Mechanism of micro-particle motion across falling liquid cylinder for PM2.5 separation (Ⅱ)Efficiency of PM2.5 separation from heavy-duty diesel exhausts

根据（Ⅰ）报提出的液柱交叉流PM_2.5颗粒附面运动与吸收机理及模型计算方法,设计了以钻井废水吸收钻井柴油机尾气PM_2.5的液柱交叉流吸收现场试验装置。吸收器具有高温绝热蒸发与低温绝热冷凝两个操作空间,柴油机尾气通过绝热蒸发空间降温增湿,携带水蒸气到绝热冷凝空间通过扩散在液柱表面冷凝,形成热泳和扩散双重强化PM_2.5吸收分离机制。模型计算显示该机制下0.01～1.0 μm范围内颗粒粒径与分离效率关系不显著,设计工况下单液柱分离效率1.17%～1.36%。由200排三角形布置的液柱构成的吸收器总体分离效率90%～93%。该过程可同时蒸发废水461.2 kg·h^-1。但颗粒分离效率随蒸发负荷及液柱温度的上升而降低,温升10℃、单液柱分离效率降低60%。现场模型试验装置监测数据与本文模型计算总分离效率基本接近。     

湿法除尘技术进展及变温多相流脱除PM2.5的新方法

分析对比了工业化国家应对工业增长控制PM_2.5排放的策略与技术措施,特别是荷兰在充分的技术经济性研究基础上制定50% PM减排目标、相当于9 mg·m^-3工业尾气颗粒物允许排放浓度标准,值得我国借鉴。工业源颗粒物排放占比前5的冶金、石油加工、化工、建材和食品加工业颗粒排放物呈现PM_1.0的粒度分布峰值特征,应首选湿法静电沉降类(Wet-ESP)减排技术,但其经济性未必适合我国大规模基础工业发展阶段。提出废气-废水多相交叉流阵列变温脱除PM_2.5的新方法,利用气流横掠液柱传热传质产生的速度场、温度场和浓度场推动微粒向气液界面运动,使所有单液柱均成为独立的PM_2.5分离单元,其串-并联组合结构使阵列具有很高的PM_2.5分离总效率。模型预测单元数n=200的交叉流阵列用于810kW大功率钻井柴油机(排气量4906 kg·h^-1干气)尾气碳烟PM_2.5减排的效率为91.4%,现场模型试验实测值略大于80%,理论与实践均表明该方法以废治废、经济可行。     

横掠液柱流的微粒运动机理及PM2.5捕获(Ⅰ)附面运动轨迹与分离半径

提出了横掠液柱流的速度场和温度场推动PM_2.5微粒附面运动机理,建立了微粒附面运动微分方程和数值积分反演方法,计算粒子运动轨迹并预测可吸收的微粒运动最大分离半径。定义最大分离半径与液柱表面之间附面层的厚度为分离厚度,以气溶胶流体通过该区域的体积流量与横掠单液柱的总体积流量之比代表单液柱吸收效率;热泳推动力是强化吸收效率的主要因素。基于单液柱吸收效率,按串联模型导出规则排列的液柱群整体分离效率计算公式,依据液柱交叉流几何结构、流体流动和气液两相传热传质参数即可确定整体分离效率。对交叉流Reynolds数为170的实例计算显示,直径4 mm的单液柱吸收效率为1.18%,由195排液柱群组成的长度为1170 mm的分离通道整体分离效率达到90%。     

气液交叉流阵列除湿与PM2.5脱除耦合研究

针对工业尾气高湿度、PM2.5难去除特性,提出废气-废水多相交叉流阵列脱除PM2.5的新方法,尾气横掠液膜柱阵列,蒸汽发生冷凝带动PM2.5向气液界面运动。使所有液膜柱阵列成为独立脱湿除PM2.5分离单元并组成串-并联结构,对分离单元建立水蒸气和PM2.5颗粒传质微分方程,颗粒的脱除速度正比于水蒸气传质通量,得出尾气冷凝脱湿、除PM2.5效率。理论分析表明,PM2.5颗粒脱除效率正比于水蒸气脱除量,对交叉流阵列入口尾气T=100℃、H=0.626kg/kg,气液界面Tw=20℃,100排交叉流阵列组成的串-并联结构液膜柱群湿度脱除、PM2.5脱除效率分别为96%、70%。对20(列)×100(排)交叉流阵列进行实验,实验值略大于理论值。     

Mechanism of micro-particle motion across falling liquid cylinder for PM2.5 separation (Ⅰ)Trajectory of particle motion towards surface and separation radius

提出了横掠液柱流的速度场和温度场推动PM_2.5微粒附面运动机理,建立了微粒附面运动微分方程和数值积分反演方法,计算粒子运动轨迹并预测可吸收的微粒运动最大分离半径。定义最大分离半径与液柱表面之间附面层的厚度为分离厚度,以气溶胶流体通过该区域的体积流量与横掠单液柱的总体积流量之比代表单液柱吸收效率;热泳推动力是强化吸收效率的主要因素。基于单液柱吸收效率,按串联模型导出规则排列的液柱群整体分离效率计算公式,依据液柱交叉流几何结构、流体流动和气液两相传热传质参数即可确定整体分离效率。对交叉流Reynolds数为170的实例计算显示,直径4 mm的单液柱吸收效率为1.18%,由195排液柱群组成的长度为1170 mm的分离通道整体分离效率达到90%。     

螺旋板换热器轴向错流通道湿法捕尘拟均相模型

提出了螺旋板换热器轴向错流通道冷却冷凝湿法除尘的方法,指出了PM_2.5在尾气对流传热传质边界层内热泳和伴随水蒸气冷凝的扩散泳运动特征和冷凝液膜吸收除尘机理并建立了拟均相模型,获得了PM_2.5浓度衰减函数和以冷凝通量n_w为参数的捕尘效率模型。通过“三传”类比获得了从尾气流速求取模型参数的方法,并通过恒壁温条件下冷却冷凝实验数据验证了模型参数计算方法的正确性,结果表明水蒸气组分扩散体积通量即PM_2.5扩散泳速度V_w是控制性参数,其值在20～40 mm·s^-1范围。     

尾气湿含量对气液交叉流阵列捕集PM2.5的影响

针对过程工业尾气中PM2.5治理难题,提出以废水-废气构建的气液交叉流降膜阵列系统,利用工业尾气冷凝组分冷凝捕集尾气中PM2.5。基于质量衡算和传质速率方程,得到以尾气湿含量为控制参数的气液交叉流PM2.5捕集效率模型。理论结果表明,进口尾气湿含量从0.28kg/kg增加到0.52kg/kg,单排降膜阵列PM2.5捕集效率从0.64%增加到1.26%。湿含量为0.52kg/kg时,预测182排降膜阵列组成长度为819mm的分离通道整体分离效率可达到90%。通过20列×90排降膜阵列进行实验验证,表明理论与实验结果基本一致。     

化学团聚促进电除尘脱除PM2.5的实验研究

燃煤排放细颗粒物是大气环境PM_2.5增加的重要来源。采用燃煤热态实验系统,进行了在电除尘器入口烟气添加化学团聚剂以及协同脱硫废水蒸发处理促进电除尘脱除PM_2.5的实验研究。实验考察了团聚剂添加前后PM_2.5浓度及其粒度分布的变化,以及团聚剂浓度、添加点烟温、团聚剂溶液pH、烟气量、雾滴粒径等对PM_2.5脱除效果的影响。结果表明,添加化学团聚液后,通过润湿作用、液桥力和吸附架桥作用可增强PM_2.5之间的接触并促进团聚长大,PM_2.5增大到原先的4倍左右,典型工况下电除尘器出口PM_2.5浓度降低40%以上。增加团聚液浓度可促进PM_2.5的脱除;适当降低团聚液pH有利于PM_2.5的团聚。喷脱硫废水,电除尘器出口PM_2.5浓度变化不大,加团聚剂后出口细颗粒物浓度降低。     

气液交叉流变温变湿脱除工业废气PM_(2.5)

利用工业废气与废水之间的传热传质推动力,构建以扩散泳机理为主脱除PM_(2.5)的气液交叉流阵列(GLCA)。废水在重力作用下分布到垂直布置的导流线阵列表面形成降膜流动液柱群,含尘含湿废气横掠液膜柱群传热传质,带动PM_(2.5)朝水蒸气冷凝的气液界面定向移动(扩散泳),从而使每个液膜柱均成为独立的颗粒脱除单元。建模并求解得到单元效率计算方法,逐排计算GLCA随温湿度变化而变的单元效率,从而建立GLCA液膜柱群颗粒脱除累积效率模型。24 (列)×100 (排)交叉流阵列实验结果表明实验值与模型预测值较为吻合,揭示了GLCA气液传质推动力是PM_(2.5)脱除效率的控制性因素。据此设计了变温变湿GLCA串联组合,利用废热源使废气周期性升温增湿恢复传质推动力,提高脱除PM_(2.5)总效率。模型结果表明:饱和废气温度60℃、气体Re数为72. 6条件下,经过总排数1160的变温变湿GLCA串联组合,PM_(2.5)脱除效率可达90%以上。     

温差对气液交叉流PM2.5去除效率影响

针对过程工业尾气PM2.5污染问题,提出以废气废水构建交叉流界面,利用高温工业废气与低温废水之间形成温差发生传热捕集尾气中PM2.5。研究含PM2.5高温工业废气横掠错排降膜阵列的传热传质,分析气液温差对PM2.5去除效率的影响,理论推导PM2.5去除效率表达式,结果表明PM2.5去除效率随气液温差增加而增大。对直径3mm的降膜阵列,气体Reynolds数为140的实例计算显示,气液温差由20oC增加至80oC时,单排降膜阵列PM2.5去除效率由0.33%提高至0.66%,200排降膜阵列去除效率由48.5%提高至73.2%,由350排液柱群组成的分离通道整体去除效率可达到90%。对高温工业尾气横掠降膜阵列进行实验验证,理论分析与实验结果吻合良好。     

湿法脱硫装置对燃煤锅炉PM2.5排放特征的影响

采用二级稀释采样方法对1台电厂煤粉炉、1台电厂CFB锅炉和2台工业层燃炉配备的WFGD前后烟气中PM_2.5进行现场采样。采用ELPI分析PM_2.5的数量及质量浓度粒径分布;通过SEM分析PM_2.5的显微结构,通过XRF、ICP-OES和离子色谱法分别对PM_2.5中次量、痕量元素及水溶性离子含量进行测定。研究结果表明,相比于WFGD前,煤粉炉和CFB锅炉WFGD后PM_2.5质量浓度减少,而层燃炉WFGD后PM_2.5质量浓度增加。WFGD后PM_2.5中存在大量块状、层状、片状、细小柱状和球形颗粒聚合体的结构,浆液成分及脱硫产物的附着会使PM_2.5的外观形貌特征发生显著变化。脱硫后由于脱硫浆液的参与,PM_2.5中Ca、S及相应Ca²⁺、SO₄^2-含量显著增加,Si和Al的含量下降;气相的As、Se和Hg也会发生不同的化学变化从而进入PM_2.5。湿法脱硫过程中浆液会捕集烟气中颗粒物,但脱硫浆液成分及脱硫产物会经由干化作用直接形成颗粒或与原有颗粒经碰撞聚合形成新颗粒。     

气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型

基于气溶胶中PM2.5微细颗粒物拟流体特性，对气液交叉流阵列中PM2.5在气溶胶流体传热传质边界层内热泳和扩散泳运动进行拟传质机理分析，与跟随气体的对流传质相叠加，建立了气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型，并进行了实验检验。实验在固定对流条件下，考察了不同气液相温度差导致的热泳、不同气相湿度差导致的扩散泳和颗粒粒径等因素对气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数的影响。实验数据统计值与模型表达趋势一致，在初始温差40℃、初始湿度0.118 kg/kg条件下，100排气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数模型预测值为3.33×10^-3 m/s、实验值为3.75×10^-3 m/s。     

燃煤电厂煤粉炉及CFB锅炉PM2.5产生及排放特性的现场实验研究

采用稀释采样方法对一台220 MW煤粉炉(锅炉A)及一台300 MW的CFB锅炉(锅炉B)电袋复合式除尘器前后PM_2.5进行现场采样。通过ELPI测定PM_2.5的粒径分布;采用SEM分析PM_2.5的显微结构;采用EDX及ICP-OES分别对分级PM_2.5中次量及痕量元素含量进行了检测。结果表明,锅炉A和B除尘前后对应的PM_2.5粒数及质量浓度分布均不同;锅炉A和B产生的PM_2.5分别以较为光滑球形和不规则形状为主,锅炉A除尘后PM_2.5呈表面粗糙球形,锅炉B除尘后PM_2.5单颗粒形貌特征不变;锅炉A和锅炉B产生的PM_2.5除尘前后在各粒径段中Si、Al、Fe、Ca和Mg含量基本一致,As、Cd和Se含量随着粒径的减小而增大;除尘后锅炉A产生PM_2.5中As和Se含量增加,且在亚微米PM_2.5中As和Se含量的增加更明显,锅炉B除尘后PM_2.5中As和Se含量基本不变。     

化学团聚促进电除尘脱除烟气中PM2.5和SO3

化学团聚技术是实现燃煤烟气超净排放的有效技术之一,采用燃煤热态实验系统,分析探讨化学团聚技术促进电除尘对PM_2.5和SO₃的脱除作用,考察了化学团聚剂添加前后细颗粒化学组分及粒径的变化,以及化学团聚室、电除尘出口PM_2.5和SO₃浓度变化,并分析促进PM_2.5和SO₃脱除的机理。结果表明：喷入化学团聚剂后,细颗粒粒径峰值由0.1 μm增大到3 μm左右,细颗粒化学组分基本保持不变;电除尘出口细颗粒物数量浓度由5.8×104 cm^-3降低到3.2×104 cm^-3,电除尘效率提高45%;烟气SO₃浓度由40 mg·m^-3提高到100 mg·m^-3时,单一化学团聚对SO₃的脱除效率由42%提高到68%,协同电除尘SO₃脱除效率由66%提高到86%。     

太原市元宵节期间PM2.5变化特征

利用PM_2.5在线监测仪、在线气体 / 气溶胶监测仪(Marga)、半连续热光分析仪(OCEC)、单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)分析了太原市 2020 年元宵节期间 PM_2.5质量浓度、组分变化特征及来源情况,研究表明,元宵节期间,PM_2.5浓度升高明显,由于太原市地形和风向原因,PM_2.5浓度变化呈现由南到北逐渐升高的特征,且南部点位峰值高于北部点位。在 PM_2.5组分分析中,SO₄^2-、NO₃^-、NH₄⁺二次离子的大量生成是 PM_2.5浓度升高的主要因素。PM_2.5在线来源解析结果表明,机动车尾气源、工业工艺源及二次无机源是最主要的污染物来源。烟花爆竹燃放分析结果表明,太原市南部点位及城乡结合部分点位受烟花爆竹燃放影响较为明显,烟花燃烧特征离子 Mg²⁺、Ba²⁺     

基于广义隐马尔可夫模型的PM2.5浓度预测

近年来,以PM_2.5为主要污染物的重霾污染事件频频发生,给我国国民经济和居民健康造成了严重损失。在空气质量尚未得到根本性改善的情况下,对重霾污染的准确预警不仅能使公众合理回避污染危害,还能为政府实施应急管理提供时间裕量。针对影响PM_2.5浓度的前体物及气象因素的非高斯分布特点以及传统隐马尔可夫模型（hidden Markov model,HMM）必须已知隐含状态个数的缺点,采用广义隐马尔可夫模型（generalized hidden Markov model,GHMM）对北京市除去定陵外的11个国控站点2013年1月～2017年1月的PM_2.5浓度进行了预测。结果表明：GHMM对严重污染及以上PM_2.5样本浓度预测准确率显著高于传统连续HMM,但针对中度污染及以下PM_2.5样本浓度的预测准确率接近传统HMM。     

气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型

基于气溶胶中PM2.5微细颗粒物拟流体特性,对气液交叉流阵列中PM2.5在气溶胶流体传热传质边界层内热泳和扩散泳运动进行拟传质机理分析,与跟随气体的对流传质相叠加,建立了气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型,并进行了实验检验。实验在固定对流条件下,考察了不同气液相温度差导致的热泳、不同气相湿度差导致的扩散泳和颗粒粒径等因素对气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数的影响。实验数据统计值与模型表达趋势一致,在初始温差40℃、初始湿度0.118 kg/kg条件下,100排气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数模型预测值为3.33×10~(-3)m/s、实验值为3.75×10~(-3)m/s。     

降膜阵列脱除工业尾气PM2.5效率研究

提出一种低压降、大通量、高效率降膜阵列式,利用废水废气交叉流界面脱除工业尾气中PM2.5技术。以含Al2O3粉末的气溶胶流体模拟工业尾气横掠20列×90排直径3mm的降膜阵列进行实验,结果表明降膜阵列脱除尾气PM2.5效率随降膜阵列传质面积增大而增大,随处理量的增大而降低。当体积流量为111.3m3/h,相应的尾气雷诺数为230时,传质面积为0.0942m2的单排降膜阵列脱除PM2.5的效率为0.794%,此工况下,传质面积为37.7m2的400排降膜阵列脱除PM2.5的理论效率可达95.8%。     

太原市2022年1月份PM2.5变化特征

利用 PM_2.5在线监测仪、在线气体 / 气溶胶监测仪(Marga)及单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)分析了太原市2022 年 1 月份 PM_2.5浓度、组分变化特征及其来源,研究表明,太原市 1 月份 PM_2.5平均质量浓度为 86 μg/m³,质量浓度变化呈现北部低南部高的特征。在 PM_2.5各组分中,二次生成离子 SO₄^2-、NO₃^-、NH₄⁺是最主要组分,占比为PM_2.5的 39.0%。PM_2.5在线来源解析结果表明,工业工艺源、燃煤源及二次无机源为最主要的污染物来源,研究显示,重点污染源主要来自于太原市的西南部。     

纤维对PM2.5过滤性能的影响

在日常的生产和生活排放的残留物中存在许多有毒的PM_2.5细颗粒物,对人体呼吸功能损害大,因此研究如何有效去除PM_2.5细颗粒物具有十分重要的意义。对不同尺寸“Y”形截面和圆形截面的单纤维丝对烟气中PM_2.5颗粒物的过滤性能进行实验,分析不同烟气流速和颗粒物浓度对颗粒物截留率的影响,进而研究纤维集合体在不同单丝线密度和孔隙率的条件下对烟气中PM_2.5颗粒物过滤性能的作用。结合Euler法和Lagrange法对上述单纤维丝和纤维集合体实验工况进行数值模拟,将其结果与实验数据进行对比发现实验与数值模拟结果吻合较好。研究结果表明,同一时刻“Y”形截面的单纤维丝比圆形截面单纤维丝对颗粒物截留率更高。对于纤维集合体,单丝线密度为0.27 tex和孔隙率为0.88工况下,纤维集合体对颗粒物PM_2.5的捕集性能最好。