動態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器機理研究

王首杰 劉 飛

（1.山西煤炭運銷集團長治有限公司，山西 長治 046000；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

1 塵氣分離機理

1.1 含塵氣流的流動特性

分析與研討粉塵顆粒在氣體風(fēng)流和除塵箱管道中的流動特性是研究含塵氣流流動性的關(guān)鍵，絕大部分濕式除塵設(shè)備都涉及通風(fēng)除塵技術(shù)，尤為重要的是粉塵在箱體中的流動特性，箱體內(nèi)部粉塵流動性較為繁雜，與之相關(guān)的不僅包括雷諾系數(shù)和粉塵特性，箱體體積大小、箱體壁面粗糙程度、管道橫截面積等都是影響粉塵流動特性的因素[1-5]。

（1）塵粒在水平管道的運動特性。粉塵隨風(fēng)流由進風(fēng)口水平進入入風(fēng)管道中，附著在管道底端的粉塵在風(fēng)流的引導(dǎo)下，塵粒的底部與側(cè)面壓力漸大并發(fā)生螺旋運動。懸浮在氣流中粉塵顆粒的懸浮力計算公式為：

式中：K1表示粉塵懸浮系數(shù)；d表示塵粒直徑，m；ρg表示氣體密度，kg/m3；v表示塵粒橫向運移速度，m/s。

當施加塵粒的懸浮力等同于自身重力時，應(yīng)用式（1）計算塵粒懸浮需要的氣流邊界層速度為：

式中：vl表示塵粒橫向水平前進邊界層速度，m/s；ρc表示塵粒密度，kg/m3。

由式（3）可得出達到懸浮條件的邊界層速度為：

粉塵懸浮系數(shù)k1在湍流狀態(tài)下阻力通常取0.5，主要與粉塵在游離狀態(tài)下雷諾系數(shù)Re 以及塵粒形狀有關(guān)。其中影響雷諾系數(shù)Re 的因子包括：塵粒和氣流的相對速度、塵粒直徑d和空氣動力粘度等，由式（4）所示：

式中：μ表示氣體動力學(xué)粘度，Pa·s；γ表示空氣運動粘度，m2/s；v2表示塵粒和氣流的相對速度，m/s。

（2）塵粒在豎直管道的運動特性。粉塵流通豎直管道，其運動方式較為簡單，管道內(nèi)的空氣流通速度僅需比塵粒自身沉降速度大時，粉塵可在豎直管道中正常流通。由于空氣流速分布不均很難控制在固定范圍，因此使豎管平均氣流流速控制在塵粒沉降速度的1.2 至1.7 倍。

（3）塵粒在傾斜管道的運動特性。塵粒在傾斜管道運動特性取決于管道的傾斜角度，其運動特性近似接近于水平管道與豎直管道之間，傾斜角度比粉塵安息角大時，粉塵流動速度取較大值。

1.2 粉塵從氣流中的分離條件

含塵氣流流經(jīng)分離區(qū)會受到幾種作用力的相互影響，其原理如圖1。

圖1 塵氣分離原理圖

2 濕式除塵機理

濕式除塵的降塵機理是塵粒與液滴相互作用的結(jié)果，液滴捕捉塵粒具體包括慣性碰撞、攔截、布朗運動、重力沉降等[6-8]，捕塵原理圖如圖2。

圖2 濕式捕塵原理圖

2.1 慣性碰撞

塵粒隨含塵氣流流動時接觸到流體阻礙，氣流方向繞過流體表面運動，小顆粒塵粒跟隨氣流繞流，大顆粒塵粒受到自身重力影響運移時產(chǎn)生慣性力，其運移方向偏離氣流方向，并與液滴碰撞且被捕集達到降塵目的[9]。含塵氣流流速、塵粒的形狀、運移軌跡及其相關(guān)參數(shù)、塵粒粘附性都關(guān)乎液滴對于塵粒的捕集效率。其中斯托克斯數(shù)Stk是影響慣性碰撞效率重要因素，表達式由以下可知：

式中：ηz表示慣性碰撞捕集效率；τ表示張弛時間，s；v0表示氣流流速，m/s；Dc表示流體液滴直徑，m；ρp表示塵粒真密度，kg/m3。

2.2 攔截

粒徑小的細微塵粒因重力小所以不受慣性力影響[10]，隨含塵風(fēng)流同向運移，塵粒向液滴運移時，氣體流線距液滴表面距離在粉塵粒徑范圍之內(nèi)，塵粒便被液滴攔截。攔截捕集能力不與塵粒速度和質(zhì)量相關(guān)，其捕集效率與塵粒粒徑和液滴粒徑有關(guān)，Ran 提出勢流條件下攔截捕集效率公式為：

式中：ηj表示攔截效率；D表示塵粒直徑d與捕集物直徑dp的比。

2.3 布朗擴散

布朗運動是指懸浮在氣體中的細微塵粒與大氣分子間碰撞產(chǎn)生的無規(guī)則運動，擴散為輔助捕集因素，粒徑小于1 μm 的塵粒做無規(guī)則布朗運動情況下被液滴捕集的過程稱為布朗擴散。Crawford 提出了捕集效率為：

式中：σ表示接觸系數(shù)；Sc表示斯密特系數(shù)；v∞表示塵粒速度極值，m/s；vq表示氣體運動粘度系數(shù)，m2/s；Re 表示雷諾系數(shù)；k表示玻爾茲曼常數(shù)；T表示絕對溫度，K；Cm表示坎寧漢校正系數(shù)。

2.4 重力沉降

質(zhì)量與密度較大粉塵顆粒受到自身重力影響發(fā)生了沉降作用，被液滴包裹捕集。影響重力效應(yīng)的關(guān)鍵因素包括：塵粒粒徑、質(zhì)量以及密度，重力沉降捕集效率在氣流流速相對緩慢且塵粒體積足夠大時其捕集能力相對明顯。沉降參數(shù)KG表示沉降效率等同于塵粒重力沉降捕集效率ηG，其公式：

式中：CU表示重力效應(yīng)系數(shù)；dg表示塵粒當量直徑，m；vi表示氣體特征速度，m/s。

2.5 粘附機理

篩網(wǎng)在水中轉(zhuǎn)動，篩網(wǎng)掛水形成緊密的界面層（液膜層），產(chǎn)生了粘附力，塵粒在氣流中經(jīng)過碰撞、沉降后，塵氣分離飛散到篩網(wǎng)和水膜上，由于塵粒粒徑小于液滴粒徑進而被吸附在液滴和液膜之上。

3 篩網(wǎng)液膜過濾理論研究

3.1 篩網(wǎng)液膜過濾機理

篩網(wǎng)液膜過濾是一種與篩網(wǎng)孔徑大小相關(guān)的篩分過程，以篩網(wǎng)兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以液膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當含塵氣流穿過由篩網(wǎng)形成的液膜時，液膜可以當成由眾多液滴及細小水分子緊密構(gòu)成，運用降塵機理，將小于液滴粒徑的塵粒粒子捕集進而達到分離與降塵的目的。

3.2 液膜靜平衡理論

動態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器的關(guān)鍵核心是可以連續(xù)成膜，含塵氣流需反復(fù)突破不斷地形成與破裂的水膜，所以對水膜形成條件的研究是實現(xiàn)高效除塵的必要條件。根據(jù)表面張力下的平衡方程可以推算出，液膜在靜平衡狀態(tài)下需符合的標準：

式中：p+表示水膜界面外側(cè)壓力，Pa；σ1表示水膜界面表面張力；p—表示水膜界面內(nèi)側(cè)壓力，Pa；c表示水膜曲面平均曲率。

由于篩網(wǎng)孔徑較小，動態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器并未設(shè)計噴嘴等外界附加液體的條件，可以暫時忽略水膜界面的壓強大小，那么液膜靜平衡方程可以改寫成式（13）：

式中：ρy表示液體密度；σy表示液膜表面張力；g表示液體重力；r1表示水膜外側(cè)曲率半徑；r2表示水膜內(nèi)側(cè)曲率半徑。

3.3 液膜形成與破碎理論研究

動態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器中水膜的形成與破碎的影響因素頗多，例如含塵風(fēng)流過濾流速、篩網(wǎng)孔徑大小、動輪電機轉(zhuǎn)速等。如果除塵箱內(nèi)通過的含塵風(fēng)流過大，那么剛形成的水膜會在風(fēng)力作用下瞬間破碎；篩網(wǎng)孔徑過大，合力越大，成膜率明顯下降；動輪電機轉(zhuǎn)速過快，篩網(wǎng)沒有充分的時間掛水形成水膜。在試驗與研究前應(yīng)首先確保外界因素的穩(wěn)定。

（1）液膜成型理論

螺旋篩網(wǎng)隨著動輪在半浸水中旋轉(zhuǎn)，液體依靠流動性、濕潤性在篩網(wǎng)表面鋪展開來，水經(jīng)過擠壓產(chǎn)生壓力，伴隨壓力不斷增大直到水受到的壓力高于自身毛細作用力，篩網(wǎng)表面產(chǎn)生表面張力，篩網(wǎng)即可形成附有粘結(jié)性的水膜。

式中：Fs表示水膜的粘結(jié)力，N；FL表示篩網(wǎng)對水膜的臨界表面張力，N；dh表示篩網(wǎng)孔隙，m；Fα表示水膜的表面張力，N；α表示液體表面張力系數(shù)。

（2）液膜破碎理論

伴隨液膜的形成，在除塵過程中液膜起到至關(guān)重要的作用，所以研究液膜破碎理論，要同時考慮風(fēng)力及塵粒重力對液膜主動破壞的因素，在液膜破碎過程中遵循的動量守恒定律為：

式中：M表示液膜質(zhì)量，kg；vc表示塵粒水平流速，m/s；Fz表示水膜毛細力；Fb表示篩網(wǎng)與液膜間的摩擦力，N；ξ表示篩網(wǎng)阻力系數(shù)；vk表示液滴碰撞篩網(wǎng)時速度，m/s；Dc表示液滴直徑，m。

通過聯(lián)系液膜靜平衡理論，得出液膜破碎時間t為：

4 濕式除塵相似理論

4.1 氣固兩相流的相似理論

對于濕式除塵設(shè)備降塵理論的研究，我國學(xué)者也查閱了大量資料及進行了試驗研究，研究表明相似理論是研究與分析流體力學(xué)問題重要因素，運用公式應(yīng)用于同類型集合相似除塵器，來實現(xiàn)除塵設(shè)備高效率降塵與除塵。

4.2 液膜捕塵相似準則

液膜周圍濺射出的液滴也有捕獲塵粒的能力，含塵風(fēng)流抑制粉塵的運動以及塵粒的慣性作用力都是影響捕集的因素。所以確保無因次慣性系數(shù)在試驗?zāi)Ｐ椭信c實際問題原型中大小等同，塵粒流動規(guī)律近似，確保外界因素、液滴物理模型等均相似，才可以使得慣性碰撞幾率相同，其中慣性參數(shù)Kp為[3]：

由上述式子可以看出，只要確保液氣比與塵粒流速相似就可以使相似準則相同。

5 結(jié)論

（1）分別從塵氣分離機理、濕式除塵降塵機理、篩網(wǎng)濾膜過濾理論以及濕式除塵相似理論入手，闡述與分析含塵氣流的流動特性和塵粒與氣體分離條件和機理。

（2）介紹了濕式除塵設(shè)備中塵粒與液膜的除塵機理、液膜過濾塵粒原理、液膜平衡理論和液膜形成與破碎條件，并通過相似理論的介紹為今后濕式除塵設(shè)備的研究與發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。