荷電水霧除塵技術(shù)試驗(yàn)研究

修德江，楊成財(cái)，張彤

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 鞍山 114004；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司燈塔分公司，遼寧 遼陽111312；3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山114001）

礦山生產(chǎn)過程中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，其中的微細(xì)顆粒粉塵因其顆粒直徑小、在大氣中停留時(shí)間長、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，對人體健康及環(huán)境影響很大。特別是PM2.5以下顆粒，其粒徑小、比表面積大、吸附性強(qiáng)，且表面容易吸附有害物質(zhì)，一旦通過呼吸進(jìn)入人體，會(huì)深入肺部，誘發(fā)各種疾病，因此對微細(xì)顆粒物的控制顯得尤為重要［1］。常規(guī)的除塵設(shè)備主要有機(jī)械除塵器、電除塵器、過濾除塵器和洗滌除塵器等，但這些除塵設(shè)備對微細(xì)顆粒粉塵的除塵效率均較低。

鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司現(xiàn)有除塵器主要包括電除塵、袋式除塵、電袋復(fù)合式除塵、濕式電除塵器等。其中，電除塵無法滿足10 mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)；袋式除塵處理含水分較多或有較強(qiáng)吸濕性的粉塵時(shí)，會(huì)發(fā)生濾袋黏結(jié)、阻塞濾料，且當(dāng)空氣溫度過低時(shí)，易冷凝結(jié)露而糊袋；濕式電除塵技術(shù)存在投資大、煙氣帶水、布置場地要求高、運(yùn)行成本高等問題。為了精準(zhǔn)捕集微細(xì)粉塵，達(dá)到對微細(xì)顆粒粉塵高效去除的目的，進(jìn)行了荷電水霧除塵技術(shù)試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)得出了不同荷電電壓、不同電極間距、不同噴霧水壓對水霧荷質(zhì)比的影響，及不同荷質(zhì)比對除塵效率的影響。

1 荷電水霧除塵技術(shù)機(jī)理

傳統(tǒng)水霧除塵是通過噴霧控制物料的濕度，減少粉塵產(chǎn)生量，從而起到除塵作用。但水霧顆粒與微細(xì)粉塵顆粒碰撞接觸機(jī)率低，對微細(xì)粉塵的控制效率較低［1］。水霧荷電技術(shù)是一種水電結(jié)合的除塵方法，即使水霧顆粒在電場的作用下帶上電荷，形成球形電場，產(chǎn)生靜電力，在靜電力慣性碰撞等的作用下，增強(qiáng)粉塵與霧粒相互碰撞的機(jī)率，使荷電霧滴與細(xì)微的粉塵吸附結(jié)合，粉塵顆粒通過凝聚形成較大顆粒［2］，從而加大塵土的沉降速度，達(dá)到捕集粉塵的目的。影響荷電水霧除塵效率的因素主要為水霧荷質(zhì)比。

2 水霧荷質(zhì)比影響因素

在荷電水霧除塵技術(shù)中，水霧荷質(zhì)比是影響荷電水霧除塵效果的一個(gè)重要指標(biāo)，也是評價(jià)霧滴荷電量的重要參數(shù)。影響水霧荷質(zhì)比的主要因素包括霧滴粒徑、荷電電壓、噴霧壓力、電極和噴頭間的距離（電極間距）、環(huán)形電極的直徑等。

2.1 測定水霧荷質(zhì)比試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)采用感應(yīng)荷電方式，感應(yīng)環(huán)為銅環(huán)，將高壓電的負(fù)極連接在銅環(huán)上，水霧噴嘴設(shè)置在銅環(huán)的軸線上，且距離銅環(huán)中心一定距離。在電場力作用下，水霧通過連接負(fù)高壓的銅環(huán)，會(huì)感應(yīng)上與銅環(huán)相同極性的負(fù)電荷。感應(yīng)荷電結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 感應(yīng)荷電結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural Sketch for Inductive Charging

本次試驗(yàn)研究中，通過測定荷電水霧的平均荷質(zhì)比來反映荷電霧滴群的荷電情況。水霧平均荷質(zhì)比測定裝置示意圖見圖2。

圖2 水霧平均荷質(zhì)比測定裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Measuring Device for Average Charge-mass Ratio of Water Mist

荷電水霧平均荷質(zhì)比計(jì)算公式［3］為：

式中，β為荷電水霧平均荷質(zhì)比，mC/kg；I為電流，mA；t為時(shí)間，s；Qg為水的質(zhì)量流量，kg/s；ρ為水的密度，kg/L；q為水的體積流量，L/s。

2.2 荷電電壓、電極間距對荷質(zhì)比影響

試驗(yàn)設(shè)定不同的高壓電源輸出電壓、不同環(huán)形電極和噴頭間的距離（電極間距），以獲取各種工況下水霧的荷質(zhì)比。環(huán)形電極采用Φ2 mm的銅環(huán)，環(huán)直徑為60 mm，設(shè)定噴霧壓力為0.6 MPa，電極間距分別取40 mm和60 mm，調(diào)節(jié)高壓電源的輸出電壓，從1 kV起遞增，遞增幅度為1 kV/次，最高實(shí)驗(yàn)電壓為9 kV。測定不同電極間距、不同荷電電壓下水霧荷電量，并計(jì)算得出水霧荷質(zhì)比。不同極間距下水霧荷質(zhì)比隨荷電電壓的變化趨勢見圖3。

圖3 不同電極間距下水霧荷質(zhì)比隨荷電電壓變化趨勢Fig.3 Variation Trend of Charge-mass Ratio of Water Mist with Variable Charged Voltages under Different Electrode Spacing

由圖3可以看出，隨著荷電電壓的增大，水霧的荷質(zhì)比呈先增大后降低趨勢。這是因?yàn)橥ㄟ^環(huán)形電極施加在噴頭噴霧區(qū)的電場強(qiáng)度會(huì)隨著荷電電壓的升高而增大，水霧在高壓電場區(qū)所受到的電場感應(yīng)也會(huì)呈正相關(guān)增強(qiáng)，其荷質(zhì)比會(huì)隨著荷電電壓的升高呈現(xiàn)出正相關(guān)的增長關(guān)系；但當(dāng)荷電電壓升高到一定值時(shí)，環(huán)形電極會(huì)發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，導(dǎo)致感應(yīng)荷電的荷電量和荷質(zhì)比降低。同時(shí)，在相同荷電電壓下，電極間距大的其荷質(zhì)比也較高，但差距較小，最大相差約0.05 mC/kg，且最大荷質(zhì)比均出現(xiàn)在試驗(yàn)電壓8 kV附近。

2.3 噴霧水壓對荷質(zhì)比影響

噴霧壓力的變化既影響水霧噴射的長度又影響水的流量［4］，二者都會(huì)影響荷質(zhì)比。此項(xiàng)試驗(yàn)中，環(huán)形電極采用Φ2 mm的銅環(huán)，環(huán)直徑為60 mm，電極間距為60 mm，以電導(dǎo)率約為0.45 mS/cm的普通自來水作為噴霧水源，噴霧壓力分別為0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa，施加電壓從1 kV起遞增，遞增幅度為1 kV/次，最高施加電壓為9 kV，測定不同噴霧水壓下水霧荷電量，并計(jì)算得出水霧荷質(zhì)比。不同噴霧水壓下水霧荷質(zhì)比隨荷電電壓的變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同噴霧水壓下水霧荷質(zhì)比隨荷電電壓的變化趨勢Fig.4 Variation Trend of Charge-mass Ratio of Water Mist with Variable Charged Voltages under Different Spray Water Pressures

由圖4可以看出，圖中三條曲線具有相同的變化規(guī)律，相同荷電電壓下，噴霧壓力越大，水霧荷質(zhì)比越高；噴霧壓力不變時(shí)，隨著荷電電壓升高，水霧荷質(zhì)比先升高再降低。這是因?yàn)?，荷電電壓相同時(shí)，提高噴霧壓力減小了霧滴粒徑，獲得了更大的表面積和更多的霧滴數(shù)量，從而可攜帶更多的電量，提高了荷質(zhì)比；噴霧壓力不變時(shí)，提高荷電電壓可使每個(gè)霧滴攜帶更多的電荷，從而提高了荷質(zhì)比，但當(dāng)荷電電壓升高到一定值時(shí)，環(huán)形電極會(huì)發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，導(dǎo)致感應(yīng)荷電的荷電量和荷質(zhì)比降低。本次實(shí)驗(yàn)的噴霧壓力分別為0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa，其荷質(zhì)比最大相差約0.05 mC/kg，最大荷質(zhì)比均出現(xiàn)在試驗(yàn)電壓8 kV附近。

3 水霧荷質(zhì)比對除塵效率影響

3.1 荷電水霧除塵試驗(yàn)設(shè)備和方法

荷電水霧除塵試驗(yàn)設(shè)備示意圖見圖5。試驗(yàn)設(shè)備主要由產(chǎn)塵、通風(fēng)、檢測、供電、供水、粉塵捕收、振弦過濾等幾部分組成。其中，產(chǎn)塵部分由空壓機(jī)產(chǎn)生高壓空氣，高速氣流通過文丘里管發(fā)塵器產(chǎn)生負(fù)壓，吸入粉料倉中的灰粉，從而產(chǎn)生一定濃度的粉塵；通風(fēng)部分采用小型離心風(fēng)機(jī)，并可根據(jù)試驗(yàn)需要由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)量。

圖5 荷電水霧除塵試驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.5 Schematic Diagram for Test Equipment by Dust Removal with Charged Water Mist

試驗(yàn)粉塵為鐵精礦燒結(jié)車間的積塵，其粒度分布如表1所示。由表1的粒度組成可知，該粉塵主要為除塵難度較大的呼吸性粉塵。

表1 試驗(yàn)粉塵粒度分布Table 1 Distribution of Dust Sizes in Testing %

本試驗(yàn)采用電暈荷電，電暈區(qū)產(chǎn)生帶負(fù)電的離子，使水霧荷電。選用錐形噴嘴，霧滴粒徑的中心值控制約75 μm，環(huán)形電極采用Φ2 mm的銅環(huán)，直徑為60 mm，環(huán)中心距噴嘴60 mm且垂直于風(fēng)流方向。振弦柵弦絲為6層，絲徑為0.2 mm。采用0～35 kV高壓可調(diào)電源。除塵率由濾膜計(jì)重法稱量計(jì)算，即抽取一定體積含塵空氣，將粉塵阻留在已知質(zhì)量的濾膜上，測定取樣后濾膜的增重，求出單位體積空氣中粉塵的質(zhì)量（mg/m3）。根據(jù)濾膜增重、流量及時(shí)間計(jì)算出管道內(nèi)粉塵計(jì)重濃度［5］。

除塵效率η可由下式得出：

式中，m1、m2分別為除塵器入口及出口處濾膜重，mg。

3.2 荷質(zhì)比對除塵效率影響

試驗(yàn)采用噴霧壓力分別為0.6 MPa和0.7 MPa，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電源，使二者在相同荷質(zhì)比條件下，進(jìn)行了除塵效率試驗(yàn)，結(jié)果見圖6。

圖6 不同噴霧水壓下除塵效率隨水霧荷質(zhì)比的變化趨勢Fig.6 Variation Trend of Dust Removal Efficiency with Variable Water Mist Charge-mass Ratio under Different Spray Water Pressures

由圖6看出，隨著水霧荷質(zhì)比的增加，除塵效率明顯增加。當(dāng)水霧荷質(zhì)較低時(shí)，噴霧壓力采用0.6 MPa時(shí)的除塵效率明顯低于采用0.7 MPa時(shí)的，這是因?yàn)樗F荷質(zhì)較低時(shí)主要靠水霧除塵，噴霧壓力大時(shí)可以產(chǎn)生更多的水霧，有利于提高除塵效率。隨著水霧荷質(zhì)比的不斷升高，噴霧壓力采用0.6 MPa的除塵效率與采用0.7 MPa時(shí)的逐漸接近，這是因?yàn)殡S著水霧荷質(zhì)比的提高，荷電后霧滴的的靜電力增加，其與粉塵顆粒的碰撞、擴(kuò)散、截留的機(jī)率也增大，對粉塵特別是微細(xì)粒粉塵的捕收效率也提高了，其除塵作用已不僅依靠水霧。本次試驗(yàn)中，當(dāng)荷質(zhì)比由0升至0.35 mC/kg，噴霧壓力為0.6 MPa的除塵效率從94.2%上升到98.4%，提高了4.2%；噴霧壓力為0.7 MPa的除塵效率從95.0%上升到98.6%，提高了3.6%，荷電后的霧滴對粉塵特別是微細(xì)粒粉塵的捕收效率與霧滴水霧荷質(zhì)比成正相關(guān)。因此，水霧荷質(zhì)比是影響荷電水霧對微細(xì)粒粉塵的捕收效率的重要指標(biāo)，即水霧荷質(zhì)比越高，對粉塵捕收效率越高；但水霧荷質(zhì)比不能無限度提高，因?yàn)樗F的荷電電壓達(dá)到一定值時(shí)會(huì)發(fā)生電暈放電，使水霧荷質(zhì)比降低。

4 結(jié)論

通過進(jìn)行荷電水霧除塵技術(shù)研究，分析了不同荷電電壓、不同電極間距、不同噴霧水壓對水霧荷質(zhì)比的影響，并對不同荷質(zhì)比對除塵效率的影響做了進(jìn)一步研究，得出以下結(jié)論：

（1）在一定范圍內(nèi)增大極間距，可提高水霧荷質(zhì)比，但幅度較小。本試驗(yàn)條件下的電極間距分別為60 mm和40 mm，其荷質(zhì)比最大相差約0.05 mC/kg。

（2）隨著荷電電壓的增大，水霧荷質(zhì)比呈增大趨勢，但當(dāng)荷電電壓達(dá)到一定值時(shí)，霧滴的荷質(zhì)比開始降低。本試驗(yàn)條件下的最大荷質(zhì)比均出現(xiàn)在試驗(yàn)電壓8 kV附近。

（3）荷電電壓相同時(shí)，提高噴霧壓力，可提高水霧荷質(zhì)比。本實(shí)驗(yàn)的噴霧壓力分別為0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa，其荷質(zhì)比最大相差約 0.05 mC/kg。

（4）水霧對粉塵尤其對呼吸性粉塵的除塵效率與水霧荷質(zhì)比呈正相關(guān)。本試驗(yàn)荷質(zhì)比從0升高到0.35 mC/kg，噴霧壓力為0.6 MPa時(shí)的除塵效率提高了約4.2%，噴霧壓力為0.7 MPa時(shí)的除塵效率提高了約3.6%。