徐純燕，常景彩，孟鎮(zhèn)，王翔，崔琳，馬春元

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單股流布水改性碳鋼表面的潤濕特性

徐純燕，常景彩，孟鎮(zhèn)，王翔，崔琳，馬春元

（山東大學燃煤污染物減排國家工程實驗室，山東 濟南 250061）

濕式靜電除塵技術(shù)收塵極表面的易腐蝕和水膜均布問題是影響該技術(shù)連續(xù)可靠運行的重要因素。針對這兩個問題，對碳素鋼冷軋成型板進行了抗腐蝕保護層和在保護層基礎(chǔ)上黏附不同附加親水層的改性。使用稱重法和平面成像法進行了單股流布水不同Reynolds數(shù)下不同改性表面持液量、表面流量、成膜率、水膜平均厚度等潤濕特性的研究。結(jié)果表明：抗腐蝕保護層降低基材的潤濕特性，附加親水層中臺麗碳纖維布的持液量較基材碳鋼表面增加1.0～2.2倍，細沙粒成膜率比基材碳鋼增加50%～60%，水膜厚度均在0.3～0.7 mm之間（最大達1.4 mm）；玻璃纖維布黏附在環(huán)氧樹脂表面的疏松程度直接影響表面的潤濕特性，涂刷第3層環(huán)氧樹脂后自然晾曬12 h，120℃加熱1 h后敷設(shè)玻纖布，自然冷卻至固化得到的表面潤濕特性最佳，其持液量可達0.014～0.021 g·cm-2，臨界飽和時間＜3 min，實現(xiàn)完全潤濕，成膜率較基材增加34～40倍；改性材料表面布水參數(shù)：噴水孔間距≥10 cm、Reynolds數(shù)超過2000，此時表面液膜為波動層流，可獲得理想沖刷效果。

濕式靜電除塵；腐蝕；水膜；潤濕特性；布水

引 言

濕式靜電除塵器具有諸如高效去除微細顆粒物、低壓損、防止二次攜帶等優(yōu)點，目前已得到廣泛應用。當前用于濕式收塵極陽極材料的主要有高級不銹鋼、鉛、硬聚氯乙烯管、導電玻璃鋼、碳或硅纖維[1-2]、有機纖維[3]等材料，以確保高濕腐蝕條件下陽極材料的可靠性；一般采用管狀或板式陽極結(jié)構(gòu)，使得極板表面起到水膜承載體的作用[2]。然而在濕式靜電除塵器運行過程中，由于液體表面張力和剛性陽極表面機加工平面度偏差，剛性陽極表面水膜不可能實現(xiàn)均勻分布，導致局部腐蝕、火花放電和干斑點等缺陷[4]，因此研究合理的極板改性處理方法，增加極板表層的表面能，實現(xiàn)超低水耗量情況下剛性陽極表面形成完整液膜流動，從而解決傳統(tǒng)剛性極板沖洗水消耗大、陽極成本高，沖洗水系統(tǒng)工藝復雜等問題，已經(jīng)成為行業(yè)研究的熱點之一。

一般來說，豎壁上液體流動形式可表現(xiàn)為完整液膜流動，流量較小或壁面潤濕性較差時出現(xiàn)的溝流流動，以及繼續(xù)減少流量后出現(xiàn)的液滴流動特 性[5]。目前關(guān)于豎板降膜流動特性的研究多集中在規(guī)整填料、換熱、核電冷卻殼[6-11]等方向，其研究內(nèi)容側(cè)重于豎壁表面的水膜狀態(tài)、水膜的波動特性等，集中關(guān)注入口擾動頻率、降膜和平板傾斜角等對降膜波動演化過程的影響[12-17]，對傳統(tǒng)靜電收塵極表面改性后的潤濕特性研究鮮有關(guān)注。

本文以普通碳素鋼冷軋成型板為基材，選用的親水覆層同時兼顧材料耐蝕要求，對單股流布水條件下各種改性方法陽極板表面的潤濕特性展開研究，揭示了Reynolds數(shù)等對不同改性陽極表面潤濕特性的影響規(guī)律，顯著增加極板單位面積持液量10倍甚至以上，擴大極板表面水膜鋪展面積20～40倍，彌補了現(xiàn)行剛性極板表面水膜誘導鋪展方法的不足，同時根據(jù)本文研究結(jié)論提出了針對傳統(tǒng)固體陽極板的最佳的改性方法，以期為剛性極板表面液膜鋪展方法的拓展提供借鑒意義。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

基材選用電除塵常用板材Q215A碳鋼板（carbon steel sheet，CSS），尺寸為100 mm×80 mm×1.5 mm，表面防腐層選用V-470酚醛乙烯基環(huán)氧樹脂（epoxy resin，ER），每種改性方法中均在冷軋?zhí)间摪灞砻嫱克蓪迎h(huán)氧樹脂，固化后涂刷第3層環(huán)氧樹脂時對表面選用不同的改性材料，相應改性方法特征見表1，改性表面形貌見圖1。

圖1 碳鋼及表面粘貼材料SEM圖

表1 基材表面改性方法特征匯總

表1中方法2是直接涂刷3層環(huán)氧樹脂自然晾干至固化，方法3～8是在涂刷第3層環(huán)氧樹脂后，在其表面敷設(shè)上述材料然后自然晾干至固化。而玻璃纖維布系列（GFC series）區(qū)別如下：GFCⅠ，第3層樹脂表面敷設(shè)玻纖布，自然晾曬12 h，120℃加熱1 h后自然冷卻至室溫固化；GFCⅡ，第3層樹脂自然晾曬4 h后敷設(shè)玻纖布，晾曬8 h，120℃加熱1 h冷卻至室溫固化；GFCⅢ，第3層樹脂自然晾曬12 h，120℃加熱1 h后敷設(shè)玻纖布，自然冷卻至固化；GFCⅣ，改性方法同GFCⅢ，基材碳鋼和玻纖布寬度為GFCⅢ的1/2，其他同。

圖1中顯示，碳鋼表面經(jīng)打磨后表面呈現(xiàn)溝壑狀；而環(huán)氧樹脂表面比較光滑；沙粒（sand）浸于環(huán)氧樹脂底層，表面也偏于光滑；玻璃微珠（GB）基本也浸入環(huán)氧樹脂層；東麗（DL）、臺麗（TL）、玄武巖（XWY）碳纖維布均被環(huán)氧樹脂浸透，其中臺麗碳纖維布中間還可看出單根纖維絲；玻璃纖維絲（GFF）被環(huán)氧樹脂浸透但表面有棱；玻璃纖維布（GFC）是交叉編織，纖維絲疏松，GFCI也被環(huán)氧樹脂浸透，GFCⅡ纖維絲基本上保持疏松狀態(tài)，小部分有黏結(jié)，GFCⅢ、GFCⅣ可看出清晰的纖維絲原狀，無任何黏結(jié)，纖維絲底部可看出環(huán)氧樹脂層表面。

1.2 測試及分析方法

靜態(tài)接觸角測量使用Kruss-K12程序界面張力儀，取5.0 μl去離子水作為探測液，在待測樣板表面不同位置取至少5點測量，用平均值作為最終 結(jié)果。

質(zhì)量測定系統(tǒng)使用Mettler Toldeo XS204精密電子天平（稱量范圍為0.0001～220.000 g），線性誤差0.2 mg。

液膜內(nèi)部的動力學很大程度上取決于測試表面的潤濕性和工作流體的表面張力[15]。工作介質(zhì)選用去離子水，工作流體的表面張力確定，故液膜的動力學主要取決于測試表面的潤濕性。其中表征表面潤濕的參數(shù)如下。

（1）接觸角 接觸角的大小可以表征液體對固體的潤濕程度，近年來，有人提出以接觸角65°作為親水和疏水的界限[18-19]。

（2）持液量 液體流動過程中單位面積固體表面持留的液體量。定義液體流動過程中單位面積上的最大持液量為飽和持液量（g·cm-2）。

式中，h為測試樣板表面持留的液體質(zhì)量，g；t為測試樣板總面積，cm2。

（3）表面流量 單位面積固體表面上形成連續(xù)流動的水膜所需要的供水流量（kg·h-1·m-2）。

式中，t為給水流量，kg·h-1；e為有效成膜面積，cm2。

（4）成膜率 液體潤濕的面積與測試樣板總面積之比。

所有測試樣板表面粘貼標尺，成膜圖像由攝像機拍攝后采用像素法[20]計算有效成膜面積。

（5）水膜平均厚度 單位有效成膜面積上的持留液體的厚度（cm）。

（6）臨界飽和時間 當表面的持液量達到飽和持液量的95%后，隨著時間的推移，持液量緩慢地增大到飽和持液量，此時表面的有效成膜面積已經(jīng)不再發(fā)生變化且可滿足潤濕整個表面。故將持液量達到飽和持液量的95%所用的時間記為臨界飽和時間c(s)。

1.3 實驗裝置

實驗系統(tǒng)如圖2所示，給水系統(tǒng)由給水箱、循環(huán)水泵、儲水罐和針型閥組成，三通閥和溢流管配合控制給水箱的水位和壓頭，調(diào)節(jié)針型閥得到實驗所需的流量。將待測樣板懸掛在支架上，將支架放置在天平上，在距離待測樣板上部0.5～1 mm處固定布水管，布水管固定在固定支架上，固定支架與天平不直接接觸，固定支架可以移動調(diào)節(jié)針管到懸掛樣板的距離，布水管始終保證不與測試樣板直接接觸，通水后水流正好流經(jīng)平板表面，在懸掛支架下部架空放置收集槽，收集槽內(nèi)的水最終進入儲水罐循環(huán)使用。攝像機置于測試樣板正前方對測試樣板進行拍照。使用天平數(shù)據(jù)采集軟件Balance Link，實時采集電子天平的質(zhì)量信號，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

圖2 實驗系統(tǒng)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

2.1.1 接觸角 不同材料表面接觸角見表2，其中原基材碳鋼表面的接觸角為56°，涂刷環(huán)氧樹脂作為表面防腐覆層后接觸角變大為61°，采用不同改性方法后接觸角明顯變小，尤其GFCⅡ、GFCⅢ和GFCⅣ改性方法，液滴與改性表面接觸后水滴迅速擴散，接觸角為0°。

表2 不同材料表面的接觸角

長纖維堆積形成的多孔介質(zhì)毛細滲透過程中呈現(xiàn)各向異性[21]，本文研究中發(fā)現(xiàn)碳纖維布的各向異性表現(xiàn)明顯，沿垂直纖維方向接觸角明顯大于沿平行纖維方向，在實驗選用的3種碳纖維布中，臺麗碳纖維布表面的接觸角為0°，見表3。

表3 不同碳纖維材料表面的接觸角

2.1.2 改性表面水流流態(tài) 由圖3可見，單股流布水條件下基材碳鋼、環(huán)氧樹脂、細沙粒、玻璃微珠、東麗碳纖維布、臺麗碳纖維布、玄武巖纖維布、玻璃纖維絲、GFCI表面水流均呈單股水流，但表面水流的形態(tài)和有效成膜面積明顯不同，而GFCⅡ、GFCⅢ和GFCⅣ表面能夠完全潤濕，其中GFCⅡ表面中間有水流可見。

圖3 表面單股流布水效果

2.2 不同改性表面的潤濕特性

由圖4 (a)可以看出，隨著Reynolds數(shù)的增大，各改性表面的持液量均增大。涂刷耐腐蝕的環(huán)氧樹脂層后，表面的持液量較基材碳鋼有所降低；GFCI表面的持液量也低于基材碳鋼；東麗碳纖維布在低Reynolds數(shù)下持液量高于基材碳鋼，當Reynolds數(shù)高于2150后，持液量開始低于基材碳鋼；玻璃微珠持液量均高于基材碳鋼，但是在低Reynolds數(shù)下持液量差值要大于高Reynolds數(shù)；玄武巖持液量均高于基材碳鋼，但是在低Reynolds數(shù)下持液量差值要小于高Reynolds數(shù)；臺麗碳纖維布、細沙粒、玻璃纖維絲持液量均高于基材碳鋼，其中臺麗碳纖維布的持液量最高，較基材碳鋼表面增加1.0～2.2倍。由圖4 (b)可以看出，欲潤濕相同面積的改性后表面，環(huán)氧樹脂、東麗、GFCI需要的流量均高于基材碳鋼，其他方式的都低于基材碳鋼，其中玄武巖的接近基材碳鋼，細沙粒需要的最小，比基材碳鋼減少了36%。

圖4 Reynolds數(shù)對不同改性材料持液量和表面流量的影響

表4 Re≈2150時不同改性表面的潤濕參數(shù)

Note: Initial massinrefers to total mass of holder and test sample placed on electronic scales.

在實驗Reynolds數(shù)范圍內(nèi)，基材碳鋼表面的有效成膜面積為1.8～2.3 cm2，由圖5 (a)可以看出，隨著流量的增大，所有表面的成膜率均增大，基材碳鋼的成膜率2.8%～3.5%，其中環(huán)氧樹脂、東麗碳纖維布、GFCI的成膜率低于基材碳鋼，玄武巖表面的成膜率增加不超過8%，玻璃微珠和臺麗碳纖維布增加不超過22%，玻璃纖維絲增加不超過30%～50%，而細沙粒增加50%～60%。GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ均可完全潤濕，故GFCⅡ和GFCⅢ成膜率可增加34～40倍，GFCⅣ板也可增加16～20倍。由圖5 (b)可以看出臺麗碳纖維布表面的水膜平均厚度最高，可達1.4 mm，其他改性方式均在0.3～0.7 mm。

圖5 Reynolds數(shù)對不同改性材料表面成膜率和水膜平均厚度的影響

持液量越大，說明單位表面持留的液體越多，對表面的潤濕效果越好。表面流量越小，過水面積越大，說明液體在表面的鋪展性好，潤濕一定面積需要的水量小。成膜率越大，說明液體在表面擴展的面積越大，布置噴水孔的間距可擴大。臺麗碳纖維布的水膜平均厚度高是因為碳纖維布有各向差異，沿水流方向接觸角很大，垂直于水流方向接觸角很小，因此液體在表面停留的時間長，持液量高，但是過水面積較其他改性方式不占優(yōu)勢，這也說明表面的憎水性和親水性與液體在表面停留的時間有關(guān)。水膜平均厚度大說明表面的親水性差，在表面鋪展性較差。

2.3 不同處理工藝玻璃纖維布表面的潤濕特性

玻璃纖維布的處理工藝對其表面的潤濕性有很大的影響。由圖6 (a)可以看出，當Reynolds數(shù)為800（t0.05 g·s-1）時，基材碳鋼、環(huán)氧樹脂、GFCI表面的液體持留量在通水后，迅速達到一個高值，然后在此高值上下跳動，分析原因是水流在流經(jīng)測試樣板后到達樣板的下邊緣，液滴質(zhì)量未累積到一定程度時會掛住，當后面的水流流下液滴質(zhì)量增大，承受不住時滴落，如此反復，造成天平稱量的數(shù)值上下跳動，GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ表面液體持留量增長過程中也存在跳動現(xiàn)象。給水后GFCⅡ表面的液體持留量緩慢持續(xù)上升，經(jīng)過很長一段時間才能達到穩(wěn)定值；而GFCⅢ和GFCⅣ在較短時間內(nèi)即可達到穩(wěn)定值。計算中均取穩(wěn)定段的平均值作為測試樣板表面的液體持留量。

圖6 表面液體持留量隨時間變化趨勢

由圖6 (b)可見，當Reynolds數(shù)為3100（t0.20 g·s-1）時，基材碳鋼、環(huán)氧樹脂、GFCI、GFCⅣ表面通水后，不再出現(xiàn)質(zhì)量上下跳動問題，而是平穩(wěn)在一定值，說明水流在流經(jīng)測試樣板后到達樣板的下邊緣，液滴重力足夠可直接滴落，而 GFCⅡ和GFCⅢ表面可完全潤濕，在樣板下邊緣存在多個液滴，當液滴不同步滴落時，也會造成表面液體持留量存在小幅度波動。

葉學民等[22]對垂直表面自由降膜流的水動力特性的研究結(jié)果表明：當4/＜20～30（為單位濕周的體積流率，為流體的運動黏度），流動為層流，膜表面呈平滑狀態(tài)且膜厚為常數(shù)；當200＜＜l000～2000，流動呈波動的層流，其中表面波疊加在向前運動的液膜表面；當＞1000～2000，流動呈波動性劇烈的紊流。本文實驗中基材碳鋼表面液體持留量隨時間變化趨勢是否跳動的分界點為流量0.15 g·s-1，恰好驗證了流量0.15 g·s-1以下的表面流動為波動的層流，0.15～0.30 g·s-1范圍內(nèi)為波動性劇烈的紊流。

Reynolds數(shù)與持液量的關(guān)系直接反映了Reynolds數(shù)對水膜平均厚度的影響，因為在給水時間足夠的條件下，測試樣板GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ均可被完全潤濕，成膜率均為100%，持液量的值與水膜平均厚度值相同。如圖7 (a)所示，GFCI表面的持液量隨著Reynolds數(shù)的增大，GFCI表面的持液量幾乎呈線性增長趨勢，增長的幅度不大；GFCⅡ表面的持液量開始隨著Reynolds數(shù)的增大而增大，當Reynolds數(shù)增大到2000，持液量不再增大，而是保持在0.025 g·cm-2上下；GFCⅣ板表面的持液量高于GFCⅢ的原因是二者表面的液體持留量相差不到20%，但是潤濕面積GFCⅣ是GFCⅢ的兩倍；GFCⅢ表面的持液量在低于2000時，變化不大，Reynolds數(shù)繼續(xù)增大，持液量才開始增大，且存在一個最大值，在Reynolds數(shù)為4000左右；GFCⅣ板表面的持液量在低Reynolds數(shù)時，基本不增長，Reynolds數(shù)超過2000后，持液量增大。與前面所述的流型的分類吻合，即在波動的層流狀態(tài)下，GFCⅡ的持液量隨著Reynolds數(shù)的增大而變大，而GFCⅢ和GFCⅣ的持液量隨著Reynolds數(shù)的增大基本維持不變，Reynolds數(shù)增大過渡到紊流波動狀態(tài)后，呈現(xiàn)出相反的現(xiàn)象，GFCⅡ的持液量隨著Reynolds數(shù)的增大基本維持不變，而GFCⅣ和GFCⅢ的持液量隨著Reynolds數(shù)的增大而變大。這種差別的存在主要是由于玻璃纖維布表面的玻璃纖維絲之間的疏密程度不同進而導致毛細結(jié)構(gòu)不同引起的。

圖7 Reynolds數(shù)對不同玻璃纖維布改性表面持液量和臨界飽和時間的影響

GFCI表面達不到完全潤濕， GFCⅡ和GFCⅢ有效成膜面積為GFCⅣ的兩倍，潤濕面積相同的情況下，玻璃纖維布表面的表面流量與Reynolds數(shù)呈線性關(guān)系。由圖8可見，GFCI的表面流量高于1000 kg·h-1·m-2，遠大于其他3種表面，GFCⅣ次之，但表面流量最大值不超過300 kg·h-1·m-2，GFCⅡ和GFCⅢ接近，不超過200 kg·h-1·m-2，說明潤濕相同面積的改性后表面，GFCⅠ表面流量較基材碳鋼需要增大15%～25%，GFCⅣ表面流量較基材碳鋼可降低94%，GFCⅡ和GFCⅢ需要的流量最小，可降低97%。

圖8 Reynolds數(shù)對不同玻璃纖維布改性表面流量的影響

在工程應用過程中應綜合考慮Reynolds數(shù)對表面持液量和臨界飽和時間的影響，選擇合適的布水流量，保證在小流量下較迅速潤濕整個陽極板。在實驗測試樣板長度單股布水條件下可潤濕布水管直徑20倍以上的寬度，這就說明在布水時，噴水孔間距可設(shè)置為10 cm或更寬。Reynolds數(shù)達2000時，GFCⅡ的持液量和臨界飽和時間基本上可達到比較好的效果，GFCⅢ和GFCⅣ表面均有較高的持液量和較低的臨界飽和時間，且表面流量維持在較低的水平，此時表面的液膜波動為波動的層流，能夠取得較好的沖刷效果。

3 結(jié) 論

（1）不同的改性方法，表面潤濕特性差異顯著；環(huán)氧樹脂、GFCI改性后表面潤濕特性與基材相近；細沙粒、玻璃微珠、GFF改性后潤濕特性相近，但是親水性改善有限。其他改性方法中臺麗碳纖維布的持液量最高為0.0028～0.0054 g?cm-2，較基材碳鋼表面增加1.0～2.2倍；細沙粒表面流量需要的最小，比基材碳鋼減少了36%；細沙粒成膜率最大較基材碳鋼表面增加50%～60%；表面的水膜平均厚度均在0.3～0.7 mm，臺麗最大達1.4 mm。

（2）GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ改性表面親水性良好：表面水膜平均厚度均在0.35 mm以下；其中GFCⅢ、GFCⅣ表面潤濕速度較快，臨界飽和時間c＜3 min；潤濕相同面積的改性后表面，GFCⅡ、GFCⅢ、GFCⅣ表面流量較基材碳鋼可降低94%～97%。

（3）GFCⅢ改性表面纖維絲保持疏松狀態(tài)無黏結(jié)，潤濕特性優(yōu)異，噴水孔間距設(shè)置可間隔10 cm或更寬。

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Wetting characteristics of modified carbon steel surface with single strand flow

XU Chunyan, CHANG Jingcai, MENG Zhen, WANG Xiang, CUI Lin, MA Chunyuan

(National Engineering Laboratory for Coal-Fired Pollutants Emission Reduction, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China)

The erosion of dust collection electrode and distribution of water film are the main factors affecting stability and reliability in successive operation of wet electrostatic precipitators (WESP). To address these problems, modification of carbon steel made by cold rolling was made to provide corrosion protective coating and additional water affinity. The surface wetting characteristics of various modified anode plates were investigated under single strand feed water condition. The influence of Reynolds number on surface wetting characteristics of optimum modified plate was studied, aiming at providing theoretical foundation of rinse water distribution of WESP. Corrosion protective coating had negative impact on the surface wetting characteristics of substrate. With similar surface wetting characteristics, epoxy resin and glass fiber cloth Ⅰ had no effect on hydrophilic modification. The surface wetting characteristics of epoxy resin modified by sand, glass beads and glass fiber filament were similar and had little effect on hydrophilic modification. TL carbon fiber cloth had the largest liquid holdup of 0.0028—0.0054 g·cm-2, increased by 1.0—2.2 times compared with carbon steel sheet (CSS). Sand needed the least surface flow rate to wet the whole test sample, which was decreased by 36% compared with CSS; while sand had the largest film rate, increased by 50%—60% compared with CSS. The average thickness of water film was about 0.3—0.7 mm, and TL carbon fiber cloth could reach 1.4 mm. The degree of tightness of glass fiber cloth attached on the surface of epoxy resin depended on adhesion technology, which had direct effect on surface wetting characteristics. GFC series modification methods (GFCⅡ, GFCⅢ, GFCⅣ) had favorable effect on hydrophilic modification, and average thickness of water film was less than 0.35 mm. GFCⅢ, GFCⅣ surface could get wetted quickly, and critical time was shorter than 3 min. Surface flow rate of GFCⅡ, GFCⅢ, GFCⅣ could decrease by 94%—97% compared with CSS to wet the same size surface. Among them, adhesion technology Ⅲ had the best performance. The pitch of blowhole could be set as 10 cm or wider. Effective washing could be obtained, when the waves on the liquid film were fluctuating laminar at Reynolds number about 2000.

wet electrostatic precipitator; corrosion; water film; wetting characteristic; rinse water distribution

2014-06-13.

MA chunyuan, sdetechym@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20140894

X 51

A

0438—1157（2015）02—0669—09

國家自然科學基金項目（51206097）；山東省自然科學基金青年基金項目（ZR2011EEQ019）；山東大學基本科研業(yè)務費專項資金項目。

2014-06-13收到初稿，2014-11-21收到修改稿。

聯(lián)系人：馬春元。第一作者：徐純燕（1987—），女，博士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51206097), the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2011EEQ019) and the Fundamental Research Funds of Shandong University.