濕式除塵與氣水霧化機理研究

蘇保忠　張朝宣

摘 要 粉塵濃度是影響煤礦通風質量和通風安全的重要因素，噴霧降塵是降低粉塵濃度的有效方法。本文綜合考慮濕式除塵多種機理的綜合作用推導出改進的噴霧液滴群捕塵效率計算模型，并通過對氣水霧化的機理研究得到氣水噴嘴霧化效果的影響因素，對評價濕式除塵效果和設計新型氣水噴嘴具有指導意義。

關鍵詞 粉塵濃度 濕式除塵 機理 氣水霧化

中圖分類號：TD714.42 文獻標識碼：A

Study on Wet Dust Removal and Air-water Atomization Mechanisms

SU Baozhong， ZHANG Chaoxuan

（Pingdingshan Tianan coal Limited by Share Ltd No.5 Coal Mine， Pingdingshan， He'nan 467100）

Abstract Dust concentration is an important factor which affects the safety of coal mine ventilation quality and safety， and spray dust-settling is one of the effective methods to reduce dust concentration. This paper considers comprehensively kinds of wet dust removal mechanisms to deduce the modified calculation model of the spray droplet group collecting efficiency and air-water atomization is researched to get the influencing factor of atomization effect of air atomizing nozzle. The study has a guiding significance when evaluate the efficiency of wet dust removal and design new kind of Gas-water nozzle.

Key words dust concentration； wet dust removal； mechanisms； air-water atomization

0 引言

煤礦井下風流中粉塵濃度是影響通風質量和通風安全的重要因素。噴霧降塵是降低井下風流中粉塵濃度的重要方法，研究濕式除塵與氣水霧化機理對于評價井下濕式降塵效果和研究新型氣水噴嘴有著重要的意義。

國內外學者對于濕式除塵機理做了大量研究，但是并沒有全面考慮慣性、重力、截留、靜電、擴散沉降等因素對噴霧液滴捕塵效率的影響。本文綜合考慮各種因素推導出改進的捕塵效率計算模型。氣水噴嘴是濕式除塵機械設備的關鍵部分，本文研究氣水霧化機理得出影響氣水噴嘴霧化效果的重要因素。改進的捕塵效率計算模型和影響氣水噴嘴霧化效果的因素對于評價濕式降塵效果、設計氣水噴嘴有著重要的指導作用。

1 濕式除塵機理研究

1-慣性碰撞捕集；2-截留捕集；3-布朗擴散捕集；4-重力捕集； 5-靜電捕集。

圖1 濕式除塵機理示意圖

濕式除塵中，氣流中的粉塵主要靠液滴來捕集。水與含塵氣流的接觸方式大致有水滴、水膜和氣泡三種方式。濕式除塵涉及多種機理的聯(lián)合作用，根據不同粒徑粉塵在流體中運動的特征，濕式除塵機理涉及慣性、重力、截留、擴散沉降等，這些機理的捕集過程如圖1所示。

1.1 單一液滴捕集效率

1.1.1 慣性碰撞捕集

粒徑較大的塵粒在運動中與液滴碰撞，慣性碰撞捕集效率與塵粒與液滴的相對速度、塵粒的直徑、密度和液滴的性質有關。由Wong和Johnstone提出的孤立液滴捕集效率與實驗較吻合：

= （1）

式中：

=

—— 孤立液滴慣性碰撞捕集效率；

——庫寧漢滑動修正系數；

——塵粒直徑，m；

——塵粒密度，kg/m3；

—— 孤立液滴慣性碰撞捕集效率；

—— 無因次慣性參數，稱斯托克斯數；

—— 塵粒與液滴的相對速度，m/s；

—— 液滴定性尺寸，m，對于球形液滴為其直徑；

—— 氣體動力粘度，Pa·s，標準狀態(tài)下空氣動力粘度為1.8？05Pa·s。

1.1.2 重力捕集

含塵氣流在運動時，粒徑和密度大的塵?？赡芤蛑亓ψ饔米匀怀两迪聛肀灰旱尾都Ｖ亓ψ饔萌Q于塵粒的大小，密度和氣體流速。只有塵粒較大、密度大、空氣流速小時重力作用才比較明顯，其捕集效率通常用無因次沉降參數表示：

= = （2）

式中：

—— 孤立液滴重力效應捕集效率；

——重力加速度，m/s2；

—— 氣體運動粘度，m2/s；

——氣體流速，m/s。

1.1.3 截留捕集

當塵粒隨氣流直接向液滴運動時，若塵粒與液滴的距離在dp/2以內，該塵粒將被液滴吸引并捕集。分析截留作用機理時假定塵粒只有一定尺寸而無質量，表征截留作用的是無量綱截留參數：

= （3）

塵粒很小時，截留捕集效率增高，勢流中球形液滴捕集效率可用式（4）計算：

= ≈3 （<0.1） （4）

對于粘性流，有：

= + （5）

式中：

—— 孤立液滴截留捕集效率。

1.1.4 布朗擴散捕集

微細塵粒隨氣流運動時，由于布朗擴散作用，而沉積在液滴上。它隨流速的降低，粉塵直徑的減小而增強。對于小于1m的塵粒，要考慮擴散作用。布朗擴散沉降效率取決于捕集體的質量傳遞皮克萊數Pe和捕集體的雷諾數Re。

皮克萊數是捕集過程中擴散沉降相對重要性的量度，Pe定義為 ：

= （6）

式中： —— 塵粒擴散系數，m2/s，可以由愛因斯坦公式計算。

另一有關的無因次數——密斯特數Sc，可按式（7）定義。

= = （7）

由式（7）可知：

=

式中：

—— 氣體密度，kg/m3；

Crawford導出布朗擴散捕集效率計算公式如式（8）。

= 4.18 （8）

1.1.5 靜電捕集

呼吸性粉塵慣性小在將要與水霧粒碰撞時要改變其運動軌跡而繞霧粒運動，難以被水霧捕捉。靜電捕集就是用大量帶電荷的霧粒，利用電荷之間的庫侖力來有效捕捉微細粉塵。

水霧粒與塵粒帶同性電荷時水霧和塵粒相互排斥，水霧對呼吸性粉塵捕集效率非常低。

水霧粒與塵粒帶異性電荷時，水霧的捕塵效率可以用式（9）表示：

= 2 / （3） （9）

式中： ——比例常數，為8.9880？09N·m2·C-2；

——修正系數；

——粘附系數，為接觸到水霧粒的塵粒被捕集的比例，≤1；

——水霧粒掃描面積的重疊系數，<1；

——霧粒密度，m-3；

——水霧粒的電荷量，C；

——塵粒的電荷量，C；

——塵粒運動時間，s；

——系數，≤1。

水霧粒帶電荷而塵粒不帶電荷時，水霧的捕塵效率可以用式（10）表示：

= （10）

式中：

——塵粒介電常數；

——水霧介電常數；

——真空介電常數；

單個液滴綜合捕塵效率是由所有的除塵機理共同決定的：

= （）（）（）（）（） （11）

其中、、、分別為液滴慣性碰撞、截留、布朗擴散、重力效應等機理的捕塵效率。各種機理的聯(lián)合作用十分復雜式（11）是一種近似計算，我們通常通過實驗確定各個機理的捕集效率的實驗常數來得到式（11）的簡化式（12）。

= + + + + （12）

其中：——實驗常數，0<<1， = 1，2，3。

考慮慣性碰撞的主要作用，式（12）可以進一步簡化為：

= （13）

其中：——截留、布朗擴散、重力效應等機理引起的捕集效率的實驗常數。

1.2 噴霧液滴群捕塵效率

為推導出噴霧液滴群的捕塵效率，假設粉塵隨氣流運動，液滴運動方向與氣流垂直，建立微元控制體如圖2：

圖2 液滴群捕塵模型示意圖

此外，假定液滴的尺寸D皆相同，液滴和塵粒在任一斷面上分布均勻，每個液滴捕集塵粒是獨立的，并且僅在行程范圍內捕集塵粒。對于微元控制體內的粉塵，可以列出質量平衡方程：

= （ + ） + （） （14）

式中 ：

——粉塵濃度，kg/m3 ；

——氣體速度，m/s；

——液滴速度，m/s； （下轉第66頁）（上接第27頁）

——氣液相對速度， = ，m/s；

——液滴含量，即 = / ；

——液滴作用面積，m2；

——液滴橫截面積月液滴體積之比，即 =

由式（14）化簡得：

= （15）

設粉塵原始濃度，即 = 0時， = ，液滴的作用長度，將上式積分得：

= （16）

= （） （17）

則除塵效率可以表示為：

= = = （） （18）

2 小結

（1）對濕式除塵機理進行分析，綜合考慮截留、布朗擴散、重力效應等機理的綜合作用，推導了噴霧液滴群降塵效率的計算模型。

（2）對氣水噴霧霧化機理及其影響因素進行分析，借鑒噴霧霧化及濕式除塵等相關理論，分析了噴霧破碎的機理，找出影響霧化效果的主要參數。

參考文獻

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