张军亚 李海英 刘绍谦 张妍妍 路 灵 刘吉恺

(1.华北理工大学冶金与能源学院,河北 唐山 063210;2.山东华宇工学院能源与建筑工程学院,山东 德州 253034)

钢铁行业作为我国传统工业具有规模大、产量高的特点。近年来,我国的钢铁产量已超过10亿t。钢铁生产过程中转炉、高炉、烧结等工序产生大量以细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)为主的微细粉尘,对大气环境造成了严重的影响。这些微细粉尘比表面积高,易吸附重金属、多环芳烃等有害成分;体积小,易随呼吸进入身体,对人类健康产生很大危害[1-3]。当前捕集钢铁微细粉尘主要采用布袋、静电除尘器等除尘设备,综合捕集效率可达99.5%,但对PM2.5的捕集效率较低[4]。为能有效去除微细粉尘,在除尘设备前安装预处理装置,使微细粉尘在物理、化学作用下团聚形成较大颗粒,可大大提高微细粉尘去除效率。

当前在我国钢铁生产中采用烟气预处理技术去除微细粉尘还少有研究,该技术主要在化工、火力发电等方面进行了应用研究,如声波团聚、蒸汽相变(液化冷凝)团聚、化学团聚、扰流团聚等技术[5-8]。其中,化学团聚和扰流团聚技术由于成本低、安装方便、系统可靠性高等优点,近年来受到广泛关注[9]。化学团聚技术指通过喷洒团聚剂液滴促进对粉尘颗粒的捕捉与黏附的技术。扰流团聚是指颗粒在扰流流场中由于速度和运动轨迹的不同而发生碰撞团聚的现象。HU等[10]采用密度泛函理论探究水、果胶和海藻酸钠与粉尘颗粒组成的各种团聚体作用机理,证实了团聚剂对静电场除尘有明显的促进作用。LIU等[11]探究了高分子团聚剂对微细粉尘去除效果的影响,发现高分子团聚剂使粉尘颗粒的峰值粒径增加到原来的4倍以上。GUO等[12]通过实验证明了两种不同的化学团聚溶液具有协同作用,混合团聚剂的捕集效率高于单独团聚剂。申奥等[13]通过数值模拟发现,扰流柱可影响团聚室中的流场分布,从而达到粉尘团聚的效果。王国昌等[14]通过模拟探究了扰流柱形状对流场扰动效果的影响,发现“V”形扰流柱对流场的扰动效果好。

为更好提高微细粉尘的捕捉效率,协同团聚[15]技术越来越受到关注。因此,本研究针对转炉烟气的微细粉尘,探索研究化学团聚与扰流团聚协同作用对烟气中微细粉尘的去除效果。

1 实验方法

1.1 实验装置及过程

粉尘团聚实验装置如图1所示。空气经预热器加热至(100±10) ℃进入鼓风机,携带着给粉机的灰尘进入缓冲罐搅拌,微细粉尘和空气混合形成的气溶胶进入团聚室,在团聚剂液滴的黏附和涡流扰动的共同作用下微细粉尘团聚形成较大颗粒。团聚室的末尾处设有烟气采样器,采集样品通过激光粒度分析仪(Mastersizer2000)检测,其余废液流入专门的收集装置。由于烟气流速不同,气溶胶总体质量浓度为200～300 mg/m3。团聚室(1 000 mm×200 mm×200 mm)为棱柱结构,内部的圆形扰流柱直径为40 mm,“V”形扰流柱边长为35 mm、夹角为90°,两种扰流柱交错排列。在距离顶部50 mm处设置喷雾系统,雾化压力为0.5 MPa,雾滴直径≤30 μm,其两侧为不锈钢材质的锥形进出口。

所有数据均为环境条件下稳定运行3次的平均值,并根据团聚前后粉尘的体积分数计算相应的捕集效率。

1.2 实验材料

实验用微细粉尘取自唐山某钢厂转炉干法除尘系统。

团聚剂:黄原胶(XTG)与魔芋胶(KGM)复配溶液黏度较高[16],通过单一化学团聚实验选取了效果较好的复配比(XTG、KGM质量比为3∶7)。另外,为增加溶液对粉尘的润湿效果,以0.5 g/L十二烷基硫酸钠为湿润剂。

2 结果与分析

2.1 转炉粉尘特性分析

转炉烟气粉尘主要来自3个方面:(1)钢铁冶炼过程中向熔池吹氧,发生各种化学反应,由于此时温度较高,会使一部分铁及铁氧化物蒸发,形成烟气;(2)喷射和喷溅会使炉气中携带一些固态物质,组成转炉粉尘;(3)下料过程中的一些粉末、灰尘(如白灰、白云石、萤石等)也会随炉气进入烟气,形成转炉粉尘。原始粉尘粒径分布如图2所示。微细粉尘粒径主要分布在0～60 μm,呈单峰分布;峰值粒径是10.74 μm,占比为5.24%;PM2.5、PM10的体积分数分别为22.54%、61.10%。

图2 原始粉尘粒径分布Fig.2 Distribution diagram of original dust particle size

2.2 扰流柱纵向距离对团聚效果的影响

单一团聚实验发现:当扰流柱横向距离为6 cm、团聚剂质量浓度为1.00 g/L、烟气流速为10 m/s时,微细粉尘的捕集效率较高。没有额外说明变量,协同团聚实验以此为基础进行。调节扰流柱纵向距离为6～10 cm,纵向距离对微细粉尘捕集效率的影响如图3所示。随着扰流柱纵向距离的增大,PM2.5和PM10的捕集效率呈先增后减的趋势,当纵向距离为8 cm时,PM2.5、PM10捕集效率最高,分别为86.47%、91.28%。分析原因:纵向距离影响着扰流柱产生的旋涡强度。当纵向距离较短时,扰流柱布置较紧凑,扰流柱后面的旋涡结构会被其后的扰流柱破坏,气流扰动只存在扰流柱周围,扰流柱下游扰动强度较弱,不利于粉尘间的碰撞;当纵向距离较长时,扰流柱后面的旋涡结构强度会削弱,使前后两个扰流柱产生的旋涡结构还未发生耦合作用,便已消散,导致碰撞效率降低[17]38。之后实验控制扰流柱的纵向距离为8 cm。

图3 纵向距离对微细粉尘捕集效率的影响Fig.3 The effect of longitudinal distance on the capture efficiency of fine dust

2.3 扰流柱横向距离对团聚效果的影响

调节横向距离为3～8 cm,横向距离对微细粉尘的捕集效率的影响如图4所示。随着扰流柱横向距离的增加,微细粉尘的捕集效率先增后减,当扰流柱横向距离为6 cm时,微细粉尘的捕集效率达到最高。分析原因:较小的横向距离会使同一水平的两个扰流柱后的旋涡结构发生干扰,扰流柱周围的气流速度突变,下游的扰动强度较低,不利于粉尘颗粒和团聚剂液滴的卷吸、碰撞;当横向距离较大时,两个“V”形扰流柱紧靠团聚室壁面,大量微细粉尘从扰流柱中间逸出,使粉尘与液滴碰撞效率较低,影响团聚效果[17]39。

图4 横向距离对微细粉尘捕集效率的影响Fig.4 The effect of transverse distance on the capture efficiency of fine dust

2.4 烟气流速对团聚效果的影响

控制烟气流速为6～12 m/s,烟气流速对微细粉尘捕集效率的影响如图5所示。随着烟气流速增加,微细粉尘的捕集效率先增后减,当烟气流速为9 m/s时,PM2.5和PM10的捕集效率分别达到88.69%、93.32%。分析原因:随着烟气流速的增加,流场内的液滴与颗粒速度增加,速度梯度也增加,而且流场中的雷诺数增加,扰流强度增大,使得扰流团聚核函数增加,促进粉尘颗粒与团聚剂液滴的碰撞,从而提升粉尘的团聚效果[18]。但过大的烟气流速,使团聚室内的粉尘颗粒与液滴停留时间缩短,导致许多粉尘和液滴还未充分接触,就已随主流排出,最终使粉尘的团聚效果降低[19]。之后实验控制烟气流速为9 m/s。

图5 烟气流速对微细粉尘捕集效率的影响Fig.5 The effect of smoke velocity on the capture efficiency of fine dust

2.5 团聚剂浓度对团聚效果的影响

控制团聚剂质量浓度为0.50～1.50 g/L,团聚剂质量浓度对微细粉尘捕集效率的影响如图6所示。随着团聚剂浓度的增大,PM2.5和PM10的捕集效率先升后降。分析原因:当团聚剂浓度较低时,溶液中的团聚剂分子少,黏度也低,不利于对粉尘的黏附与捕捉,团聚剂浓度过高,导致溶液黏度和分子间作用力增加,不利于团聚溶液雾化[20];另外,随着溶液中团聚剂分子的数量迅速增加,聚合物分子数量对碰撞概率的影响相应减弱,而且较多的团聚剂分子的吸附位点会相互吸附,不利于对粉尘的捕捉[21]。

图6 团聚剂质量浓度对微细粉尘捕集效率的影响Fig.6 The effect of agglomeration agent mass concentration on the capture efficiency of fine dust

2.6 微细粉尘的团聚效果

微细粉尘在协同团聚的流场中主要依靠扰流柱的扰动作用和化学团聚剂的黏附碰撞作用。为探究这些因素对微细粉尘的捕集效果,分析化学、扰流、协同团聚作用后微细粉尘的粒径分布情况。经过扰流、化学、协同团聚技术处理后,微细粉尘粒径的峰值从10.74 μm分别提高到28.25、85.32、220.41 μm(见图7);PM2.5的捕集效率分别达到30.88%、51.46%和88.69%,PM10的捕集效率分别达到34.53%、53.13%和93.32%。在扰流团聚过程中,粉尘颗粒随气流通过扰流柱时,较小的颗粒很快通过动量传递并获得动量,较大的颗粒具有较长的弛豫时间,颗粒的速度变化率增加,发生相对运动,从而依靠较薄弱的范德华力发生团聚,但团聚较松散。在化学团聚过程中,粉尘颗粒会与化学团聚剂液滴在短时间内碰撞,很快两者会流速一致,从而导致团聚剂液滴对粉尘的捕集效果较差。协同团聚过程弥补了两者的不足之处。扰流装置与团聚剂液滴间的相互作用对于微细粉尘的碰撞与团聚发挥耦合作用。

图7 不同团聚技术对粉尘的作用效果Fig.7 Effect of different agglomeration technologies on dust

通过扫描电镜观察不同团聚作用后粉尘表面变化,结果如图8所示。团聚前的粉尘颗粒大多为表面光滑的球形,较大颗粒间的黏结几乎没有,只有部分粒径小于1 μm的颗粒间发生吸附。经过扰流作用后,颗粒间依靠分子间作用力进行吸附,颗粒间的黏附有了明显的增加,一些大颗粒表面吸附了一些小的颗粒,但此时结构也较松散。小于1 μm的粉尘颗粒在链状团聚剂的捕捉作用下,大量黏附在较大颗粒表面,形成的结构也较牢固。协同团聚后,可看到许多吸附了大量粉尘颗粒的络合结构,形成结构牢固的体积较大的团聚体。

图8 不同团聚作用下微细粉尘的电镜图像Fig.8 SEM of fine dust under different agglomeration

3 结 论

(1) 扰流柱的纵向距离和横向距离分别影响着流场中的涡流强度和流速分布。距离过大或过小,都会使涡流强度较弱,不利于粉尘颗粒与团聚剂液滴的碰撞。当纵向距离为8 cm、横向距离为6 cm时,扰流柱周围气流速度大,粉尘团聚效果最优。

(2) 烟气流速的增加会使粉尘颗粒与液滴相对速度增加,流场中的扰动增加,但烟气流速过高,会使粒子在流场中的停留反应时间缩短,最终得出最佳烟气流速为9 m/s。

(3) 随着团聚剂浓度的增加,粉尘的捕集效率不断增大,但超过1.00 g/L时,溶液的雾化效果降低,对粉尘的捕捉效果也会降低,最优条件下得出PM2.5和PM10的捕集效率分别为88.69%和93.32%。

(4) 在化学与扰流协同团聚过程中,扰流装置中的微细粉尘与团聚剂液滴间的相互作用对于微细粉尘的团聚和生长中起着重要作用。协同团聚可明显提高微细粉尘的团聚效果。