电声换能超声波雾化方法捕集细颗粒物的强化实验研究.pdf

电声换能超声波雾化方法捕集细 颗粒物的强化实验研究 * 陈泊豪於进周万利王博 兰州大学资源环境学院， 兰州 730000 摘要 在已有应用电声换能超声波雾化方法提高超细颗粒捕集效率实验基础上， 对小颗粒团聚长大过程进行强化研 究。利用旋涡泵进气口负压区加剧液滴汽化过程， 使更多液滴变为饱和水蒸气， 然后利用出气口正压区加剧水蒸气以 细颗粒为凝结核凝结长大过程。实验结果表明 实施强化后， 系统出口烟尘浓度降低迅速， 细颗粒收集效率明显提高。 关键词 细颗粒; 旋风除尘器; 电声换能超声波雾化; 云物理; 团聚; 强化 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406019 EXPEＲIMENTAL STUDY ON ENHANCED PEＲFOＲMANCE OF THE FINE PAＲTICLES SEPAＲATION BY THE ELECTＲO- ACOUSTIC ULTＲASONIC NEBULIZEＲ Chen BohaoYu JinZhou WanliWang Bo College of Ｒesource and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000， China AbstractAn enhanced experiment of the aggregation of fine particles has been carried out on the basis of previous study on the improvement of the ultrafine particles separation efficiency by the electro- acoustic ultrasonic nebulizer． More water drop has a phase change to the saturated vapor through the negative pressure zone located in the inlet of vortex pump． Furthermore，by means of the positive pressure zone located on the outlet，the process of water vapor condensing on fine particles as a nucleus is strengthened． The results show that through the enhanced aggregation，dust concentration exhausted from the system decreases rapidly and the separation efficiency of fine particles increases obviously after the implementation of enhancement． Keywordsfine particle; cyclone dust collector; electro- acoustic ultrasonic nebulizer; cloud physics; aggregation; enhancement * 国家自然科学基金项目 50906036 ; 教育部新世纪优秀人才支持计 划 NCET- 10- 0469 ; 中央高校基本科研业务费重点项目 lzujbky- 2012- k36;lzujbky- 2010- 102 。 收稿日期 2013 －08 －17 0引言 含尘气体的排放是我国大气可吸入颗粒物的主 要来源。虽然现在除尘装置的除尘效率可高达 99 以上， 但对可吸入颗粒物， 尤其是 PM2. 5的捕获率较 低， 造成大量 PM2. 5排入大气中， 直接影响人们的生活 质量， 危害人们的身体健康乃至生命安全［1- 2 ］。 众多学者研究了细颗粒难以捕集的原因［3- 4 ］。 B． Wang 等 ［4 ］分析发现随着粒径的减小， 流体曳力激 增， 成为细颗粒的主要受力， 细颗粒被流体带走。由 此可见巨大的流体曳力是造成细颗粒捕集效率低的 根本原因。若能将细颗粒粒径增大， 则可以使颗粒所 受流体曳力呈几何级数下降， 从而大幅提高细颗粒的 捕集效率。 众多使颗粒粒径长大的方法中， 液滴雾化方法由 于其费用低廉、 设备简单、 效果显著等优点日益受到 关注。近几年来， 研发出的电声换能超声波雾化技术 利用电子高频震荡原理 ［5 ］， 产生分散均匀的微米级 的高密度微小液滴流［6 ］。微细水雾不仅能满足改善 粉尘润湿性所必须的水蒸气条件， 还能通过空气动力 学、 云物理学、 斯蒂芬流等多种机理实现呼吸性粉尘 的捕集。当含粉尘的气流绕过雾滴时， 由于惯性作 用， 一部分尘粒会在绕流的气流中有一定的偏离从而 与雾滴碰撞被捕捉， 即通过雾滴与粉尘颗粒的惯性碰 撞、 拦截、 凝聚、 以及扩散等作用对粉尘实现捕捉， 粉 87 环境工程 Environmental Engineering 尘被捕捉的几率与雾滴的直径、 粉尘的受力情况有 关。雾滴与粉尘粒径相近时， 雾滴更容易与粉尘碰撞 而捕集到粉尘。超声波雾化正是应用这一原理产生 10 μm 以下与微细粉尘的粒径相近的雾滴来捕集粉 尘 ［7 ］; 一部分微细水雾进入含尘空间后， 能在较短的 时间内汽化， 从而使喷雾区的水蒸气迅速饱和， 过饱 和的水蒸气以尘粒为核， 凝结于含尘区内悬浮的粉尘 颗粒上， 此后就开始进行凝聚和并合的微物理过 程 ［8 ］。水蒸气在呼吸性粉尘表面凝结， 不仅增大了 粉尘的体积和重量， 而且改善了粉尘的亲水性能， 对 亚微米及微米级的粉尘捕集有促进作用［9 ］。当蒸汽 在某一核上凝结时， 容易造成核周围蒸汽浓度的降 低， 形成四周向凝结核运动的斯蒂芬流， 使更多蒸汽 接触并粘附在凝结液滴上被捕集。 本工作应用电声换能超声波雾化方法将液态水 雾化成微小雾粒 4 ～10 μm ［10 ］， 构建相对湿度过饱 和的环境， 在扰动的流场中粉尘颗粒与饱和水蒸汽充 分混合， 随后通入旋涡泵中， 利用旋涡泵进气段的负 压加剧雾滴汽化过程， 使更多的液体变为水蒸气， 然 后利用旋涡泵出气段的正压加剧水蒸气以细颗粒为 凝结核凝结长大过程。最后， 将长大的颗粒引入旋风 除尘系统中进行气固分离， 并对系统的出口烟尘浓度 和收集颗粒的粒径进行分析， 以此探讨强化实验对细 颗粒捕集效果的影响。 1实验部分 1. 1实验原理 本实验主要对应用电声换能超声波雾化法捕集 细颗粒实验 ［1 ］进行强化， 其原理见图 1。强化过程分 为两个阶段 1汽化过程。因叶轮的旋转， 使旋涡泵 入口到旋涡泵中心区形成负压区， 烟尘颗粒、 小液滴 与饱和水蒸汽的混合气体被吸入旋涡泵， 此过程中， 由于处于负压区， 小液滴迅速汽化形成饱和水蒸气。 2凝结过程。混合气体经过离心运动到达外流道正 压区， 水蒸气迅速以烟尘颗粒为核凝结， 携带着烟尘 粒子的云滴和其他水雾粒子进行相互碰撞、 凝聚进而 长大， 并形成“雨” 降落下来。此过程不仅增大了粉 尘的体积和重量， 而且改善了粉尘的亲水性能， 对粉 尘的捕集起到了促进作用［11 ］。 1. 2实验装置与流程 图 2 显示了普通加雾情况［1 ］的实验流程 打开旋 涡气泵和雾化器， 同时加入粉尘或烟尘。粉尘 烟 尘 和雾气在输入管段混合凝并长大， 然后通过旋风 图 1强化原理示意 Fig．1Schematic of enhanced atomizing mechanism 筒去除; 在旋风筒出口管道处由粉尘含量测定仪测定 粉尘在管道出口处的浓度; 收集旋风筒中所收集的粉 尘做粒径分析。 图 2普通加雾流程 Fig．2Flowchart of previous atomizing experiment 图 3 表示的是强化加雾实验流程图， 与普通加雾 实验不同的是旋涡泵置于旋风除尘器之前， 主要目的 是在旋涡泵中强化小液滴的汽化、 凝结， 加剧“云物 理” 中的 “降雨” 过程， 以此达到使颗粒长大， 增加细 颗粒捕集效率的目的。 图 3强化加雾流程 Fig． 3Flowchart of enhanced atomizing experiment 本文设计了两组实验， 分别以粉尘和烟尘为原料 进行实验。选定出口烟气浓度和收集颗粒的粒径分析 为指标， 对比强化加雾法与普通加雾法以上两项指标 97 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 的差异， 从而判定强化加雾法对细颗粒的捕集效果。 在实验中， 控制相同时间 5 min 内加入相同的原料 100 g ， 匀速加料， 保证其粉尘或烟尘入口浓度不变， 通过改变5 min 内的加雾量 25， 50， 75， 100 g ， 考察雾 气浓度对捕集效果的影响， 进一步对比强化实验和普 通加雾实验在相同加雾量时两项指标的差异， 以此来 讨论强化系统对两种不同原料的捕集效果。 1. 3实验材料 实验所用粉尘为大气降尘过 500 μm 筛后的样 品， 烟尘由香燃烧产生， 水雾由电声换能超声波雾化 器产生。实验所用粉尘粒度分析如图 4 所示。 图 4粉尘原样粒度分析 Fig．4Size distribution of feed dust 1. 4实验装置参数 表 1 显示了旋风除尘器的结构参数， 表 2 显示了 旋涡泵的参数， 表 3 显示了电声换能超声波雾化器的 性能参数， 表 4 显示了监测分析方法。 表 1旋风除尘器的结构参数 Table 1The parameters of the cyclone separator 旋风筒 特性 柱体部分 直径/cm 柱体部分 高/cm 锥体部分 高/cm 锥体底部 直径/cm 出口高出 部分/cm 参数值2510055610 表 2旋涡泵的参数 Table 2Parameters of the vortex pump 旋涡泵 特性 型号 压力/ kPa 真空/ kPa 流量/ m3 h －1 参数值XGB 型2820200 表 3超声波雾化器性能参数 Table 3Perance parameters of the ultrasonic atomizer 雾化量/ mL h －1 电源电压/ V 雾化片尺寸/ mm 水箱容积/ L 雾粒直径/ μm 3 50036206＜10 表 4监测分析方法 Table 4Monitoring and analyzing s 监测指标分析方法和国标 粉尘浓度直读式粉尘浓度测量MT 1631997 粒度分析激光衍射法GB/T 190077. 12003 2实验结果与讨论 2. 1不同雾化量下强化实验对粉尘捕集效率的影响 图 5 为不同雾化量下， 强化加雾与普通加雾时的 粉尘出口浓度。可以看出 在普通加雾实验中粉尘初 始出口浓度为 23. 24 mg/m3， 而强化加雾的初始粉尘 出口浓度为 110. 5 mg/m3， 二者都随着加雾量的增加 而降低， 在加雾量达到 100 g 时强化出口浓度降为 29. 61 mg/m3， 未强化出口浓度只降到17. 22 mg/m3。 可见普通加雾时， 随着加雾量的变化， 出口浓度变化 缓慢， 效果不明显; 强化加雾时粉尘出口浓度随着加 雾量的增加， 降低迅速， 单从对出口浓度的改善程度 来说， 强化加雾实验无疑更具优势。值得注意的是， 从出口浓度总量来看， 普通加雾实验的粉尘出口浓度 更低， 这是由强化实验旋涡泵的吹力使部分收集到的 颗粒再次扬起而造成的。 图 5强化对雾化除尘出口浓度的影响 Fig．5Comparison of the outlet dust concentration with and without enhanced atomization 图 6 为普通加雾实验中不同加雾量下系统收集 粉尘的粒径分析。由图 6 可知 小于 5 μm 以下粉尘 颗粒在加雾量为 0 ～75 g 时， 收集细颗粒所含体积分 数高于不加雾， 但是当加雾量在 100 g 时， 收集颗粒 所含体积分数低于不加雾， 主要由于加雾量过大时， 雾滴在与粉尘接触前凝并长大， 增大了雾滴的接触直 径， 降低了雾滴捕获团聚颗粒物的作用［7 ］。说明对 5 μm 以下的颗粒， 加雾过多并不利于提高其收集效 率， 也说明了加雾去除小颗粒时存在最适加雾量， 在 该加雾量下细小粉尘颗粒才会更好的团聚长大。 08 环境工程 Environmental Engineering 图 6普通加雾实验下不同加雾量下小粒径所占体积分数 Fig．6Percentages of fine dust particles under different amount of spray without enhanced atomization 图7 为强化实验中不同加雾量下系统收集粉尘的 粒径分析。由图 7 可知 在 ＜5 μm 的小粒径范围内， 随着加雾量的增加， 小颗粒的捕集效率持续增加， 尤其 是粒径在2 ～5 μm 的小颗粒， 捕集效率明显提高， 而且 强化加雾实验不存在普通加雾实验下小颗粒捕集效率 随加雾量先增大后减小的情况， 说明要在加雾情况下 更好的去除小颗粒， 强化是必不可少的环节。 图 7强化条件不同加雾量下小粒径所占体积分数 Fig．7Percentages of fine dust particles under different amount of spray with enhanced atomization 图 8 为加雾量为 100 g 时， 强化前后系统收集粉 尘的粒径分析。由图 8 可以看出 对于 5 μm 以下尤 其是 2 ～5 μm 的小粒径， 强化加雾小颗粒体积分数 明显提高， 这说明小颗粒与水雾发生了很好的凝并过 程， 团聚效果明显， 增加了旋风除尘器对这部分小粒 径的收集效率， 提高了旋风除尘器去除 5 μm 以下小 颗粒的能力。 图9 显示的是不同加雾量对 PM2.5捕集效率的影 图 8强化前后改变雾化量对小颗粒收集影响 Fig．8Comparison of separation efficiency of fine dust particles before and after enhanced atomization 响。由图9 可知 随着加雾量的增加， 普通加雾实验收 集的粉尘颗粒体积分数先增加后降低， 而强化加雾实验 收集的粉尘颗粒持续增加。普通加雾实验下， 加雾量为 50 g时收集的小颗粒体积分数达到最高， 说明在此实验 中， 50 g 为最适加雾量。而强化实验中， 加雾量达到100 g 时也未见细颗粒体积分数有下降趋势。说明旋涡泵中 汽化和凝结过程， 可产生更多的可凝结小液滴， 提高了 最适加雾量， 也提高了小颗粒的捕集效率。 图 9强化前后不同加雾量下小粒径所占体积分数 Fig．9Percentages of fine dust particle under different amount of spray before and after enhanced atomization 2. 2不同雾化量下强化实验对烟尘捕集效率的影响 图 10 为不同雾化量下强化实验对烟尘捕集效率 的影响。由图 10 可知 虽然强化加雾实验中的烟尘 初始浓度高于普通加雾， 但是当加雾量达到 20 g 时， 两者的出口浓度值就相近了。同时随着加雾量的不 断增加， 未强化的烟尘出口浓度变化缓慢， 而强化后， 烟尘出口浓度显著下降， 并在加雾量达到 100 g 时， 烟尘出口浓度在 10. 89 mg/m3趋于稳定。说明通过 强化加雾方式降低烟尘的出口浓度更具有优势。 18 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 图 10强化加雾对出口烟尘浓度的影响 Fig．10Comparison of the outlet fume concentration under different amount of spray before and after enhanced atomization 图11 为加雾量为 100 g 时， 强化前后系统收集烟 尘颗粒的粒径分析。由图 11 可以看出 粒径为 2 ～ 5 μm的小颗粒体积分数明显增加， 其测量点颗粒体积 分数增幅分别为 21、 19、 12、 7. 4 和 5. 7。说 明强化加雾对烟尘中的小颗粒捕集也有很好的优势。 图 11强化作用对小颗粒烟尘收集的影响 Fig．11Percentages of fine fume particle before and after enhanced atomization 3结论 本文采用电声换能超声波雾化 － 旋风除尘技术， 研究了强化加雾实验对旋风除尘器出口粉尘、 烟尘浓 度的影响， 并利用激光粒度分析仪， 分析了旋风除尘 器捕集的粉尘和烟尘的粒度变化。 1强化加雾可以加强液滴的汽化与凝并， 同时 也可以加强颗粒间的碰撞结合、 凝并沉降， 更好地降 低小颗粒物的出口浓度。 2在小粒径范围内 0 ～ 5 μm ， 随着加雾量的 增加， 出口浓度会逐渐降低; 相对于普通加雾， 强化加 雾降低出口浓度的速度更快。 3随着雾化量的增加， 收集的小粒径颗粒所占 百分比并不会逐级增加， 对于小粒径的去除， 存在最 合适的加雾量。强化加雾可以提高最适加雾量， 也可 以提高小颗粒的捕集率。 4同等条件下， 强化加雾法所捕集的小颗粒所 占百分比明显高于普通加雾法， 进一步体现强化加雾 除尘存在的优势。 综上所述， 本研究为利用电声换能超声波雾化 － 旋风除尘技术去除粉尘和烟尘作了理论研究和实践 探索， 说明电声换能超声波雾化除尘具有较好的净化 除尘效果， 强化加雾能够提高该技术对小颗粒的捕集 作用， 在目前 PM2. 5危害严重的环境下， 该技术在处理 粉尘污染方面提供了一条治理的途径。 本实验的不足之处在于随着加雾量的增加， 系统 管道内形成粉尘与冷凝水混合而成的泥饼， 阻塞管 道， 这将是下一步实验要解决的问题。 参考文献 ［1］王光旭， 徐国栋， 刘文婧，等． 应用电声换能超声波雾化方法 提高超细粒捕集效率的实验研究［J］． 环境工程学报， 2013 7 294- 300． ［2］陈卓楷， 陈凡植， 周炜煌， 等． 超声雾化水雾在除尘试验中的应 用［ J］ ． 广东化工， 2006， 33 10 74- 77． ［3］郝吉明， 段雷． 燃烧源可吸入颗粒物的物理化学特征［M］． 北 京 科学出版社， 2008． ［4］Wang B，Yu A B． Computational investigation of the mechanisms of particle separation and“Fish- Hook”phenomenon in hydrocyclones ［J］． American Institute of Chemical Engineers， 2010，56 7 1703- 1715． ［5］American Ceramic Society Bulletin Group．Ultrasonic atomizing ［J］． American Ceramic Society Bulletin， 2006， 85 8 1． ［6］黄晖， 姚熹， 汪敏强， 等． 超声雾化系统的雾化性能测试［J］ ． 压 电与声光， 2004， 26 1 62- 64． ［7］徐立成，孙平和． 超声雾化抑尘器及其应用［J］． 工业安全与防 尘， 1995 5 13- 15． ［8］魏风，张军营． 煤燃烧超细颗粒物团聚促进技术的研究发展 ［J］． 煤炭转化， 2003， 26 3 27- 31． ［9］李刚， 黄翔． 流体动力式超声喷水室治理 “煤灰纱” 研究［J］． 棉 纺织技术， 2005， 33 7 20- 22． ［ 10］张小艳． 微细水雾除尘系统设计及试验研究［J］ ． 工业安全与 环保， 2001， 27 8 1- 4． ［ 11］刘炳煌， 程天才， 王涛， 等． 微米级干雾抑尘技术在某火电厂 60 万 kW 机组输煤碎煤楼的应用［ C］ ∥全国火电600 MW 级机组 能效对标及竞赛第十四届年会论文集， 2010 691- 695． 第一作者 陈泊豪 1990 － ， 男， 硕士研究生， 研究方向为大气污染控 制和雾化除尘。chenph12 lzu． edu． cn 通讯作者 王博 1978 － ， 男， 博士， 教授， 研究方向为旋流分离工程、 大气污染控制、 循环经济。wangbo lzu． edu． cn 28 环境工程 Environmental Engineering