细分子筛颗粒离心力场中的凝并收集机制研究

Molecular sieves have many applications such as petrochemical, metallurgy, pharmaceuticals and environment industries. But it causes severe environmental pollution due to the difficulties of removing fine particles in the exhausted gas. A new technology called Cloud- Air-Purifying(CAP) technology learning from the nature has high efficiency to capture the fine particles in the exhausted gas of molecular sieves. Based on the theories of cloud microphysics and cyclone separation, CAP technology has applied in many industry areas. However the mechanisms of particle condensation, aggregation and separation under supersaturate circumstance in the CAP cyclones are still unclear. Therefore the experimental and numerical studies will be adopted in order to figure out the complex mechanisms. On one hand, the experiment about the process of particle aggregation and growth with supersaturated environment in the centrifugal field will be built to observe the macro-scale result and micro particle structure during the collection of particles of molecular sieves. On the other hand, numerical models aiming to understand the process of particle aggregation and growth combining the Computational-Fluid-Dynamics (CFD) with Discrete Element Method (DEM) will be used to explore the mechanisms of particle collision, aggregation and separation and predict the movement of particles. The numerical models will be validated by the experiment data. The project outcomes will build up the theory research of wet-agglomeration and improve the development of new industrial dust removal technology of China.

分子筛广泛应用于石油化工、冶金、医药、环保等领域，但长期以来其尾气因含极细颗粒物而难以处理，对环境污染严重。经实践证明，一种新型的效仿大自然“成云降雨”过程的“云式”除尘技术能够对分子筛尾气中细颗粒物实行高效捕集。云式除尘技术以云微物理学原理和旋风分离机理为基础，已在多个工业领域得到成功应用。然而云式除尘设备内部湿度过饱和状态下细颗粒物的凝并生长与分离机制尚不明晰。本项目基于云式除尘新技术，拟构建离心力场中湿度过饱和状态下颗粒“凝并长大”实验平台，观测细分子筛颗粒收集过程的各种宏观结果和微观变化形态；进一步，利用实验结果作为边界和验证条件，建立基于计算流体动力学-离散单元法（CFD-DEM）耦合的颗粒碰撞、长大数学模型，探究离心力场中湿度过饱和状态下细分子筛颗粒碰撞、团聚、分离的机制。项目成果将完善湿法团聚技术的理论体系，促进我国工业除尘新技术的发展与应用。

工业排放的PM2.5对生态环境和人类健康影响极大，引起了人们普遍的关注和重视。本项目即着眼于解决在石油化工、冶金、医药、环保等领域广泛应用的分子筛尾气处理问题。.相比于传统除尘设备，申请人课题组研发的“云式除尘技术”能够更高效地捕集分子筛尾气中的细颗粒物。该技术在旋风除尘器前构建湿度过饱和环境，使细颗粒物凝并长大，然后在离心力场环境下被收集。本项目针对该技术背后的关键科学问题，即细分子筛颗粒在离心力场中湿度过饱和状态下碰撞、团聚、分离的机理展开研究，主要内容与重要结果如下：.首先，搭建实验平台对雾化水温度、粉尘润湿性进行研究。结果表明，雾化水温度较高时，表面张力会明显下降，从而降低颗粒的活化能，提高颗粒活化效率，使其更容易长大；润湿性越好的粉尘颗粒更易发生凝结而长大，因此去除效率的增长幅度更大。.其次，采用分子动力学方法研究了表面活性剂类型对固-液界面性质的影响。研究表明，表面活性剂可有效增强分子筛和水汽的相互作用。对于细分子筛颗粒，在使用的几种表面活性剂中，效果最佳的是十二烷基硫酸钠，其次为十二烷基苯磺酸钠。.然后，采用计算流体力学和离散元法建立了以细分子筛颗粒为凝结核的液滴生长模型、液滴动力学模型和液滴颗粒碰撞长大模型。研究表明，离心力场中水汽浓度先略有升高，后迅速下降至接近于饱和的趋势，不利于液滴在后半段的生长，因此改进措施是在恰当的位置进行补水；随着雾化水量的增加，液滴的最终粒径不断增大，但液滴的初始粒径越大，其增长的速率越慢。.最后，根据实验室结果进行了放大中试，以确定最佳雾化条件。结果表明，出口粉尘浓度随雾化水量的增加先降低后升高，最后趋于水平，即存在最佳值。综合考虑粉尘去除效果与用水成本，在该场景下应将雾化水量控制在75 L/h。.本项目的研究结果对于云式除尘技术的开发与优化具有重要的工程指导意义，同时也有助于完善湿法团聚促进细颗粒物脱除的理论研究，促进我国工业除尘新技术的发展与应用。