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激光煙塵,煙霧,異味凈化器
發表時間:2019-07-29     閱讀次數:56     字體:【

焊接煙塵中微細顆粒和有毒氣體凈化處理的需要,提出動態膜凈化技術。主要根據動態膜與煙塵發生碰撞、濕潤、黏附來實現煙塵的凈化,通過實驗分別考察裝置進氣方式(上進風、下進風)、入口風速大小、細化網數量對微細顆粒和有毒氣體處理效果的影響。實驗結果表明:下進風對煙塵顆粒和CO的去除率始終比上進風時高;當進氣為下進風、風速達到32.5m/s,安裝兩層細化網時去除效果達到最佳,煙塵顆粒去除率達到98%左右,CO去除率達到96%左右。通過理論分析與實驗驗證表明:動態膜凈化技術對焊接煙塵能起到較好的凈化效果,可為煙塵凈化的工業化應用提供參考。

焊接煙塵是一種危害較大的工業廢氣,含有微細顆粒和有害氣體(包括一氧化碳、臭氧、氧化氮、氟化物及氯化物等),不僅會對人體健康造成巨大傷害,而且還會對環境造成嚴重的污染[1-4]。從20世紀開始,人們就已著力于研究焊接煙塵的各種凈化方法和技術。現今,我國的部分企業,特別是大中型企業,已使用一些除塵設備,如布袋除塵器、重力沉降室和電除塵[5-6]等。

國外對煙塵污染研究開始較早,處理技術相對先進、成熟,目前常用的煙塵凈化方法包括慣性分離法、靜電沉積法、液體洗滌法、織物過濾法、蜂窩沉積法、光解油煙凈化法、等離子體凈化、復合法等,主要的除塵設備有慣性除塵器[7]、離心除塵器[8]、水膜式除塵器[9-10]、文丘里管除塵器、顆粒層除塵器[11-12]等。

總體而言,現有的焊接煙塵凈化處理技術對大顆粒煙塵都具有較好的除塵效率,一般能達到95%以上,而對小顆粒煙塵和有害氣體去除效果卻很差。為了解決現有除小顆粒煙塵技術存在的不足,本文在動態膜凈化特征的研究基礎上,針對性地提出了可凈化小顆粒煙塵和有害氣體的動態膜煙塵凈化技術,利用動態膜產生、成長、破碎的整個生命周期對其進行吸附凈化。實驗研究了進氣方式(上進氣、下進氣),入口風速,細化網數量等參數對煙塵凈化效果的影響,在相同工況下測定了煙塵顆粒和CO去除率的實驗誤差。

1 動態膜捕捉機理及傳質方程

1.1 動態膜捕捉原理

動態膜的形狀是不規則的,它受時間、氣流、動態膜數量等因素影響,為了研究方便,將動態膜和煙塵顆粒的形狀均視為球體。

動態膜對煙塵顆粒的捕捉分為兩部分,第1部分是動態膜內壁對煙塵顆粒的捕捉,如圖1所示,動態膜在形成時將煙塵包裹在其內部,在布朗運動的作用下煙塵顆粒不斷與動態膜內壁發生碰撞,并被內壁黏附捕捉,從形成到破裂,動態膜內壁都在不斷對煙塵進行捕捉。第2部分是動態膜外壁對煙塵顆粒的捕捉,如圖2所示,外壁主要捕捉動態膜破裂后釋放出的煙塵。煙塵在動態膜外運動時在動態膜的周圍形成一束空氣流線,煙塵顆粒的運動軌跡與該流線重合。為了便于研究,外壁捕捉煙塵時將動態膜視為固定的,氣體則向動態膜相反方向運動。

1.2 動態膜傳質方程

1)傳質機理

組分在無載體動態膜內的傳質基本是一個溶解-擴散過程,其透過膜的速率Ji可由Fick定律表示

式中:DiKi——組分i在動態膜內的擴散系數及分配系數;

CiFCiP——組分在料液側及透過液側的濃度,

CiF-CiP為傳質推動力。

2)偶合傳質機理

組分在有載體動態膜內的傳質與一般膜中的溶解-擴散傳質過程不同,是一反應-擴散過程,該反應-擴散過程是可逆配合反應過程,主要有逆向偶合傳質和同向偶合傳質兩種過程。

動態膜煙塵凈化裝置主要由集塵罩、進風管、風機、起泡裝置、細化網、破泡裝置、干燥網、除淤泥裝置等部分組成,其總體結構示意圖

動態膜煙塵凈化裝置的工作原理為:打開抽水泵開關,將制備好的膜液均勻噴灑在起泡裝置上;打開風機開關(圖中所示為上進風方式),通過集塵罩將焊接煙塵吸入裝置,在焊接煙塵氣體的氣流作用下起泡裝置上的液膜[13]向外伸展并將煙塵氣體包裹在內形成動態膜;隨著氣流方向,動態膜向下或向上運動并受到細化網的細化作用,產生更多更小的動態膜;當接觸到破泡裝置時,動態膜破裂,形成包裹有煙塵的霧化小液滴,小液滴繼續對空氣中的煙塵進行捕捉,凈化后的氣體進入右室通過干燥網排放到空氣中。小液滴與捕捉到的煙塵沉降到底部儲液池,煙塵顆粒在重力作用下沉入儲液池底部,膜液經過濾網繼續供給起泡裝置。

2.2 動態膜凈化實驗

2.2.1 實驗原理

去除率是檢驗裝置除塵性能的標準,本實驗通過不同參數進行焊接煙塵過濾,在過濾過程中測試物質的入口濃度和出口濃度值,計算出煙塵去除率,根據去除率的變化來描述參數對裝置過濾效果的影響。

2.2.2 實驗設計

實驗的主要內容如下:

1)進氣方式為上進風,在常溫下以不同入口風速和不同細化網層數來測試煙塵的凈化效果。在起泡裝置下方分別設置1層細化網、2層細化網、3 層細化網,以風速分別為 15,20,22.5,25,27.5,30,32.5,35,37.5m/s進行焊接煙塵凈化,對每種風速入口、出口的煙塵濃度和CO的濃度進行記錄。

2)進氣方式為下進風,并進行1)中的實驗步驟。實驗中,除以上變量其他條件均相同,應及時地添加膜液,以保證動態膜的形成不受影響。每種風速測試10 min,每隔3 min進行取樣測試,最后結果取其平均值。

2.3 實驗檢測手段

本實驗主要采用風速儀對風速進行實時檢測,利用綜合煙氣分析儀檢測凈化前后的煙塵顆粒和CO的濃度。

風速儀采用TD905風量風速儀,屬于葉輪式風速儀并帶有電腦軟件可進行在線測量分析,測量范圍在 0.3~45m/s。

綜合煙氣分析儀(KANE9206)采用6種電化學傳感器可進行氧氣、碳氧化物、氮氧化物、硫化物、碳氫化合物的濃度檢測,檢測誤差都在-0.1%~0.2%之間。

3 實驗數據及分析

3.1 入口為上進風的實驗測定

實驗內容1)所得數據處理后煙塵顆粒和CO去除率的變化規律,

動態膜對CO和煙塵顆粒的去除率隨著風速的增大而升高,當風速達到一定值后凈化效果達到最好。設置1層細化網的情況下,在風速達到30m/s時煙塵顆粒和CO去除率最高,分別約為85%和90%。設置2層細化網的情況下,在風速達到32.5m/s時煙塵顆粒和CO去除率最高,都約為95%。設置3層細化網的情況下,在風速達到35m/s時煙塵顆粒和CO去除率最高,分別約為93%和90%。即在兩層細化網且風速為32.5 m/s的運行條件下,動態膜對煙塵的凈化效果最好。

3.2 入口為下進風的實驗測定

實驗內容2)所得數據處理后煙塵顆粒和CO去除率的變化規律,

動態膜對CO和煙塵顆粒的去除率隨著風速的增大而升高,當風速達到一定值后凈化效果達到最好。在1層細化網中風速達到30m/s時去除率最高,CO的去除率在92%左右,煙塵顆粒的去除率在90%左右。在2層細化網中風速達到32.5m/s時去除率最高,CO的去除率在96%左右,煙塵顆粒的去除率在98%左右。在3層細化網中風速達到35m/s時去除率最高,煙塵顆粒的去除率與CO基本相同,都在95%左右。即在2層細化網且風速為32.5 m/s的運行條件下,動態膜對煙塵的凈化效果最好。

從圖8和圖9中可以看出,入口為下進風時,動態膜對煙塵顆粒和CO的去除率始終比入口為上進風時高,且上進風進氣時,煙塵顆粒和CO的去除率隨著時間的增加變化幅度較大。

3.3 實驗誤差的測定

選用入口為下進風、風速為32.5m/s且裝兩層細化網的凈化裝置每隔10min做一次實驗,共5次,得出動態膜對煙塵顆粒和CO的去除率,如圖10所示。從圖中可以看出,每次實驗結果的煙塵顆粒和CO的去除率都有所變化,都存在一定的實驗誤差,通過計算可得煙塵顆粒去除率在99.04%±0.3%范圍內,CO去除率在98.42%±0.2%范圍內。即在煙塵顆粒和CO去除率的實驗誤差范圍內,入口為下進風、風速為32.5m/s且裝兩層細化網時動態膜對煙塵的凈化效果最佳。

4 結果與討論

從實驗現象和實驗結果可知,經過一層細化網細化的動態膜體積較大,尤其是入口風速較低時,動態膜的體積大、形成速度慢、數量少;隨著風速的增加,動態膜形成速度加快,體積減小;當風速達到30m/s時,動態膜的數量最多;當風速超過30m/s,隨著風速的增大,動態膜的數量開始下降且迅速破裂,這是因為風速過大容易導致起泡裝置的液膜破裂而不能形成動態膜,很多煙塵氣體未與動態膜接觸就被排出。增加至兩層細化網和三層細化網后,動態膜的形成特性與前面相似。在低風速下動態膜的體積因增加了細化網而變小數量增多,但動態膜形成速度較慢,隨著風速的增加動態膜的體積越來越小,數量越來越多,在兩層細化網中風速達到32.5 m/s時動態膜的形成達到最佳狀態,在三層細化網中風速達到35m/s時動態膜的形成達到最佳狀態。雖然細化網越多動態膜越細,但細化網本身對動態膜具有阻力,細化網為三層時阻力增大,使動態膜入口出現了反彈的現象,不利于煙塵的凈化。

上進風的裝置在工作到30 min后,過濾效果開始下降,這是由于一些大的煙塵顆粒在進入裝置時被第一層起泡裝置攔截,隨著過濾時間的增加,第一層起泡裝置上的煙塵顆粒越來越多,在膜液粘性的作用下,起泡裝置的小孔開始被堵塞,這不但影響動態膜的形成,還會增加裝置阻力,影響煙塵凈化效果。入口為下進風時,大的煙塵顆粒會被最下層起泡裝置攔截,而在過濾過程中起泡裝置不斷往下產生動態膜,加上煙塵顆粒自身重力,被攔截的煙塵顆粒很容易掉落到裝置底部,而不會出現堵塞的情況。綜上所述,裝置為下進口進氣,細化網為兩層且入口風速在32.5m/s時動態膜對煙塵顆粒及有毒氣體的凈化效果最好。

動態膜對焊接煙塵的凈化受諸多因素的影響,除本文3個參數外還包括膜液濃度、膜液成分、溫度等因素。膜液濃度在逆向偶合傳質過程中直接影響動態膜對煙塵顆粒的捕捉傳質效率。膜液的成分決定了動態膜凈化吸附煙塵的效率,膜液中表面活性劑決定了膜液表面張力的大小以及動態膜的彈性、黏附性和濕潤性,這些因素直接影響著動態膜的形成和對煙塵的捕捉。溫度主要是通過對液體表面張力的改變來影響動態膜的形成,溫度越高水的表面張力越小;同時,適當升高溫度可以加劇煙塵顆粒在動態膜內外的布朗運動,增加煙塵顆粒與膜碰撞機會,從而增加煙塵顆粒被動態膜捕捉的幾率;溫度過高也會直接影響動態膜的形成從而降低凈化效率,所以保持最佳溫度才能最大化凈化煙塵。

5 結束語

動態膜凈化技術理論上隸屬于多相流技術,其凈化過程與機理異常復雜,本文通過加強煙塵凈化的理論與實驗研究,得出以下結論:

1)提出動態膜煙塵捕捉技術,由專用膜液產生動態膜,動態膜為球形薄膜,此薄膜與煙塵相互包容混合,薄膜對于煙塵及有害氣體具有極好的結合、吸附作用。

2)有效的動態膜產生機制,通過實驗裝置實現被凈化氣體的動態促進、產生動態膜,并與被凈化氣體有效結合。

3)合理控制實驗變量,最大程度使動態膜對煙塵顆粒及有毒氣體達到最大的凈化效果。


 
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