添加剂和湿法除尘主要参数对炭黑去除效率的影响

添加剂和湿法除尘主要参数对炭黑去除效率的影响

周杨鑫,李彩亭*,路培,蔡志红,谢旭文,张巍

环境生物与控制教育部重点实验室,湖南大学环境科学与工程学院,长沙 410082

摘要：选取十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、月桂醇聚氧乙烯(9)醚(AEO-9)和壬基酚聚氧乙烯醚(OP-10)4种表面活性剂配制成吸收液,采用伞形罩洗涤器对燃煤窑炉黑烟进行湿法除尘净化实验,探讨添加剂种类、入口含尘浓度(Cin, g?m-3)、入口风速(u,m?s-1)和液气比(L/G, L?m-3)参数的不同对炭黑(BC)去除效率(η,%)的影响,结合压降(ΔP,Pa)的变化提出高效脱黑的可行方案.结果表明，在实验条件同为Cin=2 g?m-3、u=12 m?s-1和L/G=0.2 L?m-3下,4种吸收液脱黑效果差别不大,AEO-9吸收液具有略明显的优势,炭黑去除效率可达到99.5%(0.06mmol?L-1,AEO-9);在u=12 m?s-1和L/G=0.2 L?m-3条件下,Cin=5 g?m-3时更利于洗涤器对黑烟的净化,AEO-9吸收液的炭黑去除效率近乎100%,ΔP变化不大;入口风速的变化对炭黑去除效率和压降的影响比较明显,当Cin和L/G分别为2 g?m-3,0.2 L?m-3时,最佳入口风速为12 ~14 m?s-1,炭黑去除效率保持在99%以上;最佳操作液气比可控制在0.2 ~0.4 L?m-3. 关键词： 黑烟；伞形罩洗涤器；表面活性剂；炭黑去除效率 文章编号： 中图分类号： 文献标识码：A

Effects of surfactants and main parameters of wet dust removal on removing efficiencies of black carbon.

ZHOU Yangxin, LI Caiting*, LU Pei, CAI Zhihong, XIE Xuwen, ZHANG Wei

Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control(Ministry of Education), College of Environmental Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410082

Abstract: Four absorption liquids were prepared by surfactants of CTAB、SDBS、AEO-9 and OP-10, respectively. The purification of black smoke from coal-burning ceramic kilns were carried out with an umbrella plates scrubber. The effects on removing efficiency of black carbon (BC) by the inlet dust concentration (Cin), inlet flue gas velocity (u) and liquid-gas ratio (L/G) were studied using different absorption liquids, meanwhile, the feasible scheme of high removing efficiency was presented in consideration of pressure drop. Experimental results showed that the removing efficiency of BC were slightly affected by absorption liquid when Cin=2 g?m-3, u=12 m?s-1 and L/G=0.2 L?m-3, however, the absorption liquid of AEO-9 had slight higher BC purifying property among the four absorption liquids ,with which the removing efficiency of BC was about 99.5% when its concentration was 0.06mmol/L. Furthermore, when u=12 m?s-1 and L/G=0.2 L?m-3, 5 g?m-3, the inlet dust concentration, was more suitable to the purification of BC, and the removing efficiencies of BC was nearly 100% using the absorption liquid of AEO-9 with less ΔP. The removing efficiencies of BC and pressure drop were greatly affected by the inlet-velocity. When Cin=2 g?m-3 and L/G=0.2 L?m-3, removing efficiencies of BC could reach 99% (u=12~14 m?s-1). Moreover, optimum operation of L/G in those experiments was 0.2 ~0.41 L?m-3.

基金项目：国家自然科学基金(No.50878080);长沙市科技重大专项(No.K0902006-31)

Supported by the National Natural Science Foundation of china(No.50878080) and the Key Scientific and Technological special project of Changsha City in China(No. K0902006-31) 作者简介：周杨鑫(1986－), 女; *通讯作者(责任作者), E-mail: ctli@hnu.edu.cn

Bigrophy: ZHOUYangxin(1986－), female; *Corresponding author, E-mail: ctli@hnu.edu.cn

Keywords: black smoke；umbrella plate scrubber；surfactants；removing efficiency of BC

1 引言（Introduction）

黑烟是煤烟型大气污染物之一（管诗骈等, 2003; 魏先勋等, 2000）,其主要成分-炭黑,粒径不足1μm, 常以聚集体形式(魏凤等, 2005)悬浮于空气中,颗粒表面附着油状物质,容易吸附重金属和有毒物质,人体长期接触会导致支气管炎,肺气肿等呼吸系统不同部位发生各种病变（Finkelman et al., 2002 ; Finkelman, 2004; Chen et al., 2004; Liu et al., 2007）.湿法除尘净化技术成熟,工艺简单且运行稳定,是目前国内烟气净化的主要技术,炭黑颗粒粒径微小(Jerzy, 2002), 且呈疏水性难溶于水, 故多数燃煤炉窑采用湿法除尘排放烟气黑度仍然达不到标准（郭欣等, 2008; 李彩亭等, 2004a）.有研究表明添加表面活性剂的湿法可以使炭黑去除效率获得较大提高(镇祥华, 2004; 徐燕莉, 2000),复配后的表面活性剂溶液对炭黑的去除则具有更为理想的效果（Indrek et al., 2003）.

本研究选用CTAB(阳离子型),SDBS(阴离子型),AEO-9和OP-10(非离子型)4种表面活性剂分别配制成单一吸收液,采用专利技术伞形罩脱硫除尘洗涤器（李彩亭等, _2004b）对黑烟发生装置模拟放出的烟气进行净化实验研究. 目前烟气排放标准日益严格,当燃煤窑炉黑烟浓度较高时,除尘效率很高净化后的烟气含尘浓度和黑度仍可能会超标,添加表面活性剂不但能够有效润湿烟气中的炭黑,一定程度上提高除尘效率,而且可以起到混凝作用,使得炭黑在废水中易于凝并成团,从废水中将其分离出来,便于废水的循环利用,且表面活性剂的用量非常小,适于工业应用推广.本文不仅对比了表面活性剂种类,浓度对炭黑去除效率的影响,还结合装置的阻力损失讨论了入口含尘浓度、入口风速和液气比3种湿法除尘的重要参数对炭黑去除效率的影响,深入分析产生差异的原因,提出可行的高效脱黑方案,为燃煤烟气的高效净化提供参考.

2 材料和方法（Materials and methods）

2.1 材料

炭黑取自湖南醴陵某陶瓷制品厂燃煤窑炉烟道中,含碳、氢、氧、硫等元素,其物理化学性能为:堆密度337.69kg/m3,安息角45°.由图1可见,经BT-9300H型激光式粒度分布仪测试炭黑粒径符合罗辛-拉姆勒粒径分布(郝吉明等, 2002) ,分布指数n=2.59,中位粒径为2.33μm.由图2看出,炭黑多以聚集体形式的大颗粒存在且粒径分布较为均匀.

图1 炭黑的罗辛-拉姆勒(R-R分布)

Fig.1 Rosin-Rammler distribution of black carbon

图2 炭黑的SEM照片 Fig.2 SEM image of black carbon

实验试剂: CTAB和SDBS为分析纯, AEO-9和OP-10为化学纯. 2.2 实验装置

实验装置如图3所示,主体设备是伞形罩洗涤器. 工艺流程:(1)气路 从发尘装置放出的黑烟通过进气管道进入伞形罩洗涤器,与自上而下喷洒的吸收液逆流接触,净化后的气体由引风机抽出排放.(2)浆路 用泵将循环水池内的吸收液送入洗涤器内,与模拟黑烟逆流接触后从洗涤器下端排到循环水池中,可再循环使用（吴忠标等, 2000）.

36ΔP511P4103217891.发尘装置2.进气管道3.烟尘采样仪4.伞形罩洗涤器5.数字压力计6.出气管道7.引风机8.循环水池9.泵10.流量计11.压力表图3 实验装置示意图

Fig.3 Flow scheme of experimental equipment

1.喷淋液回收段 2.伞形罩下部 3.伞形罩上部 4.喷嘴 5.进液管 6.除雾器 7.出气管道 8.烟气脱水段 9.吸收液喷淋段10.烟气净化段 11.进气管道

图4 伞形罩洗涤器示意图

Fig.4 Schematic diagram of umbrella plate scrubber

伞形罩洗涤器(图4)内发生两次气液两相逆向吸收过程（李珊红, 2008）,伞形罩分上下两部分反方向放置,喷出的吸收液首先在上部伞形罩形成伞状液膜,随罩层向下流动,面积逐渐扩大,与黑烟逆向接触,到达上下部连接处时,形成的液膜面积最大;液膜继续在下部倒置伞形罩层流动,面积逐渐减小,黑烟再次与吸收液正面相撞,吸收后的液体经罩孔流出,净化后的气体经除雾器脱水后由出气管离开. 2.3 实验方法

配制实验所需浓度的表面活性剂吸收液,启动实验装置,待装置运转状态稳定后由

发尘装置发出黑烟,分别在进气管道和出气管道的测试点处使用烟尘平行采样仪(TH-880VI型,武汉市天虹智能仪表厂)采样5min, 并同时使用微电脑数字压力计(SYT-2000型,上海贵谷仪表设备有限公司)测量装置压降ΔP,采样前后的玻璃纤维滤筒均放入干燥箱(FN101-1A型,长沙仪器仪表厂)至恒重.

控制相应的实验条件,以不同浓度的表面活性剂溶液作为吸收液进行湿法除尘净化实验,所选浓度和相应实验条件列于表1.

表1表面活性剂对炭黑去除效率的影响的实验方案

Table 1 The experimental program of influence on removing efficiency of BC for surfactants 表面活性剂名称 CTAB/SDBS AEO-9/OP-10

添加剂浓度/（mmol?L-1）

0.2, 0.4, 0.6, 0.8 0.02, 0.04, 0.06, 0.08

实验条件 Cin=2 g?m-3 u=12m?s-1 L/G=0.2L?m-3

分别以含尘浓度,入口风速,液气比作为变量,控制其它实验参数,选用最佳浓度的CTAB、SDBS、AEO-9和OP-10吸收液,进行炭黑去除效率对比实验,所选参数,实验条件以及吸收液浓度见表2.

表2湿法除尘主要参数对炭黑去除效率的影响的实验方案

Table 2 The experimental program of influence on removing efficiency of BC for main parameters 参数名称/单位 含尘浓度/g?m-3 入口风速/m?s-1 液气比 / L?m-3

所选变量

吸收液浓度 /（mmol?L-1） CTAB=0.2; SDBS=0.2; AEO-9=0.03; OP-10=0.02 CTAB=0.2; SDBS=0.2; AEO-9=0.03; OP-10=0.02 CTAB=0.2; SDBS=0.2; AEO-9=0.03; OP-10=0.02

实验条件 u=12 m?s-1, L/G=0.2L?m-3 Cin=2 g?m-3, L/G=0.2 L?m-3 Cin=2 g?m-3, u=12 m?s-1

1, 3, 5, 7, 9 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0

2.4 炭黑去除效率的计算方法

炭黑去除效率的计算方法（微电脑烟尘平行采样仪TH-880 VI型使用说明书:13~14）如下:

入口采样标况体积(Vnd1,Nm3)为:

Vnd1?V1?273Ba?Pr1 (1) ?273?tr1101325入口采集炭黑浓度(C1,mg?Nm-3)为:

C1??m1mb?ma? (2) Vnd1Vnd1出口采样标况体积(Vnd2,Nm3)为:

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