表面活性剂协同荷电水雾增效除尘实验研究

丁厚成,章成浩,邓权龙,许婉萍,李 寅,夏 旭

表面活性剂协同荷电水雾增效除尘实验研究

丁厚成,章成浩,邓权龙*,许婉萍,李 寅,夏 旭

(安徽工业大学建筑工程学院,安徽 马鞍山 243032)

为研究湿式电除尘效率和应用范围的拓展特性,设计了针对铁矿粉尘的表面活性剂协同荷电水雾除尘实验装置,采用表面活性剂增效润湿、水膜捕尘、荷电捕尘理论,探究了风速、电压、喷雾压力和格栅目数对除尘性能的影响.实验中优选复配表面活性剂溶液,选取了0.3%LABSA/0.5%X-100、0.3%LABSA/0.5%AES、0.5%X-100/0.5%AES三种复配溶液进行荷电水雾除尘实验.结果表明:复合电除尘可以在提高处理风量的同时增加除尘效率,风速在0.8m/s以前与除尘效率正相关;复配溶液在水压为6MPa时都达到除尘效率最大,其中以0.3%LABSA/0.5%AES表现最为突出,其除尘效率相较于水提升达到15.36%,不同水压的平均除尘效率提高也达到了11.73%;复合电除尘除尘效率与电压在40kV之前正相关,超过后会发生电晕放电,降低除尘效率;当格栅孔径大小为40目时除尘效率最大,其中复配溶液0.3%LABSA/0.5%AES达到了96.74%的除尘效率,继续减小孔径反而会减小除尘效率;对粉尘润湿性越强的表面活性剂参与除尘后对除尘效率提升越大.

复合电除尘；喷雾；表面活性剂；金属网栅

2019年全国废气中颗粒物排放量1088.5万t,其中,工业源废气中颗粒物排放量为925.9万t,生活源废气中颗粒物排放量为154.9万t,工业源的粉尘仍然占85.062%的比例[1].如何以经济高效的方式去除细颗粒物,是工业除尘领域中备受瞩目且具有挑战性的问题.目前在工业生产中常用的除尘技术包括机械式除尘、袋式除尘、湿式除尘以及静电除尘等[2].电除尘具有多项优点包括高效、节能、适应性强等,且电除尘可以单独使用成为简单电场电除尘,也可以与其他除尘方式复合,成为湿式电除尘、电袋复合式除尘和旋风电除尘等[3].作为一种传统的除尘方法,电除尘技术在工业领域得到广泛应用.其核心在于利用粉尘的荷电性能实现颗粒物的去除.国内外学者对电除尘的荷电方式[4-5]、参数优化[6-7]、颗粒运动[8-9]、迁移和捕集[10]等方面开展大量研究工作,然而对于某些微细颗粒例如无法荷电的颗粒物(如纳米颗粒)、或者无法导电的颗粒物(如木屑、纤维素等),荷电除尘方式的效果会受到一定的限制.部分学者通过复合水雾,开展了研究荷电水雾对颗粒的聚合作用[11-12],且通过添加表面活性剂改变电水雾捕集尘粒的效率,测试其对提升除尘效率的作用.就目前而言,基于多种除尘机理研发新型高效经济的除尘设备一直是除尘领域探索的方向.

因此,本文采用了表面活性剂、荷电水雾和金属网栅的联合方式,并构建了表面活性剂协同荷电水雾增效除尘的试验装置,其工作原理涉及悬浮粒子荷电、带电粒子在电场中迁移和捕集、惯性碰撞、颗粒碰撞团聚、增效润湿和水膜捕尘.本研究还对表面活性剂进行了优选复配,揭示了风速、喷雾压力、静电电压和网孔目数对除尘性能的影响规律.这些研究结果为改进新型高效复合电除尘技术提供了参考依据.

1 除尘原理

表面活性剂协同电水雾增效除尘作用主要涉及静电除尘、高压喷雾降尘、表面活性剂增效润湿、网栅水膜捕尘四个方面的原理.

其中静电除尘采用线板式结构,高压负电在电极棒周围电离空气,当含尘气流经过时给粉尘荷电,荷电粉尘在电场力的偏转下被收尘极板捕获[13].粒径越大的粉尘在通过放电区域时荷电越多,受到的电场偏转作用越强.经高压喷射,水流通过喷嘴时会受到高压和高速的作用,从而产生剧烈的液体破碎,形成微小的水雾颗粒,从而实现液体到气态的转化,即产生雾化作用[14].雾化产生的水雾与粉尘发生碰撞、吸附,使尘粒被捕捉,并且凝并为新的大颗粒物[15],最终被水雾在金属格栅形成的水膜捕获[16].水分子分子间存在着一定的吸引力,这种吸引力在水面上呈现出来就是表面张力.而表面活性剂分子具有两端性质,即亲水性头部和疏水性尾部,这使得它们可以在水面上形成一层分子膜,头部朝向水面,尾部向下.这层分子膜的存在可以改变水分子间的相互作用力,从而降低水面的表面张力,使得水分子更容易形成水雾或水滴等微小颗粒[17-18],相较于普通水雾,添加了表面活性剂的溶液可以形成理解更小的水雾并且增加对粉尘的润湿作用[19].

粉尘颗粒经过电除尘区域后荷电,逃逸出的荷电粉尘经过喷嘴雾化后聚合形成含尘雾滴,粉尘荷电转移到液滴荷电.喷雾雾滴在金属格栅上形成水膜参与捕尘.在雾化区域内被捕捉的粉尘将会在流场的作用下遇到金属格栅放电并被格栅水膜捕集.图1就是表面活性剂协同荷电水雾增效除尘的原理.

图1 表面活性剂协同荷电水雾增效除尘的原理

2 实验模型与方法

2.1 实验装置系统

表面活性剂协同电水雾增效除尘实验系统主要可划分为静电控制系统,风尘控制系统和喷雾控制系统,实验的结构模型以及实际模型分别如图2、3所示.静电控制系统包括高压电源,放电极和收尘极板.风尘控制系统主要包括粉尘发生器,进风管,匀流板,箱体,出风管,调速器和离心式通风机.喷雾控制系统由储水箱,高压水泵,喷嘴,金属格栅,水压表,高压水管,废水箱构成.

实验主体是除尘箱,尺寸为1250mm×450mm× 500mm,进风口处设置粉尘发生装置和连续性投料机,自动控制投料速度.出风口连接风机,型号为多普威Y90L-4单向异步电动风机,可以通过调速器控制进出口处风速.喷雾通过耐高压金属管连接水泵,型号为H3S型高压低流量型水泵,最大流量可达488L/h,压力大小在0-20MPa内连续可调.

图3 实验装置实物

2.2 实验材料

2.2.1 静电控制系统 实验使用高压电源如图4所示,实验使用的是泰思曼TRC2025高压直流电源,其具有性能稳定、精度高、保护功能多样等特点.操作简单方便.操作人员可以通过控制面板对电压、电流进行设定和调整,输出负电压值为0至120kV.放电极采用4根电晕线,每根电晕线使用直径5mm的不锈钢柱,长度400mm,每隔50mm设置一个八角芒刺,每根电极8个.收尘极板使用304不锈钢片制成,整体尺寸为900mm×450mm×1mm使用亚力克卡槽将其固定于实验箱体两侧.

图4 泰曼思TRC2025高压直流电源

2.2.2 喷雾控制系统 由于实验箱体空间受限,为达到最佳的喷雾效果,本次选用的喷嘴形状为实心,为了提高雾化效果,使得雾滴与颗粒发生充分混合实验选用的喷嘴雾化角度为80°,同时为了控制喷雾流量,选用孔径为1.5mm的喷口,喷嘴整体最高承受压力为10MPa.流量最大值为300mL/min,属于高压低流量喷嘴,喷嘴出口距离格栅间距为100mm;喷嘴喷雾效果如图5所示.本研究采用金属格栅.为了研究不同孔径对实验除尘效果的影响,设计采用20、40、60和80目的网孔尺寸.每个金属网尺寸为430mm×480mm,单层,使用导线接地.

图5 喷嘴与喷雾效果

2.2.3 表面活性剂 为了提高实验可靠性,选取了主流的三类表面活性剂,包括阴离子型,非离子型和两性离子型表面活性剂各两种,再根据粉尘特性及经济成本等方面考虑,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

对现有的表面活性剂进行选型复配,通过测量复配溶液与粉尘压块的表面接触角大小,合理选择不同的复配溶液进行实验.

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,结果显示粉尘主要元素为Si、O、Al、Na、C等,粉尘形状较多地呈现为不规则的方形和圆形.在实验前对收集的粉尘使用球磨仪研磨,烘干后使用400目(孔径38mm)的实验筛进行筛分获得进行实验的粉尘.

2.3 实验方法

实验主要测量的数据包括处理风量和除尘效率.处理风量可以用于判定除尘器净化含尘气流的速度;除尘效率体现了除尘器处理粉尘的质量.

计算处理风量是通过测量进风口的流速及截面积来判定除尘器在工作过程中的处理能力.公式如下:

式中:v为入口风流速度,m/s;s为入口管径的截面积,m2.

除尘效率需要通过对除尘器进风口和出风口粉尘采样的结果计算得到,在进风管道和出风管道分别使用FC-ІІІA 粉尘采样器采集,通过FA1204B分析天平称量滤膜实验前后质量变化,计算公式如下:

式中:为除尘效率,%;Δ1、Δ2分别表示除尘器进口和出口处粉尘质量,mg.

3 结果与讨论

3.1 表面活性溶液性质测试分析

选取参与实验的表面活性剂,本次初选的AES、LABSA、APG0810、X-100、CAB-35、LAB-35共六种表面活性剂分别进行0.04%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%质量分数配制溶液,通过接触角测量仪对其进行测试.选取测试中不同种类中较为突出的结果绘制如图6所示.

图6 特征浓度表面活性剂溶液接触角

由于溶液表面接触角大小能够体现与固体界面的渗入难易程度,溶液表面接触角越小则越容易浸润粉尘颗粒,因此从6种表面活性溶液中选出接触角较小的3种进行两两复配以获得更优的喷雾溶液.

基于对复配溶液接触角测量情况可以得知,复配溶液对粉尘的浸润能力优于单体表面活性剂,复配溶液的最小表面接触角是单一溶液表面接触角的一半.通过接触角的测量,选取0.3%LABSA/ 0.5%X-100、0.3%LABSA/0.5%AES、0.5%X-100/ 0.5%AES三种复配溶液参与进一步的除尘实验.

图7 复配溶液接触角测量

3.2 风速对静电除尘性能的影响

流场风速对静电除尘影响效果如图8所示,实验环境未添加喷雾,设置了20目的格栅.结果表明风速越小静电除尘效果越好,当风速在0.4m/s,静电除尘效果最佳,其次风速增大时,除尘效率的降低趋势由开始的迅速降低变化为缓慢降低.在实验条件下,风速在达到0.76m/s后,除尘效果的降低趋势变得平缓.

实验图像显示在未添加喷雾之前,最佳的除尘状态是风速0.4m/s,电压50kV,除尘效率达到98.92%,除尘器除尘效率与电压正相关,在50kV时并未出现电晕放电现象.

以单一电除尘除尘效率变化为指导,在除尘器内添加水雾水压6MPa,实验电压40kV,实验研究风速对除尘效果的影响,结果如图9.

进口风速越大则除尘量越大.在单一电除尘的作用下时,风速越高除尘效率越低,但是在加入了电水雾除尘之后风速的影响也较为复杂.呈现为先增加后降低.增大风速会提高液滴与粉尘的接触效率从而增加喷雾除尘效率,另外增大风速后,同一时间内液滴到达金属格栅上的数目会增加,增加格栅上有效水膜的数量,提高湿式除尘效率.

图8 风速对静电除尘的影响

图9 风速对除尘效率的变化曲线

当除尘箱体内风速低于0.8m/s时,除尘效率随风速的增大有较大的变化趋势,当风速值超过后,由于气流的作用,雾滴中的一部分会受到气流的强烈影响,不能在纤维栅上形成稳定的水膜,使纤维栅上有效水膜面积减小,从而降低水膜除尘效率.当风速在超过0.8m/s后除尘效率降低.在只有水作为喷雾时除尘效率在风速为0.8m/s时达到最大的86.87%,较单一电除尘在7.6m/s的除尘效率84.93%提升仅有2.4%.而在使用0.3%LABSA/0.5%AES的复配溶液后,除尘效率达到了99.05%,除尘效果提升了16.62%.可见表面活性剂对除尘效率的提升较为明显.在喷雾复合电除尘后,除尘器在除尘风量提高了100%的情况下除尘效率也有略微提升.而在接触角实验中表现最好的复配溶液在参与除尘实验时较其他两种也有较大优势.

3.3 喷雾压力对复合除尘系统除尘效率影响

实验发现除尘效率与喷雾压力并非为线性关系,不同溶液的除尘效率如图10所示,实验电压40kV风速设置为0.8m/s,网栅孔径20目.实验结果表明这4类溶液的除尘效率随水压变化的趋势相近.其中水与0.3%LABSA/0.5%X-100复合溶液,接触角较其他两种溶液较大,除尘效率随水压增大后降低明显;而接触角较小的溶液除尘效率下降不明显.LABSA和X-100都属于非离子表面活性剂,在掺混了两种同类型的表面活性剂后,溶液在高水压下作用除尘效果相较与水并为有突出的提升.

图10 喷雾压力对除尘效率的变化曲线

4种溶液在水压为6MPa时都达到除尘效率最大,其中以0.3%LABSA/0.5%AES表现最为突出,其除尘效率相较于水提升达到15.36%,不同水压的平均除尘效率提高也到达了11.73%,表面活性剂主要作用于喷雾除尘阶段和水膜除尘阶段,在溶液中添加表面活性剂提高了对粉尘的润湿能力,提高了水雾除尘效率;并且添加了表面活性剂形成的水膜提高了对粉尘的捕捉效率.喷雾的流量与喷雾压力正相关,尽管实验选取的是高压低流量型水泵,综合考虑除尘效果和水压的实验结果,建议一般情况下水压不超过6MPa.

3.4 电压对复合除尘系统除尘效果影响

电压影响除尘效率主要体现在荷电除尘区和格栅除尘区.在电除尘区域内,主要的除尘手段是荷电除尘,此处除尘效率在发生电晕放电前与电压正相关;荷电粉尘结合水雾后形成荷电水雾在金属格栅表面放电,除尘效率与水雾上荷电量正相关.

电压在单一电除尘实验中与除尘效率总体呈正相关,但是在表面活性剂荷电水雾除尘实验中,除尘效率先增大后降低,原因是电压超过40kV之后,电除尘区域发生电晕放电,降低了粉尘的荷电性能.其中以复配表面活性剂0.3%LABSA/0.5%AES溶液表现最为明显,当电压从40kV升到50kV后,除尘效率降低了15.11%,分析原因为该溶液的雾化效果最好,导致的电除尘区域内电晕放电现象最强,从而降低了除尘器整体的除尘效果.

由于实验条件限制,电压超过50kV之后,实验设备容易出现电击穿,破坏了实验环境的稳定性,并未对电压进行更高压的实验,去验证更为全面的除尘效率曲线.

图11 电压对除尘效率的变化曲线

在发生电晕放电之前,增大电压可以加强粉尘和雾滴的荷电,增强电场对粉尘和水雾的捕集效率;过大电压将会导致电击穿从而减少粉尘颗粒荷电量,并且降低复合除尘器的除尘效率.

3.5 格栅目数对除尘性能的影响分析

金属格栅在实验的除尘作用主要包括水膜除尘和碰撞除尘,孔径大小会直接影响到除尘效果.研究选取了20目、40目、60目、80目以及不设格栅共5种网孔尺寸进行试验,实验结果如图12所示.

实验条件为水压6MPa,电压40kV,除尘效率随着格栅数目增加出现先增大后缓慢减小的趋势.当格栅孔径大小为40目时除尘效率最大.其中复配溶液0.3%LABSA/0.5%AES达到了96.74%的除尘效率,其次表现较好的是0.3%LABSA/0.5%X-100,在网孔目数增加到40目以后除尘效率降低幅度最小,当格栅孔径减小到60目以后除尘效果相较于其他溶液有明显优势.

本次实验选用的网栅使用相同直径的钢丝编织成,减小网栅孔径,单位面积上的水膜数量增加,单个水膜面积减小,参与除尘的有效水膜面积也会减小.研究中在湿式除尘中添加了表面活性剂0.3%LABSA/0.5%X-100后除尘效率也会下降,原因分析是格栅孔径减小到40目之后,喷雾在格栅上产生堆积的泡沫附着区域,区域内泡沫不易破裂,阻碍了风尘通过格栅,导致部分风尘直接通过格栅边缘位置直接流出,并未参与水膜捕尘,降低了总体的除尘效率.最后降低格栅的孔径也会提高除尘器整体风阻,从而减小流场的风速,降低参与表面除尘的水雾量,从而导致除尘效率降低.

4 结论

4.1 除尘效率随着格栅孔径减小呈现首先逐渐升高,后缓慢降低的趋势,网孔孔径在40目时,除尘效率最高.

4.2 对于单一电除尘时风速增大除尘效率降低,在达到0.8m/s后除尘效率降低程度减弱;在复合除尘系统中风速增大除尘效率先增大后减小,在风速达到0.8m/s左右时除尘效率达到最高.

4.1 电压对实验的影响较为明显,尤其是对于0.3%LABSA/0.5%AES溶液,其在40kV之前未发生电晕放电除尘效率与电压正相关,但是电压超过40kV后除尘效率降低明显.

4.4 实验表明复配溶液0.3%LABSA/0.5%AES有较好的喷雾性能,且对粉尘的润湿性能最佳,根据不同溶液参与除尘实验的结果显示对粉尘浸润能力越强的溶液提升除尘效率越明显.

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Experimental study on synergistic enhancement of dust removal by surface active agent and charged water mist.

DING Hou-cheng, ZHANG Cheng-hao, DENG Quan-long*, XU Wan-ping, LI Yin, XIA Xu

(Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Technology, AnHui 243032, China)., 2023,43(10)：5107～5113

To study the dust removal efficiency and application range expansion of wet electrostatic precipitators, an experimental device was designed for surface-active agent synergistic charged water mist dust removal targeting iron ore dust, using surface-active agent-enhanced wetting, water film capture, and charged capture theories. The effects of wind speed, voltage, spray pressure, and grid number on dust removal performance were investigated. In the experiment, a series of composite surface-active agent solutions were tested, including 0.3% LABSA/0.5% X-100, 0.3% LABSA/0.5% AES, and 0.5% X-100/0.5% AES, for charged water mist dust removal. The results showed that composite electrostatic precipitators could improve dust removal efficiency while increasing treatment air volume. Wind speed was positively correlated with dust removal efficiency below 0.8m/s. The composite solution achieved the highest dust removal efficiency at a water pressure of 6MPa, with 0.3% LABSA/0.5% AES performing the best, increasing dust removal efficiency by 15.36% compared to water, with an average improvement of 11.73% for different water pressures. The dust removal efficiency of the composite electrostatic precipitator was positively correlated with voltage before 40kV, but decreased after due to corona discharge. The grid with a pore size of 40mesh had the highest dust removal efficiency. Among the composite solutions, 0.3% LABSA/0.5% AES achieved a dust removal efficiency of 96.74%, and reducing the pore size further decreased the dust removal efficiency.The stronger the wetting ability of the surface active agent on dust, the greater the improvement in dust removal efficiency when it is involved in the dust removal process.

compound electrostatic precipitation；spray；surface active agent；metal mesh grid

X513

A

1000-6923(2023)10-5107-07

2023-03-01

安徽高校自然科学研究项目(KJ2019A0052);安徽省大学生创新训练项目(S202210360228)

* 责任作者, 副教授, dql3316@163.com

丁厚成(1973-),男,安徽省来安县人,副教授,博士,主要从事工业通风与除尘方面研究.发表论文50余篇.hnhoucheng@163.com.

丁厚成,章成浩,邓权龙,等.表面活性剂协同荷电水雾增效除尘实验研究 [J]. 中国环境科学, 2023,43(10):5107-5113.

Ding H C, Zhang C H, Deng Q L, et al. Experimental study on synergistic enhancement of dust removal by surface active agent and charged water mist [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5107-5113.