不同噴嘴類型靜電旋風水膜除塵系統配置優化實驗研究*

彭積成，陳祖云，張如夢

(江西理工大學 應急管理與安全工程學院，江西 贛州 341000)

0 引言

隨著國家對工業排放控制力度的不斷加大，我國的大氣污染控制取得了長足的進步。在日益嚴格的PM2.5排放標準下，單一降塵機理組成的降塵設備已不能滿足日益嚴格的工業排塵要求，多機理復合降塵技術已成為解決粉塵污染問題的重要技術手段[1-2]。靜電旋風水膜除塵系統耦合了濕式除塵器、旋風除塵器以及靜電除塵器的除塵機理，有效完善了單一降塵機理的缺陷，從而對粒徑較小的粉塵有較高的捕集效率[3-4]。通過查閱相關文獻，其影響因素除了與噴嘴類型、噴嘴位置和噴嘴數量有關[5-10]，還與進口風速，噴嘴單位面積流量及靜電電壓有關[11-14]。本文通過選型不同噴嘴類型，對進口風速、單位面積流量和靜電電壓進行組合優化，獲得各噴嘴作用下除塵系統各因素的最佳參數，從而提升對粉塵顆粒物的捕集效率。

1 實驗裝置

1.1 實驗裝置及現場布置

實驗采用自制的靜電旋風水膜除塵系統模型，處理風量為850 m3/h，實驗裝置示意圖和現場布置圖分別如圖1(a)和圖1(b)所示。進行實驗時依次啟動風機、水泵、發塵器、高壓電源，帶塵氣流從除塵系統的漸縮管口流進，進入旋風筒體內，在水霧和高壓電的作用下，形成較大的含塵帶電霧滴，霧滴在離心力和重力的作用下飛向旋風筒壁，粉塵被筒壁上形成的水膜所捕集，最終被捕獲的粉塵隨著水膜降落到水槽當中，凈化完的氣體從風機口排放到大氣中。

1.2 噴嘴類型及布置方式

實驗噴嘴布置方式及特性如圖2及表1所示，用水泵連接的4個進水口均勻設置在旋風筒體的上部，進水口安裝連接噴嘴的萬向噴管。

圖2 噴嘴類型及布置方式Fig.2 Types and arrangement of nozzles

通過集塵極清灰水膜均布性能實驗，發現加寬版吹風噴頭具有較好的水膜均布性，1 mm孔徑廣角實心噴嘴能提供更多的細小霧滴且荷電效果較好，綜合考慮選取加寬版吹風噴頭、1 mm孔徑廣角實心噴嘴、組合型噴嘴(3個加寬版吹風噴頭+1個1 mm孔徑廣角實心噴嘴)進行實驗。

表1 噴嘴特性Table 1 Nozzle characteristics

2 實驗結果分析

2.1 單因素影響實驗研究

本文用到的粉塵為一般滑石粉，粒徑大約為32 μm，樣品粒徑分布如表2所示。

表2 粉塵樣品粒徑分布Table 2 Particle size distribution of dust samples

2.1.1 進口風速

不考慮電壓下選用一般滑石粉發塵，測定進口風速的變化對加寬版吹風噴頭、組合型噴嘴以及1 mm孔徑廣角實心噴嘴的除塵效率的影響。通過改變風擋來改變進口風速，每擋對應風速如表3所示。

表3 除塵設備漏風率實驗結果Table 3 Experimental results of air leakage rate of dust removal equipment

測得實驗室空氣的密度ρ為1.199 kg/m3，僅改變進口風速的大小得到各噴嘴的除塵效率、系統阻力如圖3所示。由圖3可知，隨著進口風速的增大，各噴嘴的除塵效率先增大后減小。其增大的原因是風速的增大會增大含塵氣流在旋風筒體內的切向速度，使得含塵霧滴更易因離心力的作用被集塵板捕集；其減小的原因是風速過大會吹散旋風筒體內的水膜且風機較易將水霧抽出，出現煙氣帶水現象，其次風速過大會加大旋風筒體內塵粒的相互摩擦，從而更易形成細顆粒；風速過大同樣會破壞已凝聚好的較大粉塵和含塵霧滴。

圖3 進口風速對除塵效率和系統阻力的影響Fig.3 Influence of inlet wind speed on dust removal efficiency and system resistance

由圖3可知，僅考慮進口風速的影響，各噴嘴的綜合除塵效率排序為：組合型噴嘴>加寬版吹風噴頭>1 mm孔徑廣角實心噴嘴，3種噴嘴均在風速為12.03 m/s時達到最高除塵效率。3種噴嘴的系統阻力隨著進口風速的增大而增大，損耗急劇增加。當進口風速超過12.03 m/s時，壓力損失增長率有所增大。綜合考慮除塵效率及系統阻力，3種噴嘴的進口風速設為12.03 m/s較為合適。

2.1.2 單位面積流量

不考慮電壓下選用一般滑石粉發塵，進口風速為12.03 m/s，通過調節供水壓力來改變不同噴嘴類型的單位面積流量，測得對除塵效率及系統阻力的影響如圖4所示。

圖4 單位面積流量對除塵效率及系統阻力的影響Fig.4 Influence of unit area flow rate on dust removal efficiency and system resistance

由圖4可知，單位面積流量的增大，3種噴嘴作用下的除塵效率隨之增大；1 mm孔徑廣角實心噴嘴和組合型噴嘴的系統阻力也隨之增大，且1 mm孔徑廣角實心噴嘴的系統阻力增長率大于組合型噴嘴；加寬版吹風噴頭的系統阻力卻隨著單位面積流量的增大而不斷下降，但下降率有減小的趨勢。3種噴嘴除塵效率增大的原因是單位面積流量變大使得噴嘴形成的水膜更加的均勻，促使水膜能夠更好地捕集粉塵；1 mm孔徑廣角實心噴嘴和組合型噴嘴的系統阻力增大的原因是單位面積流量增大，連接有1 mm孔徑廣角實心噴嘴的旋風筒體內含塵霧滴較多，一部分含塵霧滴隨風流進入除塵口，從而系統阻力增大；而加寬版吹風噴頭的系統阻力減小的原因是流量增大會使筒壁內的水膜分布的越均勻，水膜會把筒壁接縫覆蓋，從而系統阻力因此而減小。

綜合考慮除塵效率和系統阻力，加寬版吹風噴頭、組合型噴嘴和1 mm孔徑廣角實心噴嘴的單位面積流量分別設為1.14，1.02，0.33 L/(m2·s)。

2.1.3 靜電電壓

選用一般滑石粉發塵，進口風速為12.03 m/s，加寬版吹風噴頭、組合型噴嘴和1 mm孔徑廣角實心噴嘴單位面積流量分別為1.14，1.02，0.33 L/(m2·s)，測定在不同靜電電壓下，除塵效率的變化及相應伏安特性曲線如圖5所示。

圖5 除塵效率與V-I曲線關系Fig.5 Relationship between dust removal efficiency and volt-ampere characteristic curve

由圖5可知，3種噴嘴的除塵效率均隨著靜電電壓和電流的增大而不斷增大。組合型噴嘴的除塵效果較優，當電壓為45 kV、電流為0.347 mA時，除塵效率高達98.75%。1 mm孔徑廣角實心噴嘴放電效果最好，但電壓上升的區間不大，電壓高于25 kV容易出現擊穿現象。加寬版吹風噴頭的放電能力和除塵效率位于1 mm孔徑廣角實心噴嘴和組合型噴嘴之間，當電壓為45 kV時，除塵效率達到97.89%。綜合分析考慮，加寬版吹風噴頭、組合型噴嘴和1 mm孔徑廣角實心噴嘴的最佳靜電電壓分別為45，45，25 kV。

2.2 不同類型噴嘴的正交實驗

2.2.1 正交實驗設計

在單因素進口風速V、單位面積流量Qs和靜電電壓U最佳水平實驗結果的基礎上通過SPSS軟件進行正交實驗設計，以此來獲得該除塵系統各參數的最優配置。建立因素水平表如表4所示。

表4 因素水平Table 4 Factor levels

2.2.2 正交實驗結果與分析

通過實驗得到加寬版吹風噴頭、1 mm孔徑廣角實心噴嘴、組合型噴嘴的正交實驗結果，通過極差分析法對正交實驗結果進行分析，分別得到3種噴嘴除塵效率正交實驗結果如表5所示、正交因素顯著性對比表6。

表5 3種噴嘴除塵效率正交實驗結果Table 5 Orthogonal experimental results of dust removal efficiency of three nozzles

表6 3種噴嘴正交因素顯著性對比Table 6 Comparison on orthogonal factor significance of three nozzles

圖6 影響因素直觀分析Fig.6 Visual analysis diagram of influencing factors

由圖6(a)可知，隨著進口風速不斷遞增，3種噴嘴的除塵效率先遞增后遞減且均在進口風速為12.03 m/s時達到最大，故最佳進口風速為12.03 m/s；由圖6(b)可知，單位面積流量的增大，3種噴嘴的除塵效率均隨之增大，1 mm孔徑廣角實心噴嘴增長較為明顯，故1 mm孔徑廣角實心噴嘴的最佳單位面積流量為0.33 L/(m2·s)，綜合考慮加寬版吹風噴頭和組合型噴嘴的除塵效率增幅漸為平緩及用水量的情況，加寬版吹風噴頭和組合型噴嘴的單位面積流量分別設為1.14，1.02 L/(m2·s)較為合適；由圖6(c)可知，3種噴嘴的除塵效率均隨著靜電電壓的增大而增大，且增長率變大，因此加寬版吹風噴頭、組合型噴嘴和1 mm孔徑廣角實心噴嘴的最佳靜電電壓分別設為45，45，25 kV。

2.2.3 不同噴嘴類型對比

在3種噴嘴各自最佳參數情況下，分別實驗5組，得到對應的除塵效率、系統阻力如圖7所示。由圖7可知，3種噴嘴的除塵效率波動范圍均在1%之間；3種噴嘴的系統阻力波動范圍均在10 Pa之間，說明實驗測得的數據可靠且具有參考價值。3種噴嘴在最佳參數下除塵效率的排序為：組合型噴嘴>加寬版吹風噴頭>1 mm孔徑廣角實心噴嘴，最佳參數下系統阻力的排序為：1 mm孔徑廣角實心噴嘴>組合型噴嘴>加寬版吹風噴頭，且1 mm孔徑廣角實心噴嘴的系統阻力遠遠大于另外2種噴嘴的系統阻力。

圖7 最佳參數下設備除塵效率和總阻力Fig.7 Dust removal efficiency and total resistance of equipment under optimal parameters

結合除塵效率和阻力分析，該靜電旋風水膜除塵系統在最佳參數下的除塵性能為：組合型噴嘴>加寬版吹風噴頭>1 mm孔徑廣角實心噴嘴。

在溫度為20 ℃、進口粉塵濃度為3.82 g/m3、組合型噴嘴最佳參數下，測定本除塵設備系統下粉塵顆粒的分級除塵效率，大致了解系統的粒徑除塵區間。通過實驗得到除塵系統的分級除塵效率，如圖8所示。

圖8 除塵系統分級效率Fig.8 Classification efficiency of dust removal system

由圖8可知，當進口風速不變時，隨著粉塵顆粒粒徑的增大，除塵系統的除塵分級效率也不斷增大且增幅不斷變緩，在粒徑大概為40 μm時分級效率約為100%；當粉塵顆粒粒徑一定時，系統的分級除塵效率隨著進口風速的增大呈現遞減的趨勢，但粒徑越大下的分級效率越接近，其原因是風速相對較小時，粉塵顆粒停留在除塵設備內的時間越長，使之與旋風筒體內由噴嘴產生的霧滴相碰撞的概率增大，碰撞后形成更大的含塵霧滴，因此更易被收塵極捕集。故較小的進口風速有利于提高除塵系統的除塵效率。

3 結論

1)隨著進口風速的增大，3種不同噴嘴類型作用下的除塵效率先增大后減小，系統阻力隨之增大；隨著單位面積流量的增大，3種不同噴嘴類型作用下的除塵效率呈現增大的趨勢，1 mm孔徑廣角實心噴嘴和組合型噴嘴作用下的系統阻力隨之增大，但加寬版吹風噴頭作用下的系統阻力呈現遞減趨勢；隨著靜電電壓的增大，3種不同噴嘴類型作用下的除塵效率均增大。

2)通過SPSS軟件正交實驗，得到3種不同噴嘴類型作用下的除塵效率各因素的影響排序均為：進口風速>靜電電壓>單位面積流量。加寬版吹風噴頭、1 mm孔徑廣角實心噴嘴和組合型噴嘴的最佳入口風速均為12.03 m/s，最佳單位面積流量分別為1.14，0.33，1.02 L/(m2·s)，最佳靜電電壓分別為45，25，45 kV。

3)在各噴嘴的最佳參數下，綜合考慮除塵效率和系統阻力，各噴嘴作用下的除塵性能排序為：組合型噴嘴>加寬版吹風噴頭>1 mm孔徑廣角實心噴嘴。在組合型噴嘴最佳參數下，當進口風速不變時，隨著粉塵顆粒粒徑的增大，除塵系統的除塵分級效率也不斷增大且增幅不斷變緩，在粒徑大概為40 μm時分級效率約為100%；當粉塵顆粒粒徑不變時，隨著進口風速的增大，系統的分級除塵效率呈現遞減的趨勢，粒徑越大下的分級效率越接近。