基于雙極荷電技術(shù)的旋風分離器分離性能強化研究

王曉棟, 邊騰飛, 黃 華, 沈 劍, 吳可君, 何潮洪

基于雙極荷電技術(shù)的旋風分離器分離性能強化研究

王曉棟1,2, 邊騰飛3, 黃 華3, 沈 劍4, 吳可君1,2, 何潮洪1,2

(1. 浙江省化工高效制造技術(shù)重點實驗室, 浙江大學 化學工程與生物工程學院, 浙江 杭州 310027;2. 浙江大學衢州研究院, 浙江 衢州 324000; 3. 浙江中煙工業(yè)有限責任公司, 浙江 杭州 310024;4. 寧波工程學院 材料與化學工程學院, 浙江 寧波 315211)

為了提高旋風分離器對細顆粒物的分離效率，采用雙極荷電技術(shù)對旋風分離器進行強化，通過實驗研究了荷電電壓、入口流速對旋風分離器分離性能的影響。結(jié)果表明，雙極荷電技術(shù)可顯著改善旋風分離器對細顆粒物的分離能力；荷電電壓超過起暈電壓后，隨著電壓的增加，分離效率明顯提高；增大入口流速可提高分離效率，但會減弱雙極荷電的強化效果。為解釋實驗現(xiàn)象，引入旋流、庫侖力作用下的顆粒凝并，建立了雙極荷電-旋風分離器分級效率模型。模型計算值與實驗值的平均絕對偏差為0.071，模型反映了“魚鉤效應”，顆粒凝并效果越強，“魚鉤”現(xiàn)象越明顯。

旋風分離器；雙極荷電；湍流凝并；庫侖凝并

1 前言

細顆粒物(fine particulate matter，PM2.5)是影響大氣環(huán)境質(zhì)量的重要污染物之一，控制排放是治理PM2.5問題的主要途徑[1]。旋風分離器通過離心力分離氣流中的顆粒物，被廣泛用于工業(yè)煙道氣的初步除塵，但存在對細顆粒物分離效率低的問題[2]。PM2.5空氣動力學直徑小、重量輕，會隨著氣流運動而很難被離心分離。通過顆粒凝并技術(shù)可以使細顆粒物粒徑變大，這是強化旋風分離器分離性能的有效方法。

在眾多凝并技術(shù)中，雙極荷電凝并技術(shù)在凝并效果和經(jīng)濟性上都具有優(yōu)勢[3]，受到研究者的廣泛關(guān)注。有研究[4]表明，當荷電電壓高于起暈電壓時，電極附近的氣體介質(zhì)會發(fā)生電離，產(chǎn)生的帶電離子與顆粒物發(fā)生碰撞，從而使顆粒物負荷異種電荷。Eliasson等[5]研究發(fā)現(xiàn)，雙極荷電細顆粒物的凝并速率比中性顆粒高出2～4個數(shù)量級。張向榮等[6]和譚百賀等[7]分別研究了直流電場和交流電場下雙極荷電顆粒的碰撞凝并規(guī)律。相比于外加電場，湍流凝并通過流場擾流增大顆粒碰撞凝并幾率，具有能耗低的優(yōu)點。INDIGO公司[8]最早開發(fā)了運用雙極荷電-湍流凝并技術(shù)的凝聚器，通過設置擾流柱使荷電顆粒產(chǎn)生速度差。Wang等[9]提出一種耦合電暈電場和湍流的凝并裝置，可使顆粒荷電與湍流凝并過程同步進行。目前，旋風分離器的研究多與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)[10-11]，很少有將雙極荷電技術(shù)用于強化旋風分離器的報道。侯廣信等[12]的研究表明旋風分離器中存在湍流凝并。因此，可使用雙極荷電-湍流凝并技術(shù)強化旋風分離器。

荷電顆粒在旋風分離器中的運動非常復雜，經(jīng)典分級效率模型[13]難以用于顆粒凝并較強的情況。Wang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，旋風分離器分級效率曲線存在明顯的“魚鉤”現(xiàn)象(當顆粒尺寸小于臨界值時，分級效率在一定范圍內(nèi)隨著顆粒尺寸的減小而增加)，這種現(xiàn)象可認為是由顆粒凝并產(chǎn)生。梅芳等[15]考慮顆粒的破碎，修正了原有分級模型，導出“魚鉤效應”的計算式，但未考慮具體的顆粒凝并方式，且計算式只與顆粒尺寸相關(guān)。旋風分離器中還存在較強的旋流，旋流也會影響顆粒的選擇性混合和碰撞凝并[16-17]。因此，在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，引入旋流、庫侖力作用下的顆粒凝并，建立雙極荷電-旋風分離器分級效率模型，具有較大的實用價值。

為研究雙極荷電技術(shù)對旋風分離器的強化效果，探究荷電電壓、入口流速對旋風分離器分離效率的影響規(guī)律，本研究進行了不同操作條件下的旋風分離實驗，建立了雙極荷電-旋風分離器的分級效率模型，以期為雙極荷電-旋風分離器的設計提供相關(guān)的技術(shù)支撐。

2 實驗裝置與方法

2.1 實驗裝置

雙極荷電-旋風分離器實驗裝置如圖1所示，主要由顆粒發(fā)生系統(tǒng)、采樣測試系統(tǒng)、雙極荷電裝置及旋風分離器組成。

圖1 雙極荷電-旋風分離實驗裝置示意圖

1. compressor 2. flowmeter 3. electric heating wire 4. particle generator 5. rectifying section 6,8. sampling head 7. bipolar charging region 9. bag-type dust remover 10. sucking pump 11. control cabinet 12. high voltage DC power supply 13. high voltage cable 14,17. sampling tube 15. cyclone separator 16. dust collection chamber

顆粒發(fā)生裝置采用循環(huán)流化床發(fā)塵系統(tǒng)。在風機作用下，顆粒以流化狀態(tài)在發(fā)塵回路中循環(huán)?？赏ㄟ^流量計控制進入主系統(tǒng)管路的氣體流量，從而控制顆粒物濃度。為模擬煙道氣真實情況，選用粉煤灰為發(fā)塵物料，主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，密度約為2.4g×cm-3，比電阻為1010～1011Ω×cm，相對介電常數(shù)為6.4。

雙極荷電裝置如圖2所示，采用線板式結(jié)構(gòu)，細鎢絲作為電暈絲與高壓直流電源連接，電極板接地，正負荷電區(qū)長100 mm，高50 mm，板間距20 mm，相鄰電暈絲距離20 mm，電暈絲距離電極板10 mm。旋風分離器如圖3所示，結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖2 雙極荷電區(qū)示意圖

表1 旋風分離器結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 旋風分離器示意圖

測量系統(tǒng)采用Dekati DLPI+型低壓撞擊器，用于測量氣流中顆粒的質(zhì)量濃度。各級撞擊板所對應顆粒中位徑50值如表2所示，撞擊器基于顆粒慣性和質(zhì)量，將顆粒粒徑分為14級，可測粒徑為0.016～10 μm，誤差在±5%。實驗使用等速采樣法進行采樣，采樣探頭位于中心位置。管道截面積小于0.1 m2，同一截面采樣點數(shù)通常為1，管道中心處的顆粒物濃度即可代表該截面處的顆粒濃度。

表2 DLPI+各級撞擊板對應顆粒參數(shù)

為防止實驗過程中產(chǎn)生的細顆粒物污染環(huán)境，使用布袋收集廢棄粉煤灰顆粒。

2.2 實驗方法

在工程應用中，旋風分離器入口流速通常在15～25 m×s-1，在此流速下，大部分細顆粒物會隨著氣流從旋風分離器中逸出，并且高流速下，顆粒容易發(fā)生破碎造成顆粒凝并效果減弱。而研究顆粒凝并時，通常會選擇在較低的流速下進行[18]。為研究荷電顆粒在旋風分離器中的凝并、分離過程，參照文獻[16,18]，選擇流速7～9 m×s-1，并選取荷電電壓0～6 kV，進行雙極荷電-旋風分離實驗。風機啟動一段時間，待各流量計顯示穩(wěn)定后，在荷電區(qū)入口和旋風分離器出口進行采樣測試，采樣時間3 min。按照入口-出口的順序連續(xù)重復采樣3次取平均值，通過入口和出口處采樣顆粒的質(zhì)量，可以確定旋風分離器的總分離效率：

通過對比每一級撞擊板上收集到的顆粒質(zhì)量，可確定旋風分離器分級效率：

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 初始顆粒質(zhì)量-粒徑分布

在旋風分離器中，顆粒物的凝并和分離與顆粒分布狀態(tài)有關(guān)。如圖4所示為初始顆粒的質(zhì)量-粒徑分布，單次實驗數(shù)據(jù)由3次重復實驗取平均值獲得。Time1～4實驗點較為接近，這說明循環(huán)流化床發(fā)塵裝置具有較好的重復性。通過擬合實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，入口處顆粒粒徑分布近似服從對數(shù)正態(tài)分布，用in()表示：

3.2 荷電電壓、入口流速對旋風分離器總分離效率的影響

荷電電壓和對應的電流如表3所示，說明起暈電壓在5 kV附近，荷電電壓達到6 kV后，空氣介質(zhì)被擊穿。表4為不同荷電電壓及入口流速下，雙極荷電-旋風分離器的總分離效率。從表4可見，在同一流速下，荷電電壓在0～5 kV，旋風分離器的總分離效率變化很小。荷電電壓達到5 kV后，電極剛開始產(chǎn)生電暈，電離產(chǎn)生的帶電離子較少，荷電電壓對旋風分離器的分離性能影響不明顯。

圖4 入口顆粒的質(zhì)量-粒徑分布

表3 各荷電電壓對應電流

表4 不同荷電電壓、入口流速下旋風分離器總分離效率

還可觀察到，隨著電壓從5提高到6 kV，旋風分離器的總分離效率有明顯的提升，這說明雙極荷電技術(shù)對旋風分離器具有較好的強化效果。顆粒凝并和靜電吸附都會影響分離效率，通過比較荷電區(qū)前后的顆粒粒徑分布如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)顆粒凝并是分離效率提高的主要原因。荷電電壓增加，電極絲附近的電暈效果增強，產(chǎn)生更多的帶電離子，隨著氣流經(jīng)過的顆粒物通過碰撞捕獲帶電離子，因此顆粒荷電量變大。進入旋風分離器后，庫侖力在短距離內(nèi)促進顆粒凝并，顆粒荷電量越大，顆粒凝并效果就越強。凝并后的顆粒在旋風分離器中更容易被分離。旋風分離器中也存在帶有同種電荷的顆粒，顆粒之間存在排斥力，不利于顆粒的凝并，但有實驗證明荷電顆粒仍比不帶電顆粒更容易凝并[19]。

圖5 荷電區(qū)前后顆粒的質(zhì)量-粒徑分布

隨著入口流速的增加，旋風分離器的總分離效率增大。這是因為旋風分離器中顆粒所受離心力與顆粒運動速度的平方成正比，在較高的入口流速下，顆粒更容易被離心力甩向壁面而捕集下來。

為了更直觀地了解入口流速對顆粒凝并的影響，以相對于未荷電時的分離效率增加量表示雙極荷電的強化效果。當荷電電壓為6 kV、流速在7、8、9 m×s-1下的分離效率增加量分別為25.32%、14.04%、10.26%，在較低流速下，顆粒荷電對旋風分離器的強化效果更顯著。流速影響顆粒在荷電區(qū)和旋風分離器內(nèi)的停留時間，顆粒在以電場荷電為主要荷電方式時，可以認為顆粒荷電量在很短時間內(nèi)達到飽和，顆粒荷電時長對顆粒凝并的影響可以忽略。而在較低流速下，顆粒物在旋風分離器中有更長的停留時間，顆粒發(fā)生庫侖凝并的幾率更大，荷電的強化效果更好。

3.3 荷電電壓、入口流速對旋風分離器分級效率的影響

旋風分離器分級效率曲線有助于分析細顆粒物在旋風分離器中的凝并、分離過程。旋風分離器中，不同粒徑顆粒受到的離心力不同，若只考慮這個因素，分級效率曲線應為S型曲線，且旋風分離器對細顆粒物的分離效果較弱。這與圖6所示的類似“魚鉤”的現(xiàn)象不一致，說明在細顆粒物尺寸范圍，分級效率不是由旋風分離器的分離特性決定，而是由顆粒凝并決定。

圖6 荷電電壓、入口流速對旋風分離器分級效率的影響

由圖6可知，當荷電電壓為0 kV、入口流速為7 m×s-1時，細顆粒物的分級效率較低，旋風分離器難以分離氣流中的細顆粒物。隨著入口流速的提高，細顆粒物的分級效率有所提高，說明旋風分離器內(nèi)可能存在湍流凝并。分級效率曲線隨著荷電電壓的增加而向上移動，尤其是細顆粒物的分級效率，提升效果更明顯，說明雙極荷電加劇了顆粒間的凝并，即存在庫侖凝并。當入口流速為7 m×s-1、荷電電壓為6 kV時，粒徑為0.47 μm的顆粒所對應的分離效率與其他數(shù)據(jù)相比較大，呈現(xiàn)明顯的魚鉤現(xiàn)象，這是因為小粒徑顆粒具有更高的擴散系數(shù)，會加速細顆粒物的凝并進程[20]，并且隨著粒徑的減小，顆粒間吸引力和質(zhì)量力之比增大，凝并后的顆粒難以破碎。對于魚鉤現(xiàn)象，有很多不同的解釋，有研究者認為這是由于不完善的實驗和測量導致的偶然、隨機的現(xiàn)象[21]，Majumder等[22]將這現(xiàn)象歸因于大顆粒尾跡的夾帶作用，而通過以上對實驗結(jié)果的分析，“魚鉤效應”也可能是由顆粒凝并產(chǎn)生的。

4 物理模型

4.1 雙極荷電-旋風分離器分級效率模型

雙極荷電-旋風分離器的分級效率可通過入口和出口處的顆粒質(zhì)量-粒徑分布進行計算：

顆粒在旋風分離器中的運動過程非常復雜，同時涉及顆粒的凝并和分離。為簡化模型，對于確定粒徑分布的顆粒群，研究假設荷電顆粒在旋風場中先完成整個凝并過程再進行分離。該假設下，分離過程單獨進行，即不考慮顆粒凝并，此時的分級效率用(,)表示。旋風分離器分離的對象是經(jīng)過凝并后的顆粒群，可用agg(,,)表示凝并后顆粒的質(zhì)量-粒徑分布，旋風分離器出口處顆粒質(zhì)量-粒徑分布如式(5)所示：

結(jié)合式(4)、(5)，雙極荷電-旋風分離器的分級效率可表示為

式(6)中的(,)不考慮顆粒凝并，可采用Barth模型，詳見文獻[13]，(,)與入口流速、顆粒粒徑及旋風分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

根據(jù)實驗結(jié)果，入口顆粒的質(zhì)量-粒徑分布可認為是對數(shù)正態(tài)分布，如式(3)所示。Vemury等[23]研究表明，顆粒分布越接近對數(shù)正態(tài)分布，凝并前后顆粒分布的幾何標準差越接近常數(shù)。鑒于顆粒總質(zhì)量濃度不變，凝并后顆粒粒徑分布如式(7)所示：

將式(3)、(7)代入式(6)，得

從上式可見，分級效率模型的關(guān)鍵是確定凝并前后顆粒質(zhì)量中位徑的關(guān)系。通過凝并系數(shù)可聯(lián)系凝并前后顆粒狀態(tài)變化，進而得到顆粒質(zhì)量中位徑關(guān)系。凝并系數(shù)指顆粒在單位時間內(nèi)能夠進行碰撞凝并的有效體積。向曉東等[24]采用單分散性顆粒的凝并系數(shù)近似計算多分散性顆粒的凝并系數(shù)，提出了凝并前后顆粒的數(shù)量中位徑關(guān)系，如式(9)所示：

式中：表示顆粒在旋風分離器內(nèi)的平均停留時間，可用旋風分離器體積與流量比值表示：

當顆粒粒徑分布遵循對數(shù)正態(tài)分布時，顆粒質(zhì)量中位徑與數(shù)量中位徑存在以下關(guān)系[25]：

將式(11)代入式(9)，得到式(12)：

由式(8)、(12)可發(fā)現(xiàn)，確定分級效率還需要引入凝并系數(shù)模型。荷電顆粒在旋風場中的凝并主要有湍流凝并和庫侖凝并，湍流和庫侖力作用具有不同的運動尺度，可認為是相互獨立的，凝并系數(shù)采用文獻[26]中的方式，由湍流凝并系數(shù)和庫侖凝并系數(shù)進行計算：

在忽略旋流影響的情況下，可采用Saffman[27]提出的湍流凝并系數(shù)模型，如式(14)所示：

實際上，旋風分離器中湍流凝并會受到旋風場的影響，顆粒在旋風場中做螺旋運動，加劇顆粒的湍流混合，延長顆粒運動軌跡，從而影響湍流凝并系數(shù)。故需對式(14)進行校正，本研究引入一個表示旋流增強效果的系數(shù)tra，如式(15)所示：

顯然，在一定的流速范圍內(nèi)，tra隨入口流速的增大而增大，可近似用式(16)表示，其中1是與旋風分離器結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)。

當入口流速較大時，旋流場較強的剪切力會使顆粒破碎，從而減弱顆粒在旋風分離器中的凝并作用，此時的顆粒破碎核函數(shù)由文獻[16]給出。在本實驗中，入口流速為7～9 m×s-1，并且引入了庫侖力的影響，細顆粒物的庫侖力要大于顆粒所受到的剪切應力，因此沒有考慮顆粒破碎的影響。

顆粒庫侖凝并系數(shù)c則采用Williams提出的模型[28]：

式(17)中，布朗凝并系數(shù)t由文獻[28]給出，主要變量有顆粒粒徑1和2，顆粒荷電量1、2，溫度等。

研究對象的粒徑在0.48 μm以上，因此只考慮場致荷電的情況，并假設顆粒荷電在極短的時間內(nèi)完成，顆粒荷電量可以表示為[29]

為平均電場強度，與電流密度的平方根呈線性關(guān)系，借鑒線筒式電暈放電中電流與電壓的關(guān)系[30]，近似用式(20)表示，其中荷電電壓大于等于起暈電壓c。

以上的湍流凝并和庫侖凝并都使用了2種顆粒粒徑，由于式(9)中對所有顆粒均采用了同一凝并系數(shù)，粒徑為in的單分散性顆粒的凝并系數(shù)可近似表示多分散性顆粒的凝并系數(shù)[24]，故1、2均取為in。

綜上，雙極荷電-旋風分離器分級效率可通過式(8)、(10)、(12)、(13)、(15)、(17)～(20)進行計算，其中擬合參數(shù)1、2為可調(diào)參數(shù)，需通過擬合實驗數(shù)據(jù)得到。

4.2 物理模型計算結(jié)果與分析

雙極荷電-旋風分離器分級效率模型涉及的參數(shù)如表5所示。

表5 已知參數(shù)

使用1stOpt軟件對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，優(yōu)化算法采用麥夸特法(LM)+通用全局優(yōu)化法(UGO)，以殘差平方和最小作為擬合準則。收斂判斷指標為10-10，擬合參數(shù)1=0.146，2=636。此時分級效率的模型計算值與實驗值對比，平均絕對偏差0.071，最大絕對偏差0.223，相關(guān)系數(shù)2=0.92。如圖7所示為模型計算得到的不同入口流速、荷電電壓對應的分級效率曲線。圖中，5.0 kV-m、5.5 kV-m、6.0 kV-m是荷電電壓分別為5.0、5.5、6.0 kV時，使用本研究模型計算的分級效率曲線。作為對比，本研究也使用了Iozia-Leith模型[13]對各個流速下分級效率進行計算，計算值與實驗值平均絕對偏差0.124，最大絕對偏差0.34。此外模型引入了顆粒凝并對分級效率的影響，細顆粒物分級效率的計算結(jié)果與實驗結(jié)果更加吻合。模型適用條件如下：低濃度微米級顆粒，顆粒粒徑分布近似為對數(shù)正態(tài)分布，旋風分離器入口流速在5～15 m×s-1，顆粒荷電方式為線筒式或線板式荷電。

圖7 本研究模型計算得到的旋風分離器分級效率

從圖7可見，雙極荷電對旋風分離器的強化主要在于對細顆粒物分離效率的提升，可以有效改善傳統(tǒng)旋風分離器難以分離細顆粒物的缺點。并且分級效率曲線呈現(xiàn)明顯的“魚鉤效應”，在一定粒徑范圍內(nèi)，顆粒粒徑越小，分離效率越高。式(6)中，凝并前后顆粒的質(zhì)量-粒徑分布的比值agg/in反映了凝并效果的強弱，1-反映了顆粒分離效果，以荷電電壓6 kV，入口流速7 m×s-1為例，兩者計算結(jié)果如圖8所示。隨著顆粒粒徑變小，agg/in減小，agg/in表示凝并后某粒徑顆粒質(zhì)量與原始質(zhì)量的比值，說明顆粒粒徑越小，顆粒受凝并過程影響越顯著。從1-曲線可以看到，粒徑小于1 μm的顆粒物幾乎不能被分離，在此區(qū)間內(nèi)的顆粒物分離主要靠顆粒凝并，因此出現(xiàn)分離效率隨粒徑減小而增大的現(xiàn)象。顆粒尺寸較大時，agg/in接近于1，凝并效果較差，分級效率由顆粒分離過程決定。本研究考慮了顆粒凝并，且結(jié)果與“魚鉤現(xiàn)象”相符，隨著顆粒凝并系數(shù)的增大，“魚鉤”現(xiàn)象越顯著，說明此現(xiàn)象很可能是因顆粒間凝并形成大顆粒所導致。

圖8 gagg/gin與1-ψ

5 結(jié)論

采用雙極荷電技術(shù)強化了旋風分離器對細顆粒物的分離能力，進行了不同荷電電壓、入口流速下的旋風分離實驗，以此研究荷電電壓、入口流速對顆粒在旋風場中凝并、分離過程的影響，結(jié)論如下：

(1) 雙極荷電技術(shù)可以有效提高旋風分離器的總分離效率，荷電電壓從0 kV提高到6 kV，入口流速為7、8、9 m×s-1時分離效率分別從44.44%、58.38%、65.07% 提升至69.76%、72.42%、75.33%。雙極荷電-旋風分離器對細顆粒物具有較好的分離效率，分級效率曲線呈現(xiàn)類似“魚鉤”的現(xiàn)象，“魚鉤”效應可能是由顆粒凝并產(chǎn)生的。

(2) 荷電電壓達到起暈電壓后，顆粒荷電量隨著電壓的增加而增加，顆粒間庫侖力的增大有利于顆粒庫侖凝并，從而提高分離效率；入口流速增大后，一定程度上加強了顆粒湍流凝并，但會縮短顆粒停留時間，減弱顆粒凝并效果，降低雙極荷電對旋風分離器的強化效果。

(3) 引入旋流、庫侖力作用下的顆粒凝并，建立了雙極荷電-旋風分離器分級效率模型。分級效率的模型計算值與實驗值比較，平均絕對偏差為0.071，最大絕對偏差為0.223，模型較為可靠，可用于估計雙極荷電-旋風分離器分級效率。

A1, A2?擬合參數(shù)Vp?顆?？傮w積，m3 a?數(shù)量中位徑，mv?入口流速，m×s-1 Cμ?湍流相關(guān)常數(shù)vse?顆粒沉降速度，m×s-1 D50?顆粒中位徑，mmx?顆粒粒徑，m E?平均電場強度，V×m-1z?無因次量 f?摩擦系數(shù)α?質(zhì)量中位徑，m g?顆粒質(zhì)量-粒徑分布ε0?真空介電常數(shù)，F(xiàn)×m-1 Hcs?延伸面高度，mε?相對介電常數(shù) I?電流，mAεdis?湍流耗散率 K?總凝并系數(shù)，m3×s-1η?分離效率 Kc?庫侖凝并系數(shù)，m3×s-1λ?平均自由程，m KTS?湍流凝并系數(shù)，m3×s-1μ?氣體黏度，Pa×s Kt?布朗凝并系數(shù)，m3×s-1xtra?旋流增強效果系數(shù) kB?玻耳茲曼常數(shù)，J×K-1r0?初始顆粒總質(zhì)量濃度，mg×m-3 l?湍流尺度，mρg?空氣密度，kg×m-3 m?顆粒質(zhì)量，mgρp?顆粒密度，kg×m-3 mcyc?旋風分離器結(jié)構(gòu)相關(guān)常數(shù)σ?幾何標準差 n?顆粒數(shù)量ψ?不考慮顆粒凝并時的分級效率 q?顆粒荷電量，Cω?雙極荷電-旋風分離器分級效率 Q?體積流量，m3×s-1下標 S?入口截面積，m2i?撞擊盤序號 T?溫度，Kin?雙極荷電-旋風分離器入口 t?平均停留時間，sout?雙極荷電-旋風分離器出口 U?荷電電壓，Vagg?凝并后 Uc?起暈電壓，V1?小顆粒 Vcyc?旋風分離器體積，m32?大顆粒

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Study on enhancing of separation performance of bipolar charging technology-based cyclone separators

WANG Xiao-dong1,2, BIAN Teng-fei3, HUANG Hua3, SHEN Jian4, WU Ke-jun1,2, HE Chao-hong1,2

(1. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Advanced Chemical Engineering Manufacture Technology,College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Institute of Zhejiang University-Quzhou, Quzhou 324000, China;3. Technology Center, China Tobacco Zhejiang Industrial Co. Ltd., Hangzhou 310024, China;4. School of Materials and Chemical Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315211, China)

In order to improve separation efficiency of cyclone separators for fine particles, the cyclone separator was enhanced by bipolar charging technology. Effects of charging voltage and inlet flow rate on the separation performance of the cyclone separator were studied experimentally. The results show that the bipolar charging technology can significantly improve separation ability of the cyclone separator for fine particles, and a “fish-hook” shape of fractional efficiency curve is observed. The separation efficiency increased significantly with the increase of charging voltage. While increasing flow rate improved the separation efficiency, the strengthening effect of bipolar charging on the cyclone separator was weakened correspondingly. In order to explain the experimental phenomenon, particle agglomeration under swirl flow and coulomb force was introduced to the fractional efficiency model of a cyclone separator with bipolar charging. The average absolute deviation between the fractional efficiency calculated by the model and the experimental value was 0.071. The model can reflect the "fish-hook effect", and stronger particle agglomeration effects leads to more pronounced “fish-hook” phenomenon.

cyclone separator; bipolar charging; turbulent agglomeration; coulomb agglomeration

TQ 051.8

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.03.005

1003-9015(2022)03-0336-10

2021-05-27；

2021-11-22。

國家自然科學基金青年基金(21606136)。

王曉棟(1994-)，男，浙江東陽人，浙江大學碩士生。

何潮洪，E-mail：chhezju@zju.edu.cn

王曉棟, 邊騰飛, 黃華, 沈劍, 吳可君, 何潮洪. 基于雙極荷電技術(shù)的旋風分離器分離性能強化研究[J]. 高?；瘜W工程學報, 2022, 36(3): 336-345.

：WANG Xiao-dong, BIAN Teng-fei, HUANG Hua, SHEN Jian, WU Ke-jun, HE Chao-hong. Study on enhancing separation performance of bipolar charging technology-based cyclone separator [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2022, 36(3): 336-345.