横向喷雾式气体净化技术.pdf

横向喷雾式气体净化技术 陈国平 1,2 周天瑞 1 孙一峰 3 刘 宏 2 王桂英 2 俞天兰 2 1.南昌大学机电工程学院, 江西 330031; 2.湖南工业大学机械工程学院, 株洲 412008; 3.华菱集团湘潭钢铁有限公司, 湖南 411001 摘要 针对目前现有的用上、下喷淋的方式进行废气除尘处理技术的不足, 提出了横向喷雾的理论和方法, 该技术除 保留和强化了水滴二次细化技术外, 更避免了喷淋孔口易堵塞从而造成净化效果降低的技术问题, 也使得对于喷淋孔 口尺寸的设计变得更容易把握, 更易规格化。 同时, 采用化学添加剂按一定比例将化学降尘剂注入喷雾水中, 改善水 溶液对粉尘的湿润能力, 从而提高喷雾降尘效率 。该技术的除尘净化效率高, 运行可靠性强, 综合性能好。 关键词 第一级喷淋 第二级喷淋 洗涤 废气 除尘 化学添加剂 0 引言 在我国 ,已将工业废气治理、饮食油烟治理和扬 尘污染防治治理等, 列为环保部门重点整治的内容之 一。随着我国第三产业蓬勃兴起, 许多大城市对餐饮 业油烟污染的投诉已占环境污染投诉的 50 [ 1] , 因 此,国家环保总局发布规定所有新或改建饮食业单 位,必须按照标准安装符合要求的油烟净化装置的制 度 [ 2] 。为有效地控制油烟污染源 ,使餐饮业油烟排放 达到国家标准要求。 1 现有气体净化技术 现有气体净化技术主要有惯性分离、静电沉积、 过滤 、 洗涤和等离子体等 。惯性分离是通过改变气流 方向使油雾颗粒靠惯性分离出来, 设备简单, 阻力小, 投资少,操作简单 ,但是对油烟的净化效率不高。静 电沉积是在高压电场作用下气体中的油烟颗粒荷电 而向集尘极运动 , 净化效率高 ,体积小 ,质量轻 ,但造 价和运行费用较高 ,维护工作量大, 极板被烟雾粘附 后不易清理,且对有害气体的去除能力差。过滤净化 是采用滤布、 毛毯、 海绵、玻璃纤维等材料实现多层过 滤,投资少 ,易操作, 对油烟中的颗粒气溶胶吸附能力 强,但随油烟的附着 ,吸附能力会越来越弱,压降会增 大,必须经常更换或再生吸附 , 其运行成本较高。洗 涤设备是通过喷淋水滴或液膜来净化 ,在除去固态、 液态颗粒物的同时, 对气态污染物也有一定的去除效 果,投资低 ,维修量少 ,但存在小颗粒气溶胶去除效率 不高 ,洗涤液消耗量大等问题 [ 1,3,4] 。 比较而言, 洗涤净化法比较经济,通用性强,尤其 是对工业废气的净化 。为此, 研究中集中解决提高净 化效率和降低洗涤液细化量的问题 ,使其更加完善 。 2 横向喷雾净化设备工作原理 一般的喷淋洗涤设备都是把喷头安装在清洗设 备的下部或上部 ,以形成向下或向上喷淋的形态。向 下喷淋的水滴作重力加速度运动,势必造成水滴在洗 涤净化段与要净化的气体接触的有效停留时间较短, 净化效率降低, 洗涤净化液消耗量高 。 而向上喷淋具备水滴二次细化技术 ,与向下喷淋 相比 ,在相同的时间内,有 2 次洗涤作用。这样 ,水滴 在洗涤净化段与要净化的气体接触的有效停留时间 较长 ,净化效率较高 。而从洗涤水利用效率的角度来 讲,洗涤净化液消耗量相对较低。但向上喷淋方式有 一个很大的问题就是由于喷头安装在清洗设备的下 部而容易造成喷头孔的堵塞, 由此产生的问题需要采 用很多的措施和附加设备去补救,如喷淋孔口大小的 设计以及与电机功率的匹配等问题 ,使设备整体运行 变得较为复杂和性能不够稳定 。 因此, 研究中提出横向喷雾加水滴二次细化技术 进行气体净化除尘, 结构原理及其试验系统如图 1 所 示。要净化的气流经风机抽进洗涤净化段,净化段分 两级, 每级由 1 组喷雾喷头组成 。喷淋孔横向喷雾, 细小水滴横向快速运动到设备净化段的左或右端部, 碰击后向上折射 45 方向飞溅落下, 最后回落到底部 的循环水箱循环利用。每级喷射喷雾实际上有 2 次 洗涤作用。那么两级共有 4 次洗涤作用。这样 ,污染 气体与喷淋水滴水雾在净化段可以充分接触 ,显著地 提高了净化效率 。由于喷头是安装在侧面,并不直接 承接粉尘或油污等污染物 , 因此又避免喷头孔的堵 塞。对于一般污染气体, 第1 组喷头所形成的水滴水 雾和沿向上 45 角二次细化的水滴水雾将污染气体净 57 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 化,对于污染较重的气体 ,再次净化 ,净化后的气体最 后由设备的上部排出 。由于采用横向喷雾方式,水沫 夹带的现象一般不会出现 ,即使有轻微的水沫夹带的 现象出现, 在结构上稍作处理就可以解决 ,一般情况 下可以不设置除沫段 ,因此,在结构上可以得到简化。 1均布板; 2循环水箱; 3稳流栅板组; 4泵; 5调节阀; 6流量计; 7第一级喷淋组的反射板; 8第一级喷淋组; 9第二级喷淋组; 10第一级喷淋组的反射板; 11按 157. 5 布置的除沫板; 12按 22 . 5 布置的除沫板。 图 1 横向喷雾净化设备工作原理及其试验系统 3 横向喷雾净化技术性能分析 在洗涤净化段高度相同的条件下, 气体的净化效 率高低主要决定于气液两相的接触面积大小和接触 时间长短 。因此要保障设备较高的净化效率 ,就必须 尽量增大单位体积内的水滴面积和单位长度内的接 触时间 。水滴水雾颗粒愈细, 充满空间的密度愈大, 则气液接触面积大。 显然 ,对于传统的向下喷淋方式,初速度越小 ,水 滴在洗涤净化段的停留时间就越长 。但是,喷淋初速 度太小 ,一方面不能形成较细小水滴, 另一方面由于 喷淋孔口小也非常容易发生孔口堵塞问题; 而初速度 大,雾化程度高 ,但洗涤液在洗涤净化段的停留时间 短。这是一对矛盾。因此 ,相对于向上喷淋方式和横 向喷淋方式而言 ,单位体积内的水滴面积小 ,洗涤净 化段内与污染气体的接触时间短。 向上喷淋洗涤由于二次细化的水滴在返回过程 中的速度较慢, 因此水滴在洗涤段上下往返运动的停 留总时间延长了 ,若初速度取5 m s,不考虑气流的阻 力影响,在向下喷淋洗涤情况下洗涤水滴的停留时间 为0. 17 s; 在向上喷淋洗涤情况下水滴在水洗段上下 往返运动的停留时间延长为1. 0 s, 后者是前者停留 时间的5 倍多。 研究表明, 相同的喷淋密度下, 单位体积内的水 滴数和气液两相接触面积大小正比于水滴的有效停 留时间。所以, 上喷淋法比下喷淋法净化效果好。同 时,采用向上喷淋法后 , 从顶部回落的水滴与向上运 动的水滴发生碰撞, 有利于水滴的细化和表面的更 新,也提高了净化效率。 由于喷淋头安装在下面, 比向下喷淋易堵塞。在 处理较重度污染气体时, 更是如此。洗涤液循环使用 后杂物愈来愈多时, 也是如此 ,影响正常工作 。另外, 由于是沿纵向喷雾 ,水滴的扩散能力有限 ,使得单位 体积内的水滴数和水滴面积少 。 横向喷淋洗涤具有向上喷淋洗涤的所有优点 ,而 且性能更优 。由于是横向喷雾 , 横向尺寸比较小, 所 以二次细化时碰击的初速度大 ,水滴二次细化的效果 更显著。水滴的扩散能力大大提高 ,使得单位体积内 的水滴数和水滴面积增多 ,对粉尘的阻断能力强。 此外, 由于横向喷淋法使水滴的有效停留时间提 高了数倍, 因此为了达到某一合理的喷淋密度, 实际 的洗涤液体喷淋量可以大幅度的减低,从而非常有利 于泵的节电 。 3. 1 横向喷雾水滴再细化问题 由于气液两相的接触面积愈大 ,气体的净化效率 愈高。因此 ,喷淋孔宜尽量小 。对于向上 、 向下喷淋 方式 ,喷淋孔愈小,运行过程中就愈容易发生堵塞 ,洗 涤液循环使用后杂物愈来愈多时更是如此 。但对于 横向喷淋方式而言, 这个问题得到了很好的解决。由 于喷头横向安装 ,粉尘污物不会直接落于喷头上, 也 不容易靠近喷头。喷头孔径和电机的功率的大小可 以根据除尘的需要系列化 。 为了取得更好的水滴细化效果 ,在每一组喷头的 对面设置 135 的反射板 ,设置反射板的目的是使喷射 出来的水滴反射后沿着 45 方向进出, 使之再次细化 雾化 。 3. 2 入口气体均布结构优化 由于进入的气体受风机的影响 ,会形成强旋转气 流进入气体净化设备 。强旋转气流会将相当多的洗 涤水滴带到净化设备的侧壁上 ,既严重影响了水滴上 喷的高度及均匀性 截面额度与气体速度分布曲线测 量结果如图 2 所示 ,又使水滴变成液膜, 大大降低了 气流与单位液体的接触面积, 使净化效率恶化 。 为此, 研究中在入口处设计均布导流片。按照入 口气流测量的速度大小和方向 ,运用运动学设计制作 了翼片 ,消除了入口气体的强烈旋流, 只有少量的水 滴带到侧壁上, 效果相当好, 如图 3 曲线所示 ,3 条曲 线比较平滑 ,上下波动幅度小, 说明气流速度分布比 较均匀,上喷细化水滴的偏移度也不很大。因此, 净 58 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 图 2 无装均布翼片前的截面强烈速度分布 图 3 装均布翼片后的截面强烈速度分布 化效果可以得到进一步改善。 3. 3 除沫问题分析 采用上喷淋净化法, 外排气体有可能会出现水沫 夹带的问题。这不仅会影响环境, 而且会增加洗涤液 的消耗量 。为解决这一问题, 在设备顶部加装环保有 机填料 波纹除沫板。波纹除沫板是一种形状类 似波纹 ,波纹上有许多小孔和小齿, 用有机材料制成 的薄板 。其除沫原理是利用了惯性分离。当上喷水 洗法向上喷出来的水滴在上升的过程中 ,由于重力的 作用 ,速度会逐渐减小。当到达最大的高度时 ,速度 要减为零 ,有利于小水滴的聚合和惯性分离。当液气 混合物撞到波纹板上时水滴被波纹板上的液膜粘附, 沿着波纹板流回下滴 ,再次参与洗涤净化。虽然除沫 效果较好 ,但结构较复杂 。 对于横向喷淋法, 只要安装 2 块金属板, 就可以 解决除沫问题。 3. 4 化学添加剂辅助除尘 化学除尘方法一般有 3 类, 即沾结剂除尘、抑尘 剂除尘、 降尘剂除尘 。降尘剂除尘是按一定比例将化 学降尘剂注入喷雾水中, 改善水溶液对粉尘的湿润能 力,从而提高喷雾降尘效率 。化学降尘剂除尘原理 是 在水中加入少量化学降尘剂, 使水的表面张力从 7510 5 N cm 2降到25 105 N cm 2以下, 这样就提高了 水对粉尘的亲合力和渗透力, 能快速渗透粉尘 。另一 方面, 表面张力小的水溶液 ,雾化时雾滴不完全呈球 状,水滴较小,增大雾滴的表面积, 有利于捕集空气中 的粉尘。 当水雾与尘粒发生碰撞时 ,被浸润的尘粒本身重 量增大,粒与粒间发生粘聚,小尘粒变成大尘粒,能迅 速下沉,使空气清新。化学降尘剂呈淡黄色 ,是一种 略有粘性的透明液体 ,其主要成分为 阴离子湿润剂、 非离子表面活性剂、助溶剂、 硫酸钠 、 芳香剂和水。阴 离子湿润剂 、 非离子表面活性剂可以降低水的表面张 力,使水快速渗透到粉尘内部 , 使粉尘完全湿润。助 溶剂能使两种活性剂均匀分布于水中而不分层。硫 酸钠作用是提高主剂对粉尘的湿润能力 。经试验 ,同 等条件下, 降尘效果比喷水降尘提高 60以上 。 4 结论 1 横向喷淋净化法 ,可以成倍地提高水滴在净 化段的有效停留时间 ,成倍地增大气液两相的接触面 积,显著提高净化效率 , 又能够大幅度地降低洗涤液 的消耗量。 22 块按 113 布置的反射板的液滴细化效 果好 。 3 入口均布导流片很重要 ,可以消除强烈旋流, 提高气液两相接触的均匀性, 保障上喷细化净化的良 好效果。 41 块157. 5 布置、1 块 22. 5 布置的除沫板的 液沫分离效果好 ,阻力小 。 5 循环水箱内设计 30 结构的稳流栅板组可以 使循环箱内的液体平静稳流, 有利于提高油水分层分 离和杂物沉降分离。 6 按一定比例将化学降尘剂注入喷雾水中, 改 善水溶液对粉尘的湿润能力 , 从而提高喷雾降尘效 率。经试验 ,同等条件下 ,降尘效果比喷水降尘提高 60以上 。 参考文献 [ 1] 熊鸿斌, 刘文清. 饮食业油烟净化技术及影响因素. 环境工程, 2003, 21 4 38 -39. 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The experimental results showed that the biodegradation rate of benzene, toluene and xylene increasedwith increasing of their initialgas concentrations; when concentrations of them were 47. 25～ 1 677. 47 g m3, 64. 70～ 1 258. 50 g m3and 20. 59～ 1 707. 85 g m3respectively, the biodegradation rate of toluene and benzene accorded with the Monod equation, while that of xylene accorded with first -order reaction. Keywords toluene, benzene, xylene, aerobic biodegradation and fungus RESEARCH ONDUST-REMOVING CONTROL STRATEGY FOR BAG TYPE COLLECTORWITH LOW-PRESSURE PULSEChang Hongjie Zhang Xinju Wang Huizhen 48 Abstract The process of dust -removing and effect factors are analyzed based on theory. Aiming at the disadvantage of traditional control ways and new problem because of frequency variation and speed regulation, fuzzy control strategy is brought forward. Firstly, resistance reference of dust remover ismodified fuzzily according to variationof flow rate; next, fuzzy controller according to flow rate and resistance deviation deduces pulse interval. The design process of fuzzy controller is introduced in detail. whose effect of application is good. Keywords dust remover, dust -removing, resistance and fuzzy control THE ENGINEERING APPLICATIONOF HIGH -GRAVITY MACHINETO DE -SULFURIZE ANDDE- DUST FROM FLUE GASChen Minggong 51 Abstract The high -gravity machine is a new technology of desulfurization of flue gases from medium and small -sized boilers with high efficiency, which is characterized by small volume of equipment, high efficiency, convenient operation and simple maintenance. Engineering principle and design scheme of this technology were illuminated, and some main problemsexisted in the course of design andfunctionwere brought forward and relevant solve measureswere discussed in this paper. Keywords flue gas, desulfurization, removing dust and high-gravity machine EXPERIMENT ON PURIFYING TOLUENE IN A BIO-TRICKLING FILTER UNDER TRANSIENT CONDITIONSZhang Shujing Li Jian Li Yili et al 53 Abstract The removal of toluene from an artificial waste gas was investigated in a laboratory scale bio -trickling filter packed with biologic ceramic pellets under transient conditions, whichwas the typical character of industrial operation. The bio -trickling filter was inoculated with pure bacterial culturePseudomonas Putida. The resistance ability to loading change and starving was studied. The results indicated that the bio- trickling filter had a high flexibility of the loading change, and the removal efficiency of the filter was not obviously influenced by the change of residence time and inlet concentration and only decreased 7 in the beginning, it can regain the original removal efficiency within 12 h. The maximum volumetric removal rate of 136. 49 g m3hwas achieved. The periods of nitrogen and carbon starvation or complete system shutdown had little influence on the filter perance. The water content in the bed played an important role on the bio -degradation process of the organic compounds. Keywords bio -trickling filter, toluene, transient conditions, loading shock and starvation GAS CLEAN TECHNIQUE WITHWATER SPRAYING CROSSWISE Chen Guoping Zhou Tianrui Sun Yifeng et al 57 Abstract The theory and s of water spraying crosswise to treat waste gas are introduced, aiming at the technical lack of current air decontamination. The technique not only keepsdown water -drop second breaked to piece, but avoids the hole block whichwill cause lower cleaning effect. at the same time, chemical additive are proportionally added into water, then, the soak energy of water for dust is improved, and the power for spaying and dust removal increased. Keywords first spray, second spray, clean, waste gas, chemical dust removal and chemical additive RECOVERY OF MANGANESE FROM SPENT PRIMARY BATTERY BY ELECTROCHEMICAL SLURRY LEACHING WITH ANION EXCHANGE MEMBRANE REACTOR Wei Qifeng Ren Xiulian Zhang Huiling et al 60 Abstract The technical parameters for recovery of manganese from spent primary battery by electrochemical slurry leaching were investigated. The experimental results indicated that the current density was 150 A m2, the acidity was 1. 0 mol L, the ratio of liquid to solid was 8∶ 1, and temperature was 20 ℃. Under this condution, the percent recovery was 25. 77 and the current efficiency was 101. 1. The leaching mechanicswas analyzed. Itwas concluded that the reaction velocity was controlled by both chemical reaction and diffusion before 1 h. And it was controlled by chemical reaction after 1 h. The activation energy was 52. 85 kJ mol. This can make the resource recycle and has environmental and economical benefits. Keywords primary zinc -manganese batteries, slurry electrolysis, manganese sulfate and reaction mechanism 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25,No. 3, Jun. , 2007