濕式除塵器綜合運(yùn)行參數(shù)的影響

李小川 ，胡亞非，張巍，陳明軍，李強(qiáng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州，221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州，221008)

由于除塵效果好，濕式除塵器在礦物開采和加工利用等高產(chǎn)塵環(huán)節(jié)應(yīng)用廣泛，對濕式除塵原理、除塵效率、除塵器阻力特性、氣液兩相流等理論的研究也較為豐富[1-6]。隨著能源危機(jī)的凸顯，流體流動的能耗與除塵效率的綜合評價(jià)顯得尤為重要，在較高的除塵效率、較低的阻力及設(shè)備安全工況區(qū)運(yùn)行是濕式除塵器運(yùn)行參數(shù)設(shè)定的更佳選擇，目前這方面的綜合研究與評述也備受關(guān)注[7-9]。目前對濕式除塵器內(nèi)部復(fù)雜多相流動特性的研究方法或使用數(shù)值模擬或基于測試并不精確的氣液比，更為有效的實(shí)驗(yàn)手段較少，很難對除塵器效率、阻力和安全工況區(qū)進(jìn)行綜合評價(jià)[10-13]。本文作者應(yīng)用計(jì)算機(jī)多點(diǎn)實(shí)時(shí)測試技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)在較為寬泛的試驗(yàn)條件下對除塵器性能進(jìn)行測試，已完成濕式除塵器內(nèi)部壓力分布和氣液耦合特性等研究[14-15]，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)從除塵器運(yùn)行時(shí)液相節(jié)流液位差、氣相壓損、除塵效率和除塵器共振等的變化規(guī)律出發(fā)進(jìn)行研究，為探討除塵器高效、低耗、安全的綜合運(yùn)行參數(shù)提供參考。

1 除塵器原理及基本特性

節(jié)流型自激式水幕除塵器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，含塵氣流在通風(fēng)機(jī)抽吸作用下流入除塵器，氣流經(jīng)導(dǎo)流器引導(dǎo)至節(jié)流器處加速后在節(jié)流口對除塵液面形成沖擊，節(jié)流口前后產(chǎn)生節(jié)流液位差 Δh并同時(shí)產(chǎn)生大量高速運(yùn)動的液滴，固相粉塵在沖擊液面和與液滴接觸時(shí)被捕捉，清潔氣體經(jīng)排氣口排出。通過液床高度調(diào)節(jié)節(jié)流口初始過流面積，脫水器降低排氣口液滴夾帶量。

1.1 節(jié)流液位差Δh

節(jié)流液位差 Δh是除塵器節(jié)流口液面與接觸腔液面在節(jié)流作用下產(chǎn)生的液位差，如圖1所示，Δh表征節(jié)流(包括氣液固相的傳質(zhì)傳動過程)產(chǎn)生的氣相總壓頭損失，即

式中：p1和p2分別為節(jié)流口和除塵腔液面上方的靜壓力，Pa；x1和x2分別為節(jié)流口和除塵腔液面在x方向的最大刻度，m；dx為微分量；ρ為氣體密度，kg/m3；g為重力加速度，kg/s2。

圖1 節(jié)流型自激式水幕除塵器原理圖Fig.1 Structure chart of wet dust collector

Δh與氣體流速v(m/s)和初始過流高度b0(mm)有關(guān)，b0表示除塵器靜止時(shí)節(jié)流器末端距液面的距離，當(dāng)初始液位超過節(jié)流器最低點(diǎn)時(shí)b0為負(fù)值。

1.2 粉塵捕捉過程分析

液相捕捉粉塵的主要方式有慣性碰撞、截留和布朗擴(kuò)散等，由于氣液接觸方式和流速等不同這三種方式對除塵效率的貢獻(xiàn)也有差異。對節(jié)流型除塵器而言，由于 Δh的影響，氣流方向在節(jié)流口發(fā)生較大角度轉(zhuǎn)變(圖1中虛線表示氣相流線)，隨著氣流流速和b0的變化，粉塵捕捉過程也發(fā)生著微妙的變化，當(dāng)氣流流速較小b0較大時(shí)，氣流對液面的沖擊微弱，大顆粒粉塵由于慣性碰撞進(jìn)入液面被捕捉，部分小顆粒粉塵由于布朗擴(kuò)散進(jìn)入液面被捕捉，而絕大多數(shù)小顆粒粉塵隨氣流流出除塵器而未被捕捉；當(dāng)氣流速度增大，Δh隨之不斷提高時(shí)，氣流對液面產(chǎn)生較大沖擊，激發(fā)大量液滴，此時(shí)氣流方向發(fā)生較大角度的改變，幾乎所有大顆粒粉塵由于慣性碰撞而被捕捉，由于氣流方向轉(zhuǎn)變較大，更多較小粒徑粉塵處于截留作用范圍內(nèi)被捕捉，而由于大量液滴在除塵腔中形成水幕，增加了微細(xì)粉塵布朗擴(kuò)散的捕捉幾率，此時(shí)即使較大的b0也不會太多的降低粉塵捕捉效率；而當(dāng)氣流速度進(jìn)一步增加時(shí)，慣性碰撞與截留作用并不會隨氣流速度的增大而繼續(xù)增大，反而會因氣流速度過快而縮短接觸時(shí)間，降低了布朗擴(kuò)散對微細(xì)粉塵的捕捉效率。

1.3 除塵器全壓損失分析

除塵器整體壓力損失R(Pa)主要包括：含塵氣流節(jié)流過程產(chǎn)生的節(jié)流損失RP，脫水器阻力RT、固相粉塵攜帶阻力RG和其他局部阻力Rf等。

除塵器內(nèi)為氣-液-固多相流動，伴隨有復(fù)雜的傳質(zhì)傳動過程，分別測量RP，RT，RG和Rf較為困難，在考察除塵器阻力特性時(shí)可將整個除塵器選為控制體，氣相視為不可壓縮流體，用進(jìn)出控制體的氣相全壓差進(jìn)行計(jì)算：

式中：R為所選控制體全壓差；p1-1和p2-2分別為控制體進(jìn)、出截面的靜壓力；v1-1和v2-2分別為控制體進(jìn)、出截面的氣流平均速度。

2 實(shí)驗(yàn)方法

除塵器的長×入口寬×入口高為 2 m×0.4 m×0.2 m，除塵風(fēng)機(jī)最大流量3 026 m3/h，節(jié)流器末端距除塵腔底高130 mm，入口設(shè)置直徑為200 mm的均速管，安裝TES-1341型熱線風(fēng)速儀測量入口流速，風(fēng)速儀后方適當(dāng)位置設(shè)置粉塵投料口，JYB-DW 型微差壓傳感器測量除塵器1-1和2-2截面處靜壓力，固定在節(jié)流口前后兩側(cè)的刻度尺測量節(jié)流液位差Δh，變頻器調(diào)節(jié)除塵器流速，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測點(diǎn)布置圖Fig.2 Experimental system and measuring point arrangement

除塵效率實(shí)驗(yàn)所選粉塵為某燒結(jié)廠皮帶輸送轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)布袋收塵除塵灰中粒徑小于106 μm的粉塵，其中，D16＜11.67 μm，D75＜38.97 μm，D90＜53.03 μm，D98＜71.11 μm，粉塵堆積密度1.13 g/cm3，F(xiàn)C-1A型粉塵采樣儀采集除塵器出口粉塵濃度。

實(shí)驗(yàn)保持節(jié)流器高度 130 mm，粉塵投放量 0.2 kg/min，測量不同b0時(shí)除塵器節(jié)流液位差-氣流速度(Δh-v)關(guān)系如圖 3所示，全壓損失-氣體流速(R-v)關(guān)系和除塵器共振點(diǎn)如圖4所示；測量除塵器出口粉塵濃度，采樣時(shí)間 5 min，計(jì)算每次測試的除塵效率如圖5所示。

3 分析與討論

3.1 節(jié)流液位差Δh的變化規(guī)律

由圖3可知：同一初始過流高度b0條件的節(jié)流液位差Δh隨入口流速v增加而增大，相同v時(shí)b0越大，Δh越低。另外，當(dāng)b0為-15，0和14 mm時(shí)，Δh-v曲線呈顯著的線性關(guān)系；當(dāng)b0為34和45 mm時(shí)，Δh-v曲線呈二次曲線關(guān)系；在v＜16.8 m/s，b0≤14 mm時(shí)，Δh-v曲線可近似表示為：

式中：k為與除塵器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)的系數(shù)，s/mm；Δh0為與初始液位b0有關(guān)的參數(shù)，mm。當(dāng)b0＞14 mm時(shí)Δh-v曲線用二次關(guān)系表示更為貼切。

由Δh-v曲線的變化規(guī)律可知：當(dāng)b0較小時(shí)，除塵器在較低流速時(shí)就使氣液兩相較為充分的接觸，液相的節(jié)流液位差形成了氣相動能與壓力能轉(zhuǎn)換的抑制體，當(dāng)v增大時(shí)，Δh與氣相靜壓力形成線性平衡體系，表現(xiàn)為Δh隨v的線性增長；而當(dāng)b0較大時(shí)，除塵器在較低流速時(shí)氣相對液相的作用較弱，液相在一定程度上以壁面摩擦阻力抑制氣相動能與壓力能的轉(zhuǎn)換，因此Δh與v在一定程度上表現(xiàn)出了二次曲線關(guān)系的增長趨勢。

圖3 不同b0時(shí)Δh-v關(guān)系Fig.3 Δh-v curves of dust collector on different b0

3.2 除塵器阻力變化規(guī)律

在大節(jié)流條件下氣流通過液相底層的阻力特性與氣流通過固體邊壁的傳統(tǒng)模型(R-v曲線呈二次關(guān)系)和文獻(xiàn)[11]中R-v曲線呈直線關(guān)系有較大差別。由圖4可知：當(dāng)b0較大時(shí)，R-v曲線體現(xiàn)出二次曲線關(guān)系，隨著b0減小，線性關(guān)系逐漸凸現(xiàn)。由曲線擬合數(shù)據(jù)可知：當(dāng)b0=45 mm時(shí)，擬合曲線二次項(xiàng)系數(shù)為1.290，而當(dāng)b0為0和-15 mm時(shí)，擬合曲線線性相關(guān)度都高達(dá)0.998。

圖4 不同b0的除塵器R-v曲線Fig.4 R-v curves of dust collector on different b0

除塵器阻力的二次曲線與直線關(guān)系主要是節(jié)流液位差 Δh對氣相動能與壓力能轉(zhuǎn)換抑制的結(jié)果。除塵器運(yùn)行時(shí)，在節(jié)流口前后液面分別加載了不同大小的靜壓力，產(chǎn)生了液位差值，隨著v增大，節(jié)流口前后靜壓差增大，Δh隨之增大，此時(shí)氣體過流面積隨Δh增大而增大，過流面積的增大抑制了流動阻力系數(shù)的進(jìn)一步增大，最終全壓損失與v達(dá)到一種線性平衡，Δh趨于穩(wěn)定。具體而言，當(dāng)b0較大v較小時(shí)，氣體過流面積較大，液相以近壁面摩擦作用抑制氣相的流動，Δh的抑制作用表現(xiàn)微弱，氣相阻力體現(xiàn)出氣體流過固體邊壁的二次曲線特性；當(dāng)v增大到一定值后，液相近壁面摩擦作用對氣相阻力的影響遠(yuǎn)弱于 Δh的變化，除塵器R-v曲線體現(xiàn)出了直線特性，在圖4中，當(dāng)速度v分別大于7.33，10.64和11.95 m/s時(shí)，b0為45，34和14 mm曲線曲率都不斷變小，體現(xiàn)出直線特性。當(dāng)b0較小時(shí)，氣體過流面積較小，在較低v時(shí)液相表面摩擦作用對氣相阻力的影響就遠(yuǎn)小于 Δh的變化，當(dāng)v增大時(shí)，Δh隨之增大來降低流動阻力系數(shù)，使全壓損失與v最終穩(wěn)定在線性平衡狀態(tài)，這從圖4中b0為0和-15 mm兩曲線得到證實(shí)。

3.3 除塵效率變化規(guī)律

濕式除塵器的除塵效率η與氣液兩相接觸充分程度有關(guān)。由圖5可知：隨著流速增加，不同b0時(shí)的η都不斷升高，b0較小時(shí)的除塵效率較高且有效流速范圍寬。當(dāng)b0為-15，0和14 mm時(shí)，在較小流速時(shí)除塵效率就能達(dá)到 90%以上，而當(dāng)流速分別大于 7.5，8.8和9.2 m/s時(shí)，η就能達(dá)到98%，隨著流速進(jìn)一步增加，除塵效率能達(dá)到99.5%以上；而當(dāng)b0為34和45 mm時(shí)，在較小流速時(shí)除塵效率不足90%，隨著流速增加雖也能達(dá)到較高的除塵效率，但有效流速范圍較窄，當(dāng)b0=34 mm，v＞12.3 m/s時(shí)，η能達(dá)98.6%，隨著流速進(jìn)一步增加η能達(dá)到99.4%，而當(dāng)b0=45 mm，v=15.8 m/s時(shí)，η僅為98.2%，此時(shí)的除塵器阻力處于較高值。

圖5 不同b0的除塵器η-v曲線Fig.5 η-v curve of dust collector on different b0

分析可知：當(dāng)b0較小時(shí)，初始過流面積較小，在較小流速情況下就產(chǎn)生了較大的Δh，氣流在節(jié)流口處受節(jié)流液位差影響，產(chǎn)生較大程度的方向改變，很大部分大顆粒粉塵都通過慣性碰撞被捕捉，得到了較高的除塵效率，隨著流速增加，氣流對液面的沖擊增大，Δh進(jìn)一步增大，且氣流沖擊的液滴量增加，在除塵腔中微細(xì)粉塵顆粒受布朗擴(kuò)散作用影響被液滴捕捉，進(jìn)一步提高了除塵效率。而當(dāng)b0較大時(shí)，初始過流面積較大，需要有足夠大的速度才能產(chǎn)生較大的Δh，因此慣性碰撞作用要在較大速度時(shí)才能起到較好作用，降低了整體除塵效率，而當(dāng)流速進(jìn)一步增加時(shí)，由于b0較大，同時(shí) Δh隨流速增加而增加，二者形成了很大的過流面積，較多小顆粒粉塵來不及發(fā)生方向轉(zhuǎn)變就隨氣流流過了節(jié)流口，逃脫了液相的捕捉作用，除塵效率始終處于較低水平。

3.4 除塵器振動及綜合運(yùn)行參數(shù)評價(jià)

除塵器固有頻率與除塵器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動頻率會在一定轉(zhuǎn)速下耦合發(fā)生共振，威脅到除塵器運(yùn)行安全，實(shí)驗(yàn)知，除塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率在44.8～45.6 Hz時(shí)，除塵器機(jī)械振動振幅明顯加大，并發(fā)生異常聲響，圖4中“振動點(diǎn)”位置為各b0時(shí)除塵器開始發(fā)生共振現(xiàn)象的速度位置(速度分別為15.28，13.68，12.90，12.21和10.23 m/s)，進(jìn)一步分析可知：除塵風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)的不平衡慣性力是產(chǎn)生共振的激勵作用力。因此，除塵器應(yīng)避免運(yùn)行在共振頻率區(qū)間內(nèi)。

在兼顧安全性的同時(shí)，較低的阻力損耗和較高的除塵效率是除塵器綜合運(yùn)行參數(shù)的重要評價(jià)指標(biāo)，由圖4和圖5可知：當(dāng)b0較小時(shí)除塵效率η很高，但除塵器全壓損失R較大；當(dāng)b0適中時(shí)除塵器全壓損失R整體降低，但除塵效率η在速度達(dá)到一定值時(shí)都能達(dá)到較高值；而當(dāng)流速增加到較高值時(shí)，所有b0的除塵效率增加緩慢，而阻力增加較快。綜合考慮共振頻率、阻力和除塵效率3個因素可知：當(dāng)b0為0，14和34 mm時(shí)，入口速度分別為9.31～12.21 m/s，9.22～12.90 m/s和12.30～13.68 m/s是較為安全、高效和低能耗的運(yùn)行工況區(qū)，相應(yīng)的除塵器全壓損失分別為 554～705，430～618和442～535 Pa，除塵效率能達(dá)到98.6%以上。

4 結(jié)論

(1) 節(jié)流液位差對氣相阻力的增加有抑制作用，除塵器Δh-v和R-v關(guān)系由于這種抑制作用，都表現(xiàn)出直線和二次曲線的組合，當(dāng)初始液位b0較大時(shí)呈現(xiàn)出二次線關(guān)系，當(dāng)b0較小時(shí)呈現(xiàn)出直線關(guān)系。

(2) 除塵效率η隨b0減小而增大，相同b0時(shí)，η隨氣流流速增大而增大，液相通過調(diào)節(jié) Δh更大程度地改變了含塵氣流的流動方向，增大了粉塵慣性碰撞捕捉幾率，Δh與流速v在提高除塵效率方面有著同樣重要的作用。

(3) 除塵器在風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)的不平衡慣性力激勵下會發(fā)生共振，綜合共振頻率、阻力和除塵效率3個因素，除塵器適宜的運(yùn)行工況為b0在0～34 mm、入口流速在9.22～13.68 m/s，此時(shí)除塵效率高達(dá)98.6%，全壓損失為430～705 Pa。

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