礦山粉塵的濕式纖維層過濾阻力類比研究

陳喜山,張永亮(青島理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院,山東 青島 266520)

礦山粉塵的濕式纖維層過濾阻力類比研究

陳喜山,張永亮*(青島理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院,山東 青島 266520)

為提高礦山粉塵收集效率,對(duì)除塵器濕式過濾層纖維絲過濾阻力進(jìn)行理論分析,建立粉塵粒子通過除塵器濕式纖維絲時(shí)的阻力理論模型,自行設(shè)計(jì)了濕式纖維層過濾實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng),模擬礦山粉塵特點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)理論模型參數(shù)進(jìn)行了無量綱修正,進(jìn)一步完善粉塵濕式過濾的阻力理論公式.實(shí)驗(yàn)表明,該理論在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的準(zhǔn)確性.經(jīng)修正后的理論曲線不僅與實(shí)驗(yàn)曲線的趨勢(shì)保持一致,同時(shí)數(shù)值上也基本吻合,具有良好的代表性.

礦山粉塵；濕式纖維層；阻力；凈化；除塵器

礦山粉塵濕式纖維層過濾凈化方法是一種將過濾凈化機(jī)理同噴霧清洗機(jī)理相結(jié)合的復(fù)合凈化方法,該方法同時(shí)利用了纖維濾層對(duì)礦山粉塵過濾凈化的高效率和清洗液對(duì)沉積在纖維濾料上的礦山粉塵的清洗作用,對(duì)各類礦山粉塵均有很好的凈化效果.在這一過程中,不僅提高了礦山粉塵的凈化效率,還及時(shí)清洗了積存于過濾材料中的礦山粉塵,延長了過濾材料的使用壽命[1],如圖1所示.

在這一過濾凈化過程中,在礦山粉塵經(jīng)纖維濾層過濾的同時(shí),向纖維濾層噴灑霧化清洗液,使其在風(fēng)流的作用下進(jìn)入到纖維濾層中.此時(shí),過濾體除了有固體的纖維絲之外,還包含有以液膜、液珠等[2-4]多種復(fù)雜形態(tài)存在的清洗液.目前為止只能通過實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)手段對(duì)其進(jìn)行分析,獲得與過濾阻力、效率等有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù),還無法從理論上給出一個(gè)較為滿意的解釋.

通過前人對(duì)纖維層內(nèi)部的分析可知,濕式纖維層過濾的阻力相當(dāng)于纖維絲、液珠、液膜等對(duì)氣流阻力的總和[5-6],由于纖維過濾層中的纖維絲、液珠和液膜存在的形態(tài)過于復(fù)雜,總阻力并不是各自阻力的簡(jiǎn)單疊加,特別是以多種復(fù)雜狀態(tài)存在于過濾層內(nèi)部的清洗液根本無法進(jìn)行定量的描述.因此,在濕式纖維層過濾凈化中仍有許多至今難以確定的物理量和物理關(guān)系.

為了簡(jiǎn)化問題的分析和處理過程,在清洗液均勻分布于濾層纖維絲表面流動(dòng)的基本假設(shè)基礎(chǔ)上,提出了清洗液和纖維絲組成的混合捕集體的概念,對(duì)濕式纖維層過濾阻力的過程進(jìn)行了較為深入的研究,得出了濕式纖維層過濾阻力的理論模型,并通過正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了必要的相似修正,得出了較為符合實(shí)際的濕式纖維層過濾阻力的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式.

圖1 濕式過濾凈化模型Fig.1 Wet filtration purification model

1 過濾凈化阻力的理論分析

1.1 基本假設(shè)

為揭示影響凈化過程的主要因素,對(duì)濕式纖維層過濾過程作如下幾項(xiàng)基本假設(shè):

1) 纖維過濾層中的纖維絲的橫斷面為圓形,實(shí)際上也基本均為圓形;

2) 進(jìn)入纖維濾層的清洗液均勻分布于纖維絲的表面流動(dòng),形成當(dāng)量直徑為d的混合捕集體[7];

3) 礦山粉塵一經(jīng)被過濾下來,即被流動(dòng)的清洗液帶走,不影響以后的過濾凈化過程;

4) 過濾凈化過程在纖維過濾層內(nèi)部進(jìn)行.

經(jīng)過上述假設(shè)后,整個(gè)分析過程避開了濕式纖維過濾層中清洗液的復(fù)雜分布形態(tài),使之成為一個(gè)可以用數(shù)學(xué)描述且相對(duì)簡(jiǎn)單的等效過程.

1.2 理論模型的建立

1.2.1 濕式纖維過濾層中混合捕集體的充填率β及當(dāng)量直徑d的分析 在濕式過濾過程中濕式過濾層內(nèi)部的粉塵捕集體是由纖維絲和動(dòng)態(tài)流動(dòng)的清洗液組合而成,過濾層的總充填率應(yīng)為纖維絲的充填率βf加上清洗液的充填率β1,即:

通常,纖維過濾層的纖維絲充填率βf在濾料產(chǎn)品出廠時(shí)便已給出,清洗液的充填率β1與過濾凈化過程中噴入過濾層的清洗液量Q有關(guān),即 β1∝Q,可以通過單位時(shí)間的噴液量和纖維過濾層所占據(jù)的空間體積計(jì)算得到.

根據(jù)基本假設(shè)2),進(jìn)入纖維過濾層內(nèi)部的清洗液均勻地附著于纖維絲的表面流動(dòng).如圖2所示,混合捕集體的橫斷面積應(yīng)為纖維絲的橫斷面積和附著于纖維表面的清洗液部分之和,清洗液所占的面積即為包圍在纖維絲表面的環(huán)形面積.根據(jù)圖2可知,混合捕集體的當(dāng)量直徑d和纖維直徑df存在如下等式關(guān)系:

圖2 混合捕集體模型Fig.2 The composite trap model

式中:V為濕式纖維濾層所占據(jù)的空間體積,m3;β1為清洗液的充填率,%;lf為濕式纖維濾層中纖維絲的總長度,

將纖維的總長度lf代入式(2),整理后可得到混合捕集體的當(dāng)量直徑:

1.2.2 濕式纖維層過濾阻力的理論推導(dǎo) 由于噴頭噴出的噴射體為圓錐形,因此纖維過濾層的受液表面必為圓形.在風(fēng)流的作用下霧狀清洗液進(jìn)入到纖維過濾層的內(nèi)部,礦山粉塵的過濾空間應(yīng)為沿過濾層厚度方向的扁圓柱狀,如圖3所示.

在圖3中,沿長度方向取一微元片體,其厚度為dh斷面積為A.濕式過濾時(shí)該微元片體中總的充填率β 應(yīng)為纖維絲和清洗液兩者的充填率之和.

圖3 濕式纖維層內(nèi)單元微分體分析模型Fig.3 Analytical model of unit differential field in the wet fiber layer

分析沿風(fēng)流方向上作用在該微元片體上的力有:微元片體兩面的氣流壓力和氣流通過纖維層縫隙時(shí)的摩擦阻力dF.

沿流向方向?qū)懗?個(gè)作用力的平衡方程:

簡(jiǎn)化得:

氣流通過單位長度濕式纖維絲的繞流阻力為[8]:

式中:d為濕式纖維絲與清洗液組成的混合捕集體當(dāng)量直徑,m; u為過濾風(fēng)速,m/s; Cd為無因次系數(shù),是雷諾數(shù)Re的函數(shù),與過濾風(fēng)速v、當(dāng)量直徑d以及氣流的黏度μ有關(guān),可根據(jù)雷諾數(shù)Re查圓柱繞流阻力系數(shù)圖表獲得[5].

若該微元體內(nèi)纖維絲和清洗液組成的混合捕集體的總長度應(yīng)等于微元體內(nèi)纖維的長度dl,則微元片體內(nèi)的摩擦阻力應(yīng)為:

將(6)式代入(4)式后,取積分:

積分后整理可得:

再將(1)式和(2)式代入,可得如下理論式:

從式(8)可以看出,過濾阻力與過濾風(fēng)速的平方成正比,與纖維過濾層的厚度成正比,與纖維絲的直徑成反比,這些特點(diǎn)均與纖維層干式過濾時(shí)相同[9-10].

式(8)的意義在于:它不僅包含了過濾氣流物理參數(shù)、纖維過濾層材料的基本性質(zhì),同時(shí),又包括了清洗液在過濾層中的充填率.由于清洗液的充填率可以通過供液量計(jì)算得出,自然也建立起了過濾阻力與供液量之間的關(guān)系.

當(dāng)采取干式纖維層過濾時(shí),令清洗液的充填率β1=0,式(8)即刻變?yōu)槊枋龈墒嚼w維層過濾的阻力公式.

2 理論式的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)與修正

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示.

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)氣流、過濾單元參數(shù)見表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters

實(shí)驗(yàn)采用中位徑為22.58μm的微珠狀硅微粉模擬固體礦山粉塵,自來水作為清洗液.根據(jù)正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得出,最優(yōu)凈化區(qū)間的供液量分別為:Qi=40,60,80,100,120L/h.利用過濾單元層的體積和供液量分別計(jì)算出清洗液在不同噴液量情況下的充填率.

圖5中分別繪出了過濾阻力隨供液量變化的實(shí)驗(yàn)曲線和由式(8)計(jì)算出的過濾阻力隨噴液量變化的理論曲線.

由圖5可知,理論計(jì)算的阻力曲線和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的阻力曲線均隨供液量的增加而增大,近乎于直線,兩條曲線趨勢(shì)基本一致.可認(rèn)為理論曲線基本上可以正確描述過濾阻力隨供液量的變化規(guī)律.

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Simulation experimental system

圖5 過濾阻力的理論值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.5 Comparison of theoretical and experimental values of the filtration resistance

盡管兩曲線的趨勢(shì)一致,而理論值與實(shí)驗(yàn)值還不能完全吻合.一方面,是由于清洗液的實(shí)際分布狀態(tài)與第2)條基本假設(shè)有所差異所產(chǎn)生的影響;另一方面,是由于纖維層中纖維絲的相互重疊對(duì)氣體繞流的影響;同時(shí),過濾過程中難免有少量粉塵粒子清洗不干凈使阻力有所增加.

從二者的變化趨勢(shì)的一致性,可以應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)理論式(8)進(jìn)行無量綱修正,從而得到一個(gè)半理論半經(jīng)驗(yàn)公式指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用.

2.3 理論模型的無量綱修正

通過對(duì)圖5中兩條曲線分析,由于清洗液在過濾層中不規(guī)則的分布狀態(tài)、內(nèi)部流場(chǎng)的影響以及粉塵少量殘留是影響偏差的主要因素.這些影響主要反映在混合捕集體的充填率上,因此,對(duì)充填率項(xiàng)進(jìn)行校正.校正式的形式如下所示:

代回上式中,可得直線方程:

利用正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得到的5組最優(yōu)的供液量數(shù)據(jù),分別計(jì)算出5組供液量的充填率,代入X式中,計(jì)算出不同的X值作為橫坐標(biāo);將表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)與5種不同供液量實(shí)測(cè)的阻力值ΔP值分別代入Y式中,計(jì)算出不同的Y值作為縱坐標(biāo),得出X和Y相對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖(圖6).

圖6 散點(diǎn)分布Fig.6 Scatter diagram

圖7 過濾阻力的修正式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.7 Comparison of calculated and experimental values of the filtration resistance

對(duì)散點(diǎn)圖6進(jìn)行線性回歸,得到所設(shè)置的校正系數(shù)ξ≈0.965.將該值代回到原方程(9)中便可得到經(jīng)過無量綱相似校正的半理論半經(jīng)驗(yàn)的濕式過濾凈化阻力的計(jì)算公式:

由圖7可見,修正式(10)繪出的阻力曲線和實(shí)驗(yàn)曲線結(jié)果基本吻合,具有良好的代表性.

由于采用了無量綱的相似修正,因此,式(10)完全可以反映實(shí)際濕式過濾的情況,可以用于指導(dǎo)礦山粉塵濕式過濾凈化的設(shè)計(jì)研究工作.

3 結(jié)論

3.1 獲得了濕式纖維層礦山粉塵過濾阻力理論模型,該模型基本上反映了凈化過程中的實(shí)際情況,從理論上解決了以往理論上無法描述的濕式纖維層過濾阻力與供液量之間的關(guān)系,建立起了礦山粉塵濕式纖維層過濾凈化的理論基礎(chǔ).

3.2 應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)數(shù)值對(duì)理論式進(jìn)行了無量綱修正,通過修正得到了半理論半經(jīng)驗(yàn)式(10),使之更加適用于該區(qū)間內(nèi)的實(shí)際情況,不但可以用于濕式纖維層過濾凈化阻力的估計(jì),同時(shí),也可以用于指導(dǎo)該類過濾凈化器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

3.3 在最優(yōu)供液區(qū)間內(nèi)另選了一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與式(10)計(jì)算結(jié)果重新比較,兩者吻合較好.經(jīng)過校正后進(jìn)一步提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性.

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Analogy research on wet fiber layer filtration resistance of mine dust.

CHEN Xi-shan, ZHANG Yong-liang*(Environmental School, Qingdao Technological University, Qingdao 266520, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2721～2725

To raise the efficiency of dust collection, theoretical analysis on filtrating resistance about the fiber of wet filtering layer precipitator was carried on, and the theoretical model about filtration resistance of dust when it passed the wet fiber layer precipitator was built. Filtration experiment simulation system of wet filtering layer was designed, characteristics of mine dust was simulated with experiment study, the dimensionless parameter of theoretical model was modified, and the theory formula for resistance of dust wet filter was optimized. Results showed that this theoretical model possessed high accuracy and can be applied in practice. It has exhibited good representation, not only did the tendency of theoretical curve is in agreement with the test curve, but also the result basically agreed well with calculated value, as mended.

mine dust；wet fiber layer；resistance；purify；precipitator

X513

A

1000-6923(2014)11-2721-05

陳喜山(1956-),男,黑龍江齊齊哈爾人,教授,碩士,主要從事礦山通風(fēng)除塵及空氣凈化方面的研究.發(fā)表論文40余篇.

2014-01-15

國家自然科學(xué)基金(51274127,51204100)

* 責(zé)任作者, 副教授, zhyoliang@163.com