降膜陣列脫除工業尾氣PM2.5效率研究

李 季 鄭志堅 夏素蘭 李 勇 文 浩 四川大學化學工程學院 成都 610065

設計技術

降膜陣列脫除工業尾氣PM2.5效率研究

李 季*鄭志堅 夏素蘭 李 勇 文 浩 四川大學化學工程學院 成都 610065

提出一種低壓降、大通量、高效率降膜陣列式，利用廢水廢氣交叉流界面脫除工業尾氣中PM2.5技術。以含Al2O3粉末的氣溶膠流體模擬工業尾氣橫掠20列×90排直徑3mm的降膜陣列進行實驗，結果表明降膜陣列脫除尾氣PM2.5效率隨降膜陣列傳質面積增大而增大，隨處理量的增大而降低。當體積流量為111.3m3/h，相應的尾氣雷諾數為230時，傳質面積為0.0942m2的單排降膜陣列脫除PM2.5的效率為0.794%，此工況下，傳質面積為37.7m2的400排降膜陣列脫除PM2.5的理論效率可達95.8%。

PM2.5 降膜陣列 脫除效率 氣液交叉流

PM2.5對空氣的污染嚴重危害到人體健康。有關中國大氣PM2.5污染源的研究指出，以基礎原材料加工與能源產業為主的重型過程工業尾氣排放占大氣PM2.5來源的45%[1-3]。現有PM2.5的減排技術成本高昂，以西歐為例，本世紀初開始的工業尾氣PM2.5排放減半計劃，利用蒸汽噴淋、靜電沉積和纖維過濾等方法減排1t(PM2.5)的成本約為10萬歐元[4]。我國以產品附加值低的基礎重工業為主的大型過程工業，如以上述方法進行減排，其成本難以接受。而我國大型基礎工業的規模十分龐大，其尾氣PM2.5減排對大氣污染治理成敗意義重大。近年來，中國新頒布的大氣污染物排放標準對過程工業尾氣排放做出嚴格控制[5]。因此，為滿足我國工業尾氣PM2.5減排的客觀需求，開發經濟可行的PM2.5減排技術，勢在必行。從“以廢治廢”的角度出發，作者課題組研發了尾氣廢水交叉流技術，并成功應用于柴油機廢氣與鉆井廢水同步治理。本文在此基礎上，研發了降膜陣列PM2.5脫除技術，彌補了氣液交叉流流動穩定性不高、處理量不大等缺點，并對實驗結果及其放大設計進行討論。

1 降膜陣列脫除PM2.5實驗研究

降膜陣列脫除PM2.5實驗流程見圖1。

圖1 降膜陣列脫除PM2.5實驗流程

由排距4.5mm、行距5.2mm、 20列×90排直徑3mm的交錯排列導流線陣列垂直穿過上、下兩塊多孔板，多孔板相距0.5m。廢水從導流線與多孔板開孔之間的環隙均勻流出，環隙寬0.5mm。每根導流線的親水表面都保持穩定的降膜流動，從而構成穩定的降膜陣列PM2.5脫除實驗裝置。在常溫下進行實驗，用磁力泵循環廢水，使進降膜陣列的廢水液位保持穩定。由壓縮機進空氣，與Al2O3流化床產生的PM2.5顆粒混合均勻，模擬工業尾氣進入降膜陣列。

尾氣的流速由皮托管壓差流量計檢測，絕對精度分度值0.2Pa，誤差在±2%。在降膜陣列進出口設置采樣孔，形成降膜陣列的PM2.5脫除效率實驗測試系統。采用帶濕度修正的LD-5S激光粉塵儀測量尾氣中PM2.5的質量濃度，通過空氣動力學粒徑切割頭使得只有PM2.5的顆粒能被采樣和檢測，分辨率為0.01mg/m3，誤差在±5%。實驗中將兩臺LD-5S激光粉塵儀采樣管放入兩個采樣口，同時抽取橫掠降膜陣列的尾氣樣品進行檢測，采樣速率2L/min，得到同一時刻進出降膜陣列的尾氣PM2.5質量濃度。

表1為實驗Al2O3粉末的物性參數，經馬爾文激光粒徑儀測得粒徑分布，結果顯示PM2.5的含量為4.52%、平均直徑為2.01μm。

表1 Al2O3物性參數表

2 結果討論與放大設計

2.1 實驗結果討論

在同一進氣流速下，同一時刻測得尾氣在不同采樣點的PM2.5質量濃度。為保證實驗數據的可重復性，每組實驗都重復進行了3～4次。當橫掠降膜陣列的尾氣體積流量為111～248m3/h時，分別測得進出降膜陣列氣體的PM2.5質量濃度及降膜陣列脫除PM2.5效率實驗值，實驗結果見表2。

表2 20列×90排降膜陣列PM2.5脫除效率實驗數據

實驗表明，隨著尾氣處理量逐漸由111m3/h增加到248m3/h，20列×90排降膜陣列脫除PM2.5效率由51.2%下降到36.1%，可見幾何結構一定的降膜陣列PM2.5脫除效率隨著處理量增大而降低。

2.2 理論分析與放大設計

降膜陣列均勻對稱排列，根據質量衡算及傳質通量方程，單排PM2.5脫除量：

V(ci-ci+1)=KPMAi(ci-cs)

(1)

式中，V為含塵尾氣體積流率，m3/s；(ci-ci+1)為通過該排后尾氣PM2.5濃度減小值，mg/m3；KPM是PM2.5顆粒的對流傳質膜系數，m/s，與流體物性和流動結構有關；Ai為單排降膜傳質面積(即單排降膜表面積，m2)；cs為氣液界面PM2.5濃度，假定氣液界面處PM2.5被液膜完全吸收，即cs=0，則單排PM2.5脫除效率ηi：

(2)

上式表明，幾何結構相似的降膜陣列處理等量含塵工業尾氣的單排PM2.5脫除效率相同，與來流PM2.5濃度無關。忽略陣列的頭尾效應，總數為n排的降膜陣列PM2.5脫除效率：

(3)

可見降膜陣列脫除尾氣PM2.5效率與傳質面積和尾氣處理量有關。尾氣雷諾數范圍為230～515，1～500排具有本文幾何結構特點的降膜陣列PM2.5脫除效率理論預測值見圖2。尾氣雷諾數定義式：

(4)

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；d為降膜流柱直徑，m；μ為氣體粘度，Pa·s；Umax為通過降膜陣列排距SL、列距ST和表觀平均流速U0計算得到的橫掠降膜陣列最大流速，m/s，其計算公式：

(5)

(6)

圖2 降膜陣列脫除PM2.5效率放大設計(Ai=0.0942m2)

由圖2可知，單排降膜陣列傳質面積為0.0942m2，降膜陣列傳質面積隨著排數的增加而增加，相應的降膜陣列PM2.5脫除效率逐漸上升。當尾氣處理量為111m3/h時，相應的氣體雷諾數為230，單排降膜陣列PM2.5脫除效率為0.794%，而傳質面積為37.7m2的400排降膜陣列，PM2.5脫除效率可達95.8%。當尾氣處理量增大，氣體雷諾數增加，降膜陣列PM2.5脫除效率隨傳質面積的增加而增加的趨勢變緩，當尾氣處理量為248m3/h時，相應的氣體雷諾數為515，降膜陣列單排PM2.5脫除效率下降為0.496%，400排降膜陣列PM2.5脫除效率可達87.5%。

3 結語

(1)針對工業尾氣PM2.5污染治理問題，提出低壓降、大通量、高效率的降膜陣列結構，利用廢水廢氣交叉流界面脫除工業尾氣PM2.5，過程連續、穩定，為工業放大奠定了基礎。

(2)以含Al2O3粉末的氣溶膠流體模擬工業尾氣橫掠20列×90排直徑3mm降膜陣列進行實驗。結果表明，尾氣處理量越大，PM2.5脫除效率越低，降膜陣列處理111m3/h的含塵尾氣，效率為51.2%，而處理248m3/h的含塵尾氣，效率為36.1%。

(3)基于降膜陣列脫除PM2.5傳質特性可得，降膜陣列單排PM2.5脫除效率與來流氣體PM2.5濃度無關，降膜陣列脫除尾氣PM2.5效率隨傳質面積的增大而增大。尾氣雷諾數為230時，單排降膜陣列脫除PM2.5的效率為0.794%，此工況下，90排降膜陣列PM2.5脫除效率可達51.2%，而當傳質面積增加到37.7m2的400排降膜陣列脫除PM2.5的理論效率可達95.8%。

1 Lv W, Wang Y, Querol X. Geochemical characteristics of PM2. 5 in a metropolis in Central China[J]. Chemical Engineering III, 2013: 145.

2 Yuan Y, Liu S, Castro R, et al. PM2. 5 Monitoring and Mitigation in the Cities of China[J]. Environmental science & technology, 2012, 46(7): 3627-3628.

3 Guan D, Su X, Zhang Q, et al. The socioeconomic drivers of China’ s primary PM2. 5 emissions[J]. Environmental Research Letters, 2014, 9(2): 024010.

4 Lükewille A, Bertok I, Amann M, et al. A framework to estimate the potential and costs for the control of fine particulate emissions in Europe[J]. International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), IR-01-023, Laxenburg, Austria, 2001.

5 GB 13223-2011, 火電廠大氣污染物排放標準[S].

國家自然科學基金項目(21276161)。 科技部國際科技合作專項(2014DFG92250)。

2014-05-30)

*李 季：碩士研究生。夏素蘭：教授，碩士生導師。聯系方式，E_mail:slxia@scu.edu.cn。