湿式静电除尘器化学团聚技术用于高炉煤气深度净化的研究

《Coatings》：Research on Chemical Agglomeration Technology of Wet Electrostatic Precipitator for Deep Purification of Blast Furnace Gas Shuting Wang, Gaijuan Ren, Siyu Ma, Hengtian Li and Lichun Xiao

　　

为了防止高炉煤气顶压回收透平机组（TRT）结垢，必须降低煤气中的含尘量，因此需要对其进行深度净化。一个亟待解决的关键问题是细颗粒物的低捕集效率。为了提高湿式静电除尘器（WESP）对高炉煤气（BFG）中细颗粒粉尘的捕集效率，研究人员采取了优化喷嘴雾化性能和液滴空间分布、添加化学团聚剂和表面活性剂等措施。这些方法促进了细粉尘的化学团聚，提高了除尘效率。在本研究中，测试了五种喷嘴类型、六种化学团聚剂和三种表面活性剂。结果表明，在重叠喷雾条件下，1/8实心锥喷嘴产生的液滴尺寸最小、空间分布最均匀，其d₅₀为141.17 μm。当该喷嘴与瓜尔胶（GG）作为化学团聚剂联合使用时，BFG粉尘的d₅₀从8.46 μm增加到14.75 μm。5 mg/m³田菁胶（SBG）和5 mg/m³辛基酚聚氧乙烯醚（OP-10）的协同应用进一步将粉尘d₅₀提高到19.08 μm。使用1/8实心锥喷嘴和5 mg/m³的黄原胶（XTG）浓度，获得了96.76%的最高除尘效率，而SBG/OP-10的协同使用实现了97.69%的效率。该研究阐明了喷嘴雾化特性和喷雾液体类型对粉尘团聚和捕集效率的影响，实现了除尘效率的提高和细颗粒粉尘的捕集，为高炉煤气的深度净化提供了理论和实践基础。

高炉煤气（BFG）是钢铁冶炼过程中的重要副产品，其深度净化对防止顶压回收透平机组（TRT）结垢、保障稳定运行具有重要意义。目前，湿式静电除尘器（WESP）虽已用于BFG预净化，但受限于颗粒捕集机制，对细颗粒物的捕集效率较低，难以满足将含尘量降至0.5 mg/m³以下的深度净化要求。现有研究主要集中于单喷嘴雾化特性及化学团聚剂对飞灰的团聚效果，但缺乏对喷嘴重叠喷雾与化学团聚剂共同作用下液滴空间分布及雾化性能的探讨，且仅能将粉尘浓度降至约1 mg/m³，未达到深度净化目标。为此，研究人员系统开展了喷嘴类型、喷雾重叠及化学团聚剂对液滴尺寸与空间分布影响的研究，并优化了WESP中细颗粒粉尘的捕集工艺。

研究人员搭建了喷雾雾化实验平台及湿式静电除尘综合实验平台，通过激光衍射技术测量液滴粒径分布，采用等速采样法测定除尘效率，利用扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析粉尘形貌与元素组成。关键技术方法包括：使用DP-02喷雾粒度分析仪评价五种喷嘴（1/4实心锥、1/8实心锥、1/4空心锥、1/8空心锥、1/4扇形喷嘴）的单喷嘴及双喷嘴重叠雾化性能；利用BT-9300H激光粒度分析仪和BT-601循环分散器分析粉尘粒径；在WESP（工作电压45 kV）中开展除尘实验，测试了六种化学团聚剂（黄原胶XTG、田菁胶SBG、瓜尔胶GG、阳离子聚丙烯酰胺CPAM、阴离子聚丙烯酰胺APAM、高岭土）和三种表面活性剂（十二烷基二甲基苄基氯化铵DDBAC、辛基酚聚氧乙烯醚OP-10、十二烷基苯磺酸钠SDBS）对粉尘团聚及除尘效率的影响。

研究结果如下：

**3.1 高炉粉尘的粒径与形貌分析**
通过激光粒度分析发现，BFG粉尘粒径主要分布在0.1~35 μm，中位径（d₅₀）为3.303 μm，其中小于10 μm的颗粒占87%，小于2.5 μm的占44%，表明细颗粒占比极高。SEM观察显示粉尘形态不规则，呈片状、块状或棱柱状，颗粒表面粗糙，并可观察到细颗粒粘附于大颗粒表面。EDS分析表明，主要金属元素包括Fe、Al、Ga、Na、Mg、Zn，非金属元素包括C、O、F、Si、S。

**3.2 喷嘴类型与团聚液对喷雾性能的影响**
在单喷嘴（0.5 MPa）条件下，1/4实心锥喷嘴产生的液滴d₅₀最小（244.66 μm），分布最集中；1/8实心锥喷嘴液滴空间分布最均匀。双喷嘴重叠喷雾时，三种喷嘴的液滴尺寸均小于单喷嘴，其中1/8实心锥双喷嘴的d₅₀最小（141.17 μm），且重叠区喷雾密度差异较小（0.102 L/(m²·s)），分布较均匀。添加化学团聚剂后，液滴d₅₀随浓度增加而上升，其中XTG使液滴增大最显著（从204.66 μm增至246.02 μm），而添加SBG后液滴d₉₀增幅最大（384.97 μm）。化学团聚剂还导致喷雾收缩、中心区域喷雾密度增加。

**3.3 化学团聚剂与雾化性能对粉尘团聚的影响**
在5 mg/m³浓度下，六种团聚剂均能有效增大粉尘粒径，效果排序为：GG（d₅₀=14.75 μm）> SBG（13.57 μm）> XTG（12.13 μm）> CPAM（10.97 μm）> APAM（9.802 μm）> 高岭土（6.97 μm）。XTG团聚后粒径分布最均匀。随着浓度增加，d₅₀继续增大但增速放缓。三种表面活性剂中，OP-10团聚效果最佳（d₅₀=15.81 μm），而SDBS几乎无效果。浓度升高至10 mg/m³以上时，团聚改善趋于饱和。协同实验表明，5 mg/m³ SBG与OP-10联用效果最优，粉尘d₅₀达19.08 μm，且粒径大于100 μm的占比最高（2.63%）。喷雾性能方面，1/4实心锥喷嘴单独使用时粉尘d₅₀最大（8.929 μm），但1/8实心锥喷嘴与SBG/OP-10协同后粉尘d₅₀最高（16.81 μm），因该喷嘴液滴分布均匀、覆盖范围广。

**3.4 除尘效率分析**
化学团聚剂单独使用时，XTG浓度5 mg/m³下除尘效率最高（96.76%），其次为SBG（96.47%）；浓度超过5 mg/m³后效率下降。表面活性剂中，OP-10在5 mg/m³时效率最高（96.61%），浓度升高则因泡沫影响放电导致效率降低。无添加剂时，1/4实心锥喷嘴效率最高（95.43%）。添加SBG/OP-10后，1/8实心锥喷嘴效率提升至97.11%，但最高效率出现在1/8实心锥喷嘴与SBG/OP-10协同条件下（97.86%）。

该研究通过系统优化喷嘴类型、化学团聚剂与表面活性剂组合，实现了高炉煤气中细颗粒粉尘的高效捕集。结论部分翻译如下：
**4. 结论**
本研究建立了喷雾雾化实验平台，研究了五种喷嘴的雾化特性，并在分析高炉煤气粉尘微观形貌和粒径分布的基础上，在湿式静电除尘器中开展了团聚实验和除尘效率测试。研究提升了粉尘团聚性能和除尘效率，确定了最佳运行条件，实现了高炉煤气的深度净化。具体结论如下：
在0.5 MPa单喷嘴喷雾条件下，1/8实心锥喷嘴液滴空间分布最均匀。添加化学团聚剂后，SBG使液滴尺寸增加最大，GG增加最小。双喷嘴重叠喷雾时，三种喷嘴液滴尺寸均小于单喷嘴，其中1/8实心锥双喷嘴液滴最细，1/4实心锥双喷嘴空间分布相对均匀。
六种化学团聚剂（5 mg/m³）加入后，团聚效果由高到低为GG、SBG、XTG、CPAM、APAM、高岭土。三种表面活性剂（5 mg/m³）中，OP-10效果最佳。随着团聚剂或表面活性剂浓度升高，团聚改善逐渐减弱。SBG与OP-10的协同效果最优，粉尘中位径达19.08 μm。
在5 mg/m³化学团聚剂浓度下，XTG除尘效率最高（96.76%）。三种表面活性剂（5 mg/m³）中，OP-10效率最高（96.61%）。单独使用1/4实心锥喷嘴时效率最高（95.43%）。综合条件下，添加5 mg/m³ SBG/OP-10并采用1/8实心锥喷嘴雾化时，除尘效率最高（97.86%）。
综合考虑液滴分布均匀性、粉尘团聚效果、除尘效率及能耗，高炉煤气除尘的最佳组合为：化学药剂浓度5 mg/m³ SBG/OP-10、1/8实心锥喷嘴、水压0.5 MPa。