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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

化学团聚促进电除尘脱除PM_(2.5)的实验研究

燃煤排放细颗粒物是大气环境PM2.5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PM2.5的实验研究。实验考察了团聚剂添加前后PM2.5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PM2.5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PM2.5之间的接触并促进团聚长大,PM2.5增大到原先的4倍左右,典型工况下电除尘器出口PM2.5浓度降低40%以上。增加团聚液浓度可促进PM2.5的脱除;适当降低团聚液pH有利于PM2.5的团聚。喷脱硫废水,电除尘器出口PM2.5浓度变化不大,加团聚剂后出口细颗粒物浓度降低。     

亲水改性碳钢极板用于PM_(2.5)脱除

火电厂大气污染物排放标准日趋严格,湿式静电除尘器作为终端治理设备逐渐得到广泛应用。以亲水改性刚性极板为研究对象,建立了卧式湿式静电除尘器中试实验台,开展了PM2.5脱除特性的实验研究,研究了改性极板表面水膜增强颗粒物脱除效率的机制,考察了气体温度、停留时间、工作电压、初始浓度、冲洗水流量等主要运行参数对颗粒物脱除效率的影响规律。结果表明:改性刚性极板表面的纤维层可以减少反冲气流,减少颗粒的电迁移阻力;表面在小水量情况下亦可维持均匀稳定的水膜,水膜的存在抑制了反电晕和二次扬尘的发生,使得电晕电流高且水膜蒸发使烟气湿度提高,颗粒荷电量和电迁移速度提高,这两方面均提高了颗粒脱除效率。停留时间延长、工作电压提高均会引起颗粒脱除效率的增加,但颗粒物入口浓度、冲洗水流量对颗粒脱除效率影响不大。使用改性刚性极板的湿式静电除尘器可减少阳极冲洗水量,对粒径0.04~0.48μm的颗粒有较高脱除效率,可在低电压下达到较高的颗粒物总脱除效率,具有较好的应用前景。     

余热回收喷淋塔的烟气颗粒物脱除特性研究

喷淋塔喷淋低温水可回收烟气余热和净化烟气。以喷淋塔为研究对象，建立喷淋塔内气-液热质交换、颗粒物异质凝结增长与脱除模型，探究余热回收喷淋塔内烟气颗粒物脱除机理，研究不同工况下颗粒物脱除特性。结果表明：当烟气入口温度50℃、入口相对湿度100%、水气比2 L/m³、喷淋水温20℃、喷淋水滴粒径550μm时，在喷淋塔下半部区域，水滴主要靠热泳与扩散泳捕集亚微米级颗粒物；随着水蒸气在亚微米级颗粒物表面凝结，在喷淋塔上部区域，惯性碰撞为水滴捕集亚微米级颗粒物的主要机制。提高水气比、降低喷淋水温、减小液滴粒径、增大气液两相温差及水汽饱和度均可提高喷淋塔内颗粒物脱除效率，其中水气比为2.5 L/m³，喷淋水温为10～15℃，可实现较好的颗粒物脱除效果。     

温度梯度场内可吸入颗粒物运动特性及热泳沉积

对温度梯度场内垂直管中可吸入颗粒物在湍流工况下的运动特性和热泳沉积规律进行了实验研究,使用颗粒动态分析仪（PDA）在线测量了颗粒物在管道截面上的速度和浓度分布。重点研究了主流与水冷壁面的温差对粒径范围0～2.5 μm颗粒（PM2.5）的运动和沉积的影响,得到其沉积效率。结果表明,湍流扩散作用使颗粒在近壁面富集,而热泳力是PM2.5在冷壁面上发生沉积的最主要因素。得到了PM2.5热泳沉积的半经验公式,计算值与实验结果较为接近。     

湍动扩散及温度场耦合下气液交叉流脱除PM_(2.5)的数值研究

采用随机轨道模型对湍动扩散及温度场耦合下的气液交叉流系统进行了数值模拟,考察了气液相温差、气速、粒径等因素对除尘效率的影响。结果表明,热泳作用对脱除率的影响较小。对10排45根错列排布的液柱群,当气液相温差由0℃变化到50℃时,脱除率由15.11%增加到了15.50%;惯性碰撞和湍流扩散为颗粒被脱除的主要因素,降低气相速度可使脱除率增加。当气速从0.5 m·s~(-1)到1.0m·s~(-1)时,脱除率从21.75%减小到15.11%。     

错排降膜阵列气液交叉流界面捕集PM2.5的传质类比模型

根据气溶胶颗粒拟流体性质提出了气液交叉流界面捕集PM2.5的传质类比模型.分析了颗粒Schmidt数及其指数m对气溶胶流体传热传质类比的影响机理.以常用的横掠错排管束对流传热Nu方程为基础,导出了横掠错排降膜阵列PM2.5传质Sherwood数方程,由此建立了以m为模型参数的PM2.5捕集效率预测模型.用横掠20列×90排ø3 mm降膜阵列PM2.5捕集效率实测数据回归获得m值为0.808.在Reynolds数50～650的范围内,模型预测传质Sh与实测值误差在±20%之内.     

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。     

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。     

亲水改性碳钢极板用于PM2.5脱除

火电厂大气污染物排放标准日趋严格,湿式静电除尘器作为终端治理设备逐渐得到广泛应用。以亲水改性刚性极板为研究对象,建立了卧式湿式静电除尘器中试实验台,开展了PM_2.5脱除特性的实验研究,研究了改性极板表面水膜增强颗粒物脱除效率的机制,考察了气体温度、停留时间、工作电压、初始浓度、冲洗水流量等主要运行参数对颗粒物脱除效率的影响规律。结果表明：改性刚性极板表面的纤维层可以减少反冲气流,减少颗粒的电迁移阻力;表面在小水量情况下亦可维持均匀稳定的水膜,水膜的存在抑制了反电晕和二次扬尘的发生,使得电晕电流高且水膜蒸发使烟气湿度提高,颗粒荷电量和电迁移速度提高,这两方面均提高了颗粒脱除效率。停留时间延长、工作电压提高均会引起颗粒脱除效率的增加,但颗粒物入口浓度、冲洗水流量对颗粒脱除效率影响不大。使用改性刚性极板的湿式静电除尘器可减少阳极冲洗水量,对粒径0.04～0.48 μm的颗粒有较高脱除效率,可在低电压下达到较高的颗粒物总脱除效率,具有较好的应用前景。     

气液交叉流系统除尘效率分析及其数值模拟

对采用以水为介质吸收含尘气体中颗粒物的气液交叉流系统（GLCA）进行实验研究,考察了气速、液柱排布方式、粒径等因素对脱除率的影响。结果表明,随着液柱比表面积和颗粒粒径的增加,脱除率逐渐上升;在实验条件下气速对脱除率影响较小。在最优液柱排布方式下,经过162单元液柱排后,粒径为0.2、1、10 μm的颗粒分别取得了37.3%、43.9%、99%的脱除率。给出了用于外推计算分级效率和压降随单元液柱排数变化的公式,当粒径为0.4 μm的颗粒预测脱除率达到95%时系统的总压降不超过300 Pa。采用大涡模型对最优工况进行数值模拟,模拟结果与实验数据吻合良好,以此验证了所给脱除率计算公式。     

气液交叉流系统除尘效率分析及其数值模拟

对采用以水为介质吸收含尘气体中颗粒物的气液交叉流系统(GLCA)进行实验研究,考察了气速、液柱排布方式、粒径等因素对脱除率的影响。结果表明,随着液柱比表面积和颗粒粒径的增加,脱除率逐渐上升;在实验条件下气速对脱除率影响较小。在最优液柱排布方式下,经过162单元液柱排后,粒径为0.2、1、10μm的颗粒分别取得了37.3%、43.9%、99%的脱除率。给出了用于外推计算分级效率和压降随单元液柱排数变化的公式,当粒径为0.4μm的颗粒预测脱除率达到95%时系统的总压降不超过300 Pa。采用大涡模型对最优工况进行数值模拟,模拟结果与实验数据吻合良好,以此验证了所给脱除率计算公式。     

膜气吸收法分离烟气中CO2的实验

采用聚丙烯中空纤维膜接触器,分别用去离子水、单乙醇胺（MEA）及N-甲基二乙醇胺（MDEA）水溶液作为吸收剂,对模拟烟气中的CO2分离进行了试验研究.考察了气体流速、入口气体中CO2体积分数、吸收剂流速、吸收剂浓度以及吸收剂种类等因素对CO2脱除率和总传质速率的影响.实验结果显示：3种吸收剂分离CO2的效率由大到小依次为MEA、MDEA、去离子水;CO2的脱除率和传质通量随吸收剂浓度、流速的提高均增加;CO2的脱除率随气体流速和CO2在入口气体中体积分数的增大而减小,而传质速率却随之增加.系统长时间运行后发现存在膜孔润湿现象,进而影响膜的传质性能.因此,吸收剂浓度须在传质和长时间运行性能之间进行权衡.     

湿式相变冷凝除尘技术对微细颗粒物的脱除研究

为实现微细颗粒物的有效脱除,采用Mastersizer 2000激光粒度仪和低压撞击器对颗粒物进行粒径分析,研究湿式相变冷凝除尘系统对颗粒物的凝聚、脱除性能;通过数值模拟定性考察颗粒物的凝聚作用,预测湿式相变冷凝除尘技术的除尘效果。结果表明,湿式相变冷凝除尘装置入口颗粒物为峰值2.5μm的单峰分布,中间颗粒物为峰值2和30μm的双峰分布,且大颗粒所占比例高于小颗粒,说明存在显著的颗粒物凝并过程。湿式相变冷凝除尘系统对PM10以下的微细颗粒物有较好的脱除效果,各粒级颗粒物的脱除效率均大于70%,0.1~1μm颗粒物脱除效率在85%以上,明显优于传统除尘设备,表明凝并机制使系统对颗粒物有良好的适应性。流场模拟结果显示管排的存在对流场有明显扰动,可促进微细颗粒物的凝并。     

电除尘器飞灰粒径表征及细颗粒降温团聚

基于50000m³/h实烧烟气中试系统,采用Mastersizer 2000E激光粒度分析仪和电子低压冲击仪（ELPI）,首次对电除尘器飞灰几何粒径和空气动力学粒径进行全面表征。结果表明,电除尘器入口及各电场的飞灰几何粒度分布均呈双峰分布特征,各电场峰值依次右移,但末级旋转电极电场≤ 1μm的颗粒占比略有升高,电除尘器入口及第1～5电场飞灰几何中位径分别为6.607μm、17.378μm、2.884μm、2.577μm、2.460μm、2.480μm;温度降低,电除尘器入口飞灰几何粒度分布的双峰均右移,颗粒团聚现象明显,80℃、90℃、110℃、130℃、150℃时电除尘器入口飞灰几何中位径分别为13.183μm、10.500μm、10.171μm、6.607μm、7.586μm,从130℃降至90℃,电除尘器入口几何粒径≤ 1μm、≤ 2.5μm、≤ 10μm的飞灰占比分别减少了19.8%、19.2%、12.6%;不同温度时,电除尘器对空气动力学粒径0.03～10μm段颗粒的个数浓度、质量浓度均有较高脱除效率,均在75%以上,最高可达99.9%;温度降低,电除尘器进出口空气动力学粒径不同粒径段颗粒个数浓度和质量浓度均有不同程度降低,从130℃降至90℃、80℃,对应电除尘器入口PM_2.5团聚效率分别为46.76%、60.08%,对应电除尘器出口PM₁₀减排分别为59.80%、91.08%,PM_2.5减排分别为45.94%、76.22%,PM1减排分别为40.40%、62.12%。