濕式振弦除塵器氣液分離機理與實驗研究

劉 軍，晉樹青，袁文博，向曉東

（1.晉城煤業(yè)集團鳳凰山礦，山西 晉城，048007；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081）

濕式振弦除塵器始于20世紀(jì)80年代末［1］，它是將水霧噴入含塵氣體中，使霧滴捕獲粉塵，形成含塵水霧，然后通過振弦柵除霧，以達(dá)到除塵目的。在濕式振弦除塵研究方面，張設(shè)計等［2］探討濕式振弦除塵器的除塵機理，并對其除塵效率的影響因素進行了分析；宮麗虹等［3］研究了水量、纖維柵結(jié)構(gòu)和纖維物理性質(zhì)對濕式振動纖維柵除塵效率和過濾阻力的影響；李迎超等［4］對噴霧壓力、噴水量、纖維直徑和間距、纖維層數(shù)以及層間距等因素進行對比分析，并確定了高壓噴霧纖維柵在綜采面回風(fēng)巷使用的最佳參數(shù)。但到目前為止，有關(guān)濕式振弦除塵器的氣液分離機理的研究少見報道。

在濕法除塵、脫硫脫硝、溫室氣體控制等濕法工藝中均存在除霧問題［5－6］。目前常用的除霧器氣液分離效率較低，如曲折板除霧器、慣性除霧器、離心除霧器和絲網(wǎng)除霧器等除霧效率僅為50%～60%［7］。而濕式振弦除塵器不僅具有過濾風(fēng)速高、設(shè)備體積小、能耗少、纖維柵不易結(jié)垢等優(yōu)點，而且除霧效率通常超過80%［8］。但濕式振弦除塵器僅用于地下采礦，特別是在采煤除塵方面已得到推廣應(yīng)用，在工業(yè)煙塵控制領(lǐng)域應(yīng)用較少。為此，本文以直徑為0.2mm不銹鋼絲為振弦，研究風(fēng)速、振弦絲層數(shù)、振弦絲間距對振弦柵除霧效率的影響，并將纖維過濾理論引入濕式振弦除霧機理研究中，給出了整個振弦柵的除霧效率理論式，以期對拓展?jié)袷秸裣页龎m器的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 分離機理描述

1.1 單根振弦絲的除霧效率

振弦除塵器振弦柵是由多層不銹鋼絲組成，其排布結(jié)構(gòu)如圖1所示。分析整個振弦柵的氣液分離的作用，主要是確定單根振弦絲的分離機理。

圖1 振弦柵的排布結(jié)構(gòu)Fig.1 Arrangement structure of vibrating grid

單根振弦絲是理想的圓柱狀捕集體，其除霧機理如圖2所示。當(dāng)沒有人為給霧滴和振弦荷電時，靜電的作用可忽略。擴散效應(yīng)對極小的微粒有作用，因為氣流通過振弦柵的時間較短（0.05s以內(nèi)），擴散作用趨于0，所以重力沉降對大顆粒作用較明顯，但由于振弦柵的速度較快（3～10 m／s），對于小于50μm霧滴，其重力沉降作用極小，于是單根振弦絲的除霧機理主要有攔截、慣性碰撞的復(fù)合作用。

圖2 單根振弦絲的除霧機理Fig.2 Mist separation mechanism of the single vibrating grid wire

分析單根振弦絲的分離機理，首先需根據(jù)雷諾數(shù)判定繞孤立圓柱振弦絲流動的流態(tài)，即：

式中：ρ為空氣密度，常溫下ρ為1.2kg／m3；v0為離捕集體“很遠(yuǎn)處”來流風(fēng)速，m／s；df為圓柱體直徑，m；μ為空氣動力黏度，常溫下μ為1.8×10－5Pa·s。

當(dāng)Ref≤10時，服從黏性流模型；當(dāng)Ref＞10時，可用勢流模型近似。振弦除塵器的風(fēng)速通常為3～10m／s；對于直徑為0.2mm振弦絲，由式（1）可得雷諾數(shù)Ref為40～150，屬勢流。

在勢流情況下，單根振弦絲對霧滴的攔截效率為

式中：R 為攔截參數(shù)，R＝dw／df，其中dw為霧滴直徑，m。

在勢流情況下，單根振弦絲對霧滴的慣性碰撞效率近似計算式為

式中：ρw為霧滴密度，常溫下水的密度ρw為1×103kg／m3。

例如，當(dāng)振弦絲直徑df為0.2mm、風(fēng)速分別為3和5m／s時，根據(jù)式（2）和式（3）得出慣性碰撞以及攔截作用下單根振弦絲的除霧效率隨著粒徑的變化關(guān)系，如圖3所示。從圖3可知，攔截效率與風(fēng)速無關(guān)，慣性碰撞效率隨著風(fēng)速增加而提高。

單根振弦絲的除霧效率是慣性碰撞和攔截機理的復(fù)合作用，但并不能簡單地認(rèn)為是兩種機理的簡單疊加。以串聯(lián)模式計算多種機理的復(fù)合作用為［10］

圖3 振弦慣性碰撞和攔截除霧效率隨著霧滴直徑的變化關(guān)系Fig.3 Variation of the inertial collision and interception demisting efficiency for the vibrating grid with the droplet diameter

式中：ηs為復(fù)合機理除霧效率；ηR為攔截效應(yīng)單獨作用時的除霧效率；ηI為慣性碰撞效應(yīng)單獨作用時的除霧效率。

1.2 振弦柵的除霧效率

實際應(yīng)用中，振弦柵是多層多根振弦絲的集合體（見圖1），除霧過程是多個孤立振弦絲的共同作用。整個振弦柵的除霧效率計算類似于纖維層過濾，其總效率的推導(dǎo)結(jié)果為［11］

式中：β為振弦柵填充率；ηs為單根振弦絲復(fù)合除霧效率；a為振弦絲半徑，m；H為振弦柵厚度，m。

振弦柵填充率為

式中：n1為單層振弦絲根數(shù)；n2為振弦絲層數(shù)；l為振弦柵高度，m；A為振弦柵迎風(fēng)面積，m2。

2 實驗研究

2.1 實驗系統(tǒng)

圖4 除霧特性實驗系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the mist separation experimental system

實驗系統(tǒng)如圖4所示，其核心單元是振弦柵，由多層振弦絲構(gòu)成。單層振弦絲是在300mm×300mm正方形框架上平行穿拉直徑為0.2mm的不銹鋼絲，不銹鋼絲間距分別為1.5、3mm。

除塵器內(nèi)氣流速度由變頻風(fēng)機控制。為保證霧化效果，采用氣液兩相噴嘴。通過改變壓縮空氣供氣量和供水量，調(diào)節(jié)氣液兩相噴嘴的噴霧粒徑。霧滴粒徑分布用Winner313型激光粒度分析儀測定，實驗所用噴嘴所產(chǎn)生的水霧中位徑范圍為29～128μm。

2.2 除霧效率測定

噴霧進入除塵器后，在未到達(dá)振弦柵前，有部分水霧噴到除塵器邊壁或沉降到底部，由沉降水斗收集。未沉降的水霧通過振弦絲被捕集，順著振弦絲流入除霧水斗。沉降水斗和除霧水斗集水量由量筒測定。未被捕集的水霧隨著氣流經(jīng)過風(fēng)機排入大氣中。

在除霧時間t內(nèi)，噴入除塵器內(nèi)的總水量為

式中：Q為液體流量計顯示的水流量，mL／s；t為實驗時間，s。

振弦除塵器的除霧效率為

式中：V1為除霧水斗集水量，mL；V2為沉降水斗集水量，mL。

2.3 實驗結(jié)果分析

圖5為水霧中位徑為29.35μm、振弦絲為16層、弦絲間距為3mm時，除霧效率隨著氣流速度的變化關(guān)系。由圖5可看出，風(fēng)速為3～5m／s時，除霧效率隨著風(fēng)速變化不大。

圖5 除霧斷面氣流速度對除霧效率的影響Fig.5 Effect of the sectional wind velocity on the mist separation efficiency

表1為水霧中位徑為29.35μm、除塵器斷面風(fēng)速為5m／s、振弦絲間距分別為1.5和3mm時，除霧效率隨著振弦絲層數(shù)變化的實驗結(jié)果。由表1可看出，振弦除塵器的除霧效率隨著振弦柵層數(shù)的增多而明顯增加。

表2為氣流速度為5m／s、振弦絲為16層、振弦絲間距分別為3和1.5mm時，除霧效率隨著霧滴中位徑變化的實驗結(jié)果。由表2可看出，隨著霧滴直徑的增加，振弦柵的除霧效率增大。需要說明的是，振弦絲是在框架鉆孔，用手工穿制，要使振弦絲間距小于1mm，在其工藝上有一定的困難。另外，氣液兩相噴嘴在噴射小于29 μm的水霧時，其穩(wěn)定性較差。所以本研究僅討論的霧徑范圍為29～128μm、振弦絲間距分別為1.5和3mm的情況。

表1 振弦絲層數(shù)對除霧效率的影響Table1 Effect of the layers of the vibrating grids on the mist separation efficiency

表2 霧滴粒徑對除霧效果的影響Table2 Effect of the droplet diameter on the mist separation efficiency

3 理論值與實驗值對比分析

在振弦絲直徑df為0.1mm、振弦絲為16層、振弦柵厚度H為90mm、風(fēng)速v0為5m／s的條件下，由式（2）、式（3）、式（5）和式（6）計算出振弦柵除霧效率隨著振弦絲間距變化的理論值與實驗值對比如圖6所示。

圖6 振弦柵除霧效率理論值與實驗值對比Fig.6 Comparison of the theoretical and experimental values of the mist separation efficiency for the vibrating grid

由圖6可看出，在霧滴直徑為29～128μm、弦絲間距分別為1.5和3mm的情況下，其理論計算值與實驗值相吻合。

4 結(jié)論

（1）在3～5m／s過濾風(fēng)速范圍內(nèi)，隨著流速的增加，振弦除塵器的氣液分離作用有所增強，但并不明顯。隨著振弦絲層數(shù)的增多，振弦除塵器的除霧效率明顯提高。

（2）當(dāng)霧滴直徑大于50μm，單根除霧效率達(dá)到100%，但這并不意味著整個振弦柵的除霧效率趨于100%，因為較大的霧滴會從振弦絲之間透過，其分離作用取決于振弦絲間距和層數(shù)。振弦除塵器的除霧效率隨著振弦絲間距的減小而急速提高。

（3）在霧徑為29～100μm、振弦絲間距分別為1.5和3mm的情況下，振弦柵除霧效率的理論值與實驗值相吻合。

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