旋轉(zhuǎn)超重力場(chǎng)凈化瀝青煙顆粒物的研究

方聰勇,陳明功,趙彬彬,嚴(yán)猛,李漢,潘帆,徐東亮

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

瀝青在加熱加工中產(chǎn)生大量瀝青煙顆粒物,例如高速公路的瀝青混凝土攪拌站[1]、瀝青防水卷材的生產(chǎn),以及瀝青浸漬與烘焙耐火磚等生產(chǎn)[2-3],都產(chǎn)生大量高濃度瀝青煙顆粒物,不僅嚴(yán)重污染環(huán)境,還存在著火燃燒的安全隱患[4-5]。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高,需要從源頭有效凈化瀝青煙顆粒物[7-9]。北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《防水卷材行業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/1055)規(guī)定了瀝青煙顆粒物最高允許排放濃度10 mg/m3[6],目前凈化瀝青煙顆粒物的主要方法有洗滌法、過濾法、靜電捕集法,冷卻冷凝法、燃燒法等[10-12],但存在設(shè)備堵塞、著火、效率低、二次污染等不足[12-14],進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)超重力機(jī)凈化瀝青煙顆粒物廢氣的研究。

旋轉(zhuǎn)超重力場(chǎng)是由高速旋轉(zhuǎn)的離心力場(chǎng)產(chǎn)生,轉(zhuǎn)子是核心部件,運(yùn)行工藝參數(shù)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)影響瀝青煙顆粒物凈化效率[15-17]。超重力機(jī)凈化瀝青煙原理是在轉(zhuǎn)子上噴灑的洗滌水被高速旋轉(zhuǎn)被霧化,水霧和瀝青煙霧在轉(zhuǎn)子和機(jī)殼內(nèi)強(qiáng)制攪拌混合,發(fā)生非彈性碰撞并凝聚;分離后的洗滌液攜帶瀝青煙顆粒物從超重力機(jī)排出。瀝青煙氣經(jīng)過轉(zhuǎn)子離心分離、非彈性碰撞、轉(zhuǎn)子填料過濾共同作用凈化后排出,達(dá)到瀝青煙顆粒物凈化目的[18-20]。旋轉(zhuǎn)超重力場(chǎng)分離瀝青煙顆粒物具有效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。噴入的洗滌水可防控系統(tǒng)著火燃燒;離心力可甩脫轉(zhuǎn)子表面粘附的油污,防止轉(zhuǎn)子堵塞[21-22]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究采用自制的臥式旋轉(zhuǎn)超重力機(jī), 進(jìn)氣管和出氣管方向與機(jī)殼相切,殼體內(nèi)部分隔為進(jìn)氣和出氣兩個(gè)空間;噴水管開設(shè)6個(gè)直徑2 mm的噴水孔;轉(zhuǎn)子填料為三層不銹鋼網(wǎng)板組合件。主要實(shí)驗(yàn)儀器見表2。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器一覽表

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

1-可調(diào)火焰液化氣爐;2-瀝青加熱鍋;3-帶排煙管道鍋蓋;4-煙氣流量調(diào)節(jié)閥;5-進(jìn)氣管顆粒物濃度檢測(cè)儀;6-出氣管顆粒物濃度檢測(cè)儀;7-氣體流量計(jì);8-引風(fēng)機(jī);9-超重力機(jī)出氣口;10-超重力機(jī)進(jìn)氣口;11-內(nèi)腔體噴水控制閥;12-轉(zhuǎn)子內(nèi)腔體噴水管;13-液體流量計(jì);14-循環(huán)水泵;15-超重力機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔體;16-超重力機(jī);17-變頻電機(jī);18-轉(zhuǎn)速表;19-超重力機(jī)轉(zhuǎn)子外腔體;20-轉(zhuǎn)子腔體排水管;21-循環(huán)水箱。圖1 超重力機(jī)凈化瀝青煙顆粒物試驗(yàn)流程圖

采用10#瀝青(商品級(jí))加熱產(chǎn)生瀝青煙顆粒物模擬廢氣,用可調(diào)溫電爐控制加熱溫度調(diào)節(jié)瀝青煙顆粒物初始濃度,用調(diào)節(jié)閥控制瀝青煙氣廢氣流量。廢氣從轉(zhuǎn)子外腔體切向進(jìn)入,沿轉(zhuǎn)子軸向從內(nèi)腔體流出。用控制閥調(diào)節(jié)噴水量,洗滌后的液體流出進(jìn)入循環(huán)水箱。瀝青煙顆粒物初始濃度穩(wěn)定控制為320 mg/m3,實(shí)驗(yàn)在超重機(jī)進(jìn)氣管和出氣管分別安裝顆粒物濃度檢測(cè)儀測(cè)定瀝青煙顆粒物濃度,并計(jì)算去除率。瀝青煙顆粒物濃度去除率定義為:η=(Cinto-Cout)/Cinto。其中:η-去除率,%;Cinto-進(jìn)氣口瀝青煙顆粒物濃度,mg/m3;Cout-出氣口瀝青煙顆粒物質(zhì)量濃度,mg/m3。

2 結(jié)果和討論

2.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青煙顆粒物去除率的影響

氣體流量分別為91,175 m3/h,氣體從轉(zhuǎn)子外腔體進(jìn)入,洗滌水從轉(zhuǎn)子內(nèi)腔體噴入,轉(zhuǎn)速與瀝青煙顆粒物去除率關(guān)系曲線如圖2(a)～(b)所示。

圖2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與瀝青煙顆粒物去除率關(guān)系

由圖2可知,隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大瀝青煙顆粒物去除率增加。在較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(小于1 000 r/min),瀝青煙顆粒物去除率增幅較明顯;當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min后,去除率隨轉(zhuǎn)速增加的趨勢(shì)減緩。因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速條件下,隨轉(zhuǎn)速增加液體和瀝青煙顆粒物受離心力作用增幅較大,液滴直徑變小,有利于液滴和瀝青煙顆粒物碰撞和粘附。在較高轉(zhuǎn)速時(shí)增大轉(zhuǎn)速雖然能夠促進(jìn)霧化,但也促使液滴聚并,因此去除率趨向平緩。氣液兩相在宏觀上為逆流,轉(zhuǎn)子內(nèi)腔體噴入的液體經(jīng)過轉(zhuǎn)子填料層被二次霧化,更小的水霧有利于捕集瀝青煙顆粒物。

2.2 噴水量對(duì)瀝青煙顆粒物去除率的影響

氣體流量分別是91,175 m3/h,氣體從轉(zhuǎn)子外腔體進(jìn)入,洗滌水從轉(zhuǎn)子內(nèi)腔體噴入,轉(zhuǎn)速與瀝青煙顆粒物去除率關(guān)系曲線如圖3(a)～(b)所示。

圖3 噴水量與瀝青煙顆粒物去除率關(guān)系

由圖3得,隨噴水量增大,顆粒物去除率都呈現(xiàn)增大趨勢(shì),增加噴水量有利于提高液氣比,增加超重力機(jī)內(nèi)單位體積的水霧密度,提高霧滴與瀝青煙顆粒物的碰撞幾率。在洗滌水噴入量較低階段(在本研究中小于6 L/min),隨噴水量增加去除率增幅較大;在洗滌水噴入量較大階段,隨噴水量增加去除率增幅平緩,因?yàn)檩^大噴水量時(shí),隨噴水量增加霧滴直徑增大,轉(zhuǎn)子內(nèi)部氣液接觸面積趨于動(dòng)態(tài)平衡;因此應(yīng)優(yōu)化噴水量。

在不噴水條件下,即噴水量為0 L/min時(shí),超重力機(jī)轉(zhuǎn)子的填料過濾和離心分離對(duì)瀝青煙顆粒物也具有一定去除功能,但去除率不高。在噴水條件下,洗滌水霧化產(chǎn)生的液滴或液膜可以有效捕集瀝青煙顆粒物,顯著提高瀝青煙顆粒物的去除率,表明噴水對(duì)瀝青煙的凈化非常重要;同時(shí),噴入的洗滌水可有效輸送捕集的顆粒物,阻止殼體和轉(zhuǎn)子堵塞。因此,旋轉(zhuǎn)超重力機(jī)凈化瀝青煙顆粒物是濕法非彈性碰撞、離心分離、過濾分離的共同結(jié)果。

2.3 氣體流量對(duì)瀝青煙顆粒物去除率的影響

在噴水量分別為6,14 L/min條件下,氣體流量與瀝青煙顆粒物去除率關(guān)系如圖4(a)～(b)所示。

圖4 氣體流量與瀝青煙顆粒物去除率關(guān)系

由圖4得,隨入口氣體流量增加瀝青煙顆粒物去除率降低,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低其影響越明顯。氣體流量增大雖然能夠吹散顆粒物,但也促使水霧的碰撞與聚并;在設(shè)備殼體容積不變的條件下,氣體流量增大使氣體在超重力機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間縮短,導(dǎo)致去除率降低。

本研究煙氣初始濃度320 mg/m3、氣體流量46 m3/h,填料網(wǎng)板相鄰折疊峰間距和沖孔邊長(zhǎng)分別為20 mm時(shí),在最優(yōu)化條件下,轉(zhuǎn)子內(nèi)腔噴水量14 L/min、轉(zhuǎn)速1 400 r/min條件下,瀝青煙顆粒物最高去除率為99.2%。

3 結(jié)論

在旋轉(zhuǎn)超重力機(jī)凈化瀝青煙顆粒物過程中,隨轉(zhuǎn)速增大,瀝青煙顆粒物去除率增加。低轉(zhuǎn)速階段隨轉(zhuǎn)速增大顆粒物去除率增幅明顯;高轉(zhuǎn)速階段隨轉(zhuǎn)速增大顆粒物去除率增幅減緩。內(nèi)噴水經(jīng)過轉(zhuǎn)子填料層被進(jìn)一步霧化,增加了單位體積內(nèi)的水霧密度,提高霧滴與瀝青煙顆粒物的碰撞幾率提高了去除率。在不噴水條件下,超重力機(jī)對(duì)瀝青煙顆粒物也具有一定的去除效率,為轉(zhuǎn)子填料的過濾和離心分離的結(jié)果;在噴水條件下,顆粒物去除率顯著提高,為轉(zhuǎn)子填料過濾、離心分離和碰撞捕集的共同效果。 隨入口氣體流量增加去除率降低,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低其影響越明顯。氣體流量增大將使氣體流速變大,停留時(shí)間縮短,去除率降低。當(dāng)氣體從轉(zhuǎn)子外腔體進(jìn)入,煙氣初始濃度320 mg/m3、氣體流量46 m3/h時(shí),在最優(yōu)化條件下,轉(zhuǎn)子內(nèi)腔噴水量14 L/min、轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí),最大去除率為99.2%。