面张力越小浸润粉尘颗粒越容易。因此从6种表面活性溶液中甄选出表面张力较小的3 种进行进一步除尘实验，分别为AES、LAB−35、X−100，溶液中表面活性剂溶质质量分数均为0.4%。

3.2 风速对除尘性能的影响分析

气流风速对网栅水膜形成和破裂速率具有较大影响，同时决定粉尘颗粒与水膜接触的时间。如图7所示，随着风速增大，除尘效率呈现首先逐渐升高，然后缓慢降低的趋势。当风速在0.8m/s 时，除尘效率基本达到峰值，随后发生轻微的降低；纯水雾滴除尘效率为94.22%，与其相比，表面活性雾滴的除尘效果有较大的提升，其中0.4%LAB−35溶液喷雾除尘效果最优，效率最高达97.06%。

图7 风速对除尘效率的变化曲线

由于系统处理风量与风速成正比，在升高风速的同时，可以有效提升处理风量，但导致除尘效率发生降低。含尘气流穿过网栅的速度，即决定着粉尘与水膜和雾滴的接触时间，进而对除尘效率产生较大影响。所以综合除尘效率和处理风量两者的关系，风速取值要适中恰当，推荐最优风速范围0.8～1.0m/s。

3.3 喷雾压力对除尘效率的影响分析

如图8 所示，除尘效率随着喷雾压力的增大而升高。当喷雾压力小于2MPa 时，除尘效率处于低效区；当压力超过2MPa 时，除尘效率基本大于90%，且随着喷雾压力升高呈现增加的趋势。当喷雾压力为8MPa 时，其中除尘效率的排序为ηLAB−35（98.17%）>ηAES（96.96%）>ηX−100（96.39%）>ηH2O（95.72%），与纯水喷雾相比，表面活性溶液雾滴除尘效率具有部分提升。喷雾压力对雾化粒径具有重要影响，雾化压力越大，雾化粒径越细，单位体积溶液接触颗粒物的表面积越大，从而增强对颗粒物的捕集作用。

图8 喷雾压力对除尘效率的变化曲线

通过实验发现，喷嘴流量与喷雾压力呈正相关，喷雾压力增大带来喷嘴耗水量增加。实验采用的是高压低流量的水泵，喷雾耗水量在80～240mL/min范围内，耗水量总体较小且都能接受，所以综合除尘效率和耗水量的考虑，建议喷雾压力为4～8MPa范围内取值较为合适。

3.4 网栅目数对除尘性能的影响分析

金属网栅作为本实验除尘系统的核心部件之一，其结构参数直接对除尘效果产生较大影响。选取了20目、40目、60目、80目、100目共5种网孔尺寸进行试验，结果如图9所示。随着网栅目数增加，即网孔尺寸减小，除尘效率呈现上升的趋势。当目数为20时，纯水喷雾的除尘效率仅为84.10%，LAB−35溶液滴的除尘效率为90.93%；当目数增至100 时，纯水喷雾的除尘效率为96.11%，LAB−35溶液雾滴的除尘效率为98.54%。系统阻力也随着目数的增大而增大，当目数在20～40目时，系统阻力小于30Pa；随着目数的增大，系统阻力迅速增大，当目数为80 目时，系统阻力已经高达208Pa。网孔大小直接关系着实验装置内部的局部阻力，网孔越小，过流断面积越小，产生的局部阻力越大。综合考虑，建议网栅目数为60～80目较为适宜。

3.5 网栅层数对除尘效率的影响分析

网栅层数是网栅内部结构的重要参数之一，也是对除尘性能影响的重要因素。通过对5种层数工况下的雾滴除尘进行效率测定，得到图10所示结果。随着层数增加，系统除尘效率呈现上升趋势。三种表面活性雾滴除尘效果均高于纯水雾滴的除尘效果，其中LAB−35溶液雾滴除尘效率最高，且略高于AES溶液雾滴，X−100溶液雾滴除尘效率最低。

随着网栅层数的增加，除尘效率得到提升，但系统阻力也随之增大。当层数为5层时，表面活性雾滴除尘效率最高达97.16%，系统阻力为200Pa。所以发现，改变网栅层数时，除尘效率与阻力存在一定的相互制约，需要全面考虑两者关系。网栅目数和层数的增加均会导致系统阻力的增大，根据图9和图10综合考量，推荐设置网栅目数为60～80目、网栅层数为3层或4层。

图9 网栅目数对除尘效率的变化曲线

图10 网栅层数对除尘效率的变化曲线

3.6 除尘效率受粉尘入口浓度的影响分析

为了获取表面活性雾滴联合金属网栅除尘对粉尘浓度的适用情况，在风速0.6m/s、喷雾压力4MPa、层数3、目数60 的工况下，对入口粉尘浓度从范围50～800mg/m3进行除尘实验，测得三种表面活性雾滴的除尘效率，如图11 所示。与纯水喷雾除尘相比，三种表面活性雾滴都有不同程度的效率提升，其中除尘效果最好的是LAB−35 溶液雾滴，其次是AES溶液雾滴，X−100溶液雾滴除尘效率最低。随着入口粉尘浓度的增大，除尘效率呈现先增大然后降低的变化，当粉尘浓度在400mg/m3时，除尘效率最高为96.74%。粉尘浓度增加容易导致网栅网孔的水膜清灰速率降低，从而阻碍水膜的形成，进而影响对颗粒物的捕集速率，造成除尘效率的降低，即体现实验装置的除尘容量。