濕式嵌入可調(diào)文丘里—纖維柵復(fù)式除塵裝置試驗研究

徐洪建 趙恒鋒 馮自琴 李治國 陳宜華

(1.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002;2.臨渙焦化股份有限公司,安徽 淮北 235141)

金屬礦山井下礦石溜破是產(chǎn)塵較大的系統(tǒng)之一,也是污染防治重點和難點[1-5]。 由于井下礦石破碎、轉(zhuǎn)運過程中會導(dǎo)致大量粉塵產(chǎn)生,使破碎硐室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量下降,產(chǎn)生大量的微細粉塵顆粒,極易通過呼吸道進入人體肺部沉積下來,嚴重危害人體健康,同時金屬氧化物粉塵還會令現(xiàn)場電子設(shè)備的使用壽命縮短[6-10]。 此外,井下破碎作業(yè)環(huán)境粉塵濃度波動大且環(huán)境濕度大等增加了粉塵治理難度[11-13]。

井下破碎除塵常用的方式包括噴霧降塵、電除塵器、袋式除塵器、濕式除塵器等[14-15]。 噴霧降塵應(yīng)用于含有黏土的礦石時,但會造成溜井和料斗以及排塵管道堵塞;電除塵器對粉塵顆粒的比電阻有特殊要求,且前期投資高,安裝難度大;袋式除塵器雖然對粉塵的捕集效率較高,但去除潮濕粉塵時易造成糊袋、維修量大、運行費用高;濕式除塵器在金屬礦山粉塵治理方面得到了廣泛應(yīng)用,但存在除塵效果不佳、經(jīng)濟性不合理等不足,如濕式文丘里除塵器對粉塵的去除效率高,投資相對較少,但運行阻力大、能耗高;濕式纖維柵除塵器運行阻力小、結(jié)構(gòu)簡單,但對于微細粉塵去除效果不夠理想[4]。 因此,對現(xiàn)有的濕式除塵裝置進行技術(shù)升級改造或研制出多機理高效復(fù)合除塵裝置很有必要。

本研究對文丘里除塵器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,設(shè)計了嵌入式可調(diào)文丘里除塵器,并引入濕式密集纖維柵除塵技術(shù),構(gòu)成復(fù)合濕式除塵裝置,通過對其影響因素進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,提出文氏管—纖維柵濕式復(fù)合除塵裝置,以達到高效低阻的目的,滿足井下破碎硐室除塵需求。

1 濕式復(fù)合除塵器凈化機理

文氏管—纖維柵濕式復(fù)合除塵裝置的工作原理可闡述為:將含塵氣流送至收縮管中,流速逐漸增加,壓力能轉(zhuǎn)換為動能,并在文氏管喉管處氣流速度達到最大值。 通過調(diào)節(jié)喉部嵌入的柱體大小,可改變喉管環(huán)縫間距及風速,高速氣流使噴嘴的洗滌液高速霧化后,與漸縮管尾端或喉管前端的含塵氣體充分接觸,使粉塵顆粒黏附性增大,更易在碰撞中凝聚成粒徑較大的顆粒,之后進入擴散管中實現(xiàn)對微細粉塵顆粒的捕集[5]。 在氣流作用下,含塵霧滴運動到達纖維柵過濾階段,由于慣性碰撞和纖維柵攔截效應(yīng)等作用,纖維絲之間形成水膜,含塵霧滴顆粒黏附在纖維柵表面,透過纖維柵板的微細顆粒之間發(fā)生凝聚作用,纖維絲在高速氣流的沖擊作用下進行自激振動,當相鄰纖維絲的固有頻率與漩渦脫落頻率保持相同時,會引發(fā)共振現(xiàn)象,造成鄰近纖維絲之間形成“壁”效應(yīng),增大有效過濾面積[6-7],從而捕集并凝聚更多的大顆粒粉塵顆粒物,隨水流進入灰斗而被收集。

2 試驗分析

2.1 試驗裝置

本研究選擇以標準滑石粉作為試驗粉塵,選取螺旋發(fā)塵器均勻向管道內(nèi)發(fā)塵,通過調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速來控制單位時間內(nèi)發(fā)塵量。 離心風機、粉塵及阻力檢測儀、控制柜及內(nèi)徑220 mm 圓形管道組成除塵試驗系統(tǒng)(圖1)。 噴霧循環(huán)系統(tǒng)包含自吸水泵、過濾元件、水箱和轉(zhuǎn)子流量計等部件。 水箱內(nèi)洗滌液由自吸水泵抽出,經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計和過濾器過濾后從嵌入可調(diào)文丘里噴嘴引入到過濾單元,之后,均勻地噴灑在密集纖維柵上,捕塵后的洗滌液經(jīng)過濾后通過排水孔流至循環(huán)水箱。

圖1 濕式復(fù)合除塵裝置示意Fig.1 Schematic of wet composite dust removal device

凈化主體由嵌入可調(diào)文丘里和濕式密集纖維柵板兩部分組成。 嵌入可調(diào)文丘里包含收縮管、可調(diào)式喉管、擴散管等元件,通過法蘭連接組成,在喉管壁面兩側(cè)設(shè)置引射孔,通過硅膠管與恒液位供水箱連接,擴散管與纖維柵過濾單元通過法蘭連接。 纖維柵過濾單元由1 mm 厚的鍍鋅鐵皮制成,采用嵌入插板式,上蓋采用法蘭連接,以便于更換與清潔纖維柵板,管道中心內(nèi)安裝4 分超細霧化噴頭,兩側(cè)有測壓孔以及排水孔,在主體出口安裝折流板除霧器,防止水霧被帶入風機內(nèi)部。

通過測試采樣系統(tǒng)可以對濕式復(fù)合凈化裝置兩側(cè)的粉塵濃度、阻力進行采樣和測定。 采用微電腦粉塵采樣儀(LD-5)、采樣孔、橡膠管測量管道內(nèi)粉塵濃度。 通過橡膠管將凈化主體兩側(cè)等直徑管道上的采樣孔連接至微電腦數(shù)字壓力計測量凈化裝置阻力。

試驗中濕式復(fù)合機理除塵器設(shè)定的風量大小為1 650 m3/h。 除塵裝置設(shè)計嚴密,未出現(xiàn)漏風,入口風量與出口風量相同,故本研究選用濃度法計算粉塵捕集效率,公式為

式中,η為除塵效率,%;Cin為除塵器入口粉塵濃度,g/m3;Cout為除塵器出口粉塵濃度,g/m3。

2.2 試驗方法

本研究對濕式復(fù)合除塵裝置進行7 因素(3 水平)的正交試驗,主要影響因素包括喉管風速、文氏管擴散管角度、纖維柵纖維直徑、纖維板間距、纖維板層數(shù)、液氣比,采用直觀分析法進行分析,得出最佳參數(shù)組合,并運用單因素分析法研究各項參數(shù)對復(fù)合除塵裝置除塵效率和運行阻力的影響。

2.3 粉塵粒徑分布測定

相關(guān)研究表明,粉塵中呼吸性粉塵(呼塵)對人體健康影響較大,評價新型濕式除塵器性能時要考慮對呼塵的去除效率。 為此,依據(jù)《濕式除塵器性能測定方法》(GB/T 15187—2017),試驗選取標準325 目球形滑石粉作為測試樣品,并進行粒徑測試,從而獲得粉塵樣品粒徑的累積頻率分布圖(圖2),便于對除塵器進行分級效率分析。

圖2 粉塵粒徑累積頻率分布Fig.2 Distribution of dust particle size accumulation frequency

由圖2 可知:當粉塵樣品累積頻率達到50%時,對應(yīng)的中位徑D50=8.9 μm,10 μm 以下呼吸性粉塵顆粒累積頻率達56.7%。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同工況參數(shù)對濕式復(fù)合除塵器過濾性能的影響

3.1.1 文氏管喉管風速對過濾性能的影響

在濕式纖維柵纖維直徑0.4 mm、纖維板間距4 cm、3 層纖維板、液氣比0.4 L/m3、文氏管擴散管角度6°的條件下,探究不同喉管風速對濕式復(fù)合除塵器除塵性能的影響,結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

圖3 喉管風速對過濾效果的影響Fig.3 Effect of throat wind speed on filtration effect

圖4 喉管風速對凈化阻力的影響Fig.4 Effect of throat wind speed on purification resistance

由圖3 可知:過濾效率隨著文氏管喉管風速增加而增大,且當文氏管喉管風速增加至33.6 m/s 時,增加幅度逐漸減緩,是因為喉管風速不斷增大,在一定程度上加劇了含塵氣流與霧滴之間的碰撞和凝聚效果,使含塵粒子到達纖維板過濾段時被捕集、沉降。分析圖4 可知:喉管風速越大,運行阻力越大,且速度增大至33.6 m/s 時,增加幅度逐漸拉大。 從除塵裝置“高效、低阻、節(jié)能”的角度出發(fā),不宜盲目增大喉管風速而追求更高的效率,還要考慮阻力和能耗問題,故而選取的最佳喉管風速為22.7～33.6 m/s。

3.1.2 纖維柵纖維直徑對過濾性能的影響

在3 層間距為4 cm 的纖維濾板、液氣比0. 4 L/m3、文氏管擴散管角度為6°的條件下,通過改變纖維柵纖維直徑,研究不同纖維直徑對濕式復(fù)合除塵器過濾性能的影響,結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 纖維直徑對過濾效率的影響Fig.5 Effect of fiber diameter on filtration efficiency

圖6 纖維直徑對凈化阻力的影響Fig.6 Effect of fiber diameter on purificati resistance

綜合分析圖5 和圖6 可知:在相同喉管風速條件下,纖維直徑越小,對粉塵粒子的捕集效率越高,最高可達99.1%。 這是由于不銹鋼絲越細,纖維板內(nèi)充填率越高;通過提高風速,使含塵氣流與霧滴的碰撞次數(shù)增加,形成更大的含塵液滴并黏附在纖維柵,使?jié)駶櫟睦w維在重力作用下形成多層“水膜”,從而捕集更多的粉塵顆粒。 在相同風速條件下,不同纖維直徑對濕式復(fù)合除塵器的凈化阻力影響較小,但纖維直徑越細時,噴嘴噴出的霧滴隨氣流高速流動,易在纖維柵板上形成“過濾面”,阻礙粉塵粒子穿過纖維柵板,導(dǎo)致整體運行阻力增大。 本研究在綜合考慮過濾效率和凈化阻力后,確定的最佳纖維直徑為0.3 mm。

3.1.3 纖維柵間距對過濾性能的影響

在纖維直徑0. 2 mm、3 層纖維板、液氣比0. 4 L/m3、文氏管擴散管角度為6°的參數(shù)條件下,通過調(diào)節(jié)纖維板間距,分析不同纖維板間距對濕式復(fù)合除塵裝置過濾性能(效率、阻力)的影響,結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 纖維板間距對過濾效率的影響Fig.7 Effect of fiber board spacing on filtration efficiency

圖8 纖維板間距對凈化阻力的影響Fig.8 Effect of fiberboard spacing on purification resistance

保持喉管風速不變(v喉=28.80 m/s),纖維板間距逐漸變大,對含塵粒子的去除效率越低,除塵裝置阻力越小。 當間距為5 cm 時,阻力下降坡度逐漸減緩,這是由于在相同體積下纖維柵板數(shù)相對減小,隔板對風流的阻力減小;保持纖維板間距不變,增大喉管風速,過濾效率呈先增大后減小的趨勢,在28. 8 m/s 處過濾效率達到最大值,除塵裝置凈化阻力呈增大趨勢,其中纖維板間距為2 cm 時阻力值最大。 綜合考慮除塵效率和運行阻力,確定的最佳纖維板間距為3～5 cm。

3.1.4 纖維柵層數(shù)對過濾性能的影響

在纖維直徑為0.3 mm、纖維板間距為4 cm、液氣比0.4 L/m3、擴散管角度為6°的條件下,通過改變纖維板層數(shù),分析不同纖維板層數(shù)對濕式復(fù)合除塵器過濾效果的影響,結(jié)果如圖9 和圖10 所示。

圖9 纖維板層數(shù)對過濾效率的影響Fig.9 Effect of fiber sheet number on filtration efficiency

保持喉管風速不變,不斷增加纖維板層數(shù),對粉塵的過濾效率呈上升趨勢,凈化阻力增大,但增加幅度較小;當纖維板層數(shù)相同時,增大喉管風速,過濾效果也逐漸提升,凈化阻力呈線性增加。 這是由于纖維柵層數(shù)逐漸增加時,過濾總厚度增加,延長穿過過濾段的捕集時間,使含塵粒子與霧滴在纖維柵過濾段碰撞次數(shù)增加,從而增強了粉塵顆粒的捕集效果。 隨著纖維柵板層數(shù)增多,柵體間隙對流體的緩沖作用愈發(fā)明顯,凈化阻力急速增加。 通過對比分析圖9 和圖10,本研究確定的最佳纖維柵板層數(shù)為2～4 層。

3.1.5 液氣比對過濾性能的影響

在纖維直徑0.3 mm、纖維板間距4 cm、3 層纖維板、擴散管角度6°的條件下,分析不同喉管風速下液氣比對濕式復(fù)合除塵裝置過濾性能的影響,結(jié)果如圖11 和圖12 所示。

圖11 液氣比對過濾效率的影響Fig.11 Effect of liquid gas ratio on filtration efficiency

圖12 液氣比對凈化阻力的影響Fig.12 Effect of liquid gas ratio on purification resistance

同一風速條件下,隨著液氣比增大,裝置對粉塵的過濾效率先逐漸增大后趨于穩(wěn)定,凈化阻力則不斷增大;保持液氣比相同,喉管風速越大,除塵效率越高,運行阻力越大,不同風速對應(yīng)的凈化阻力值差距較明顯。 液氣比增大,相當于增加噴霧量,霧滴與含塵顆粒在擴散管與纖維柵過濾段內(nèi)碰撞次數(shù)增多,凝并效果顯著,且纖維柵板上附著的霧滴多,易形成水膜,增強了纖維板慣性捕集和攔截作用,但同時導(dǎo)致凈化阻力增大。 當液氣比≥0.5 L/m3時,霧滴與粉塵粒子的凝并逐步趨于飽和,再增加液氣比,捕集效率增幅不明顯,因此最佳液氣比范圍為0.3～0.6 L/m3。

3.1.6 文氏管擴散管角度對過濾性能的影響

在纖維直徑0.2 mm、纖維板間距4 cm、3 層纖維板、液氣比0.4 L/m3的條件下,通過改變喉管風速,探究不同擴散管角度對濕式復(fù)合除塵器過濾性能的影響,結(jié)果如圖13 和圖14 所示。

圖13 擴散管角度對過濾效率的影響Fig.13 Effect of diffuser angle on filtration efficiency

圖14 擴散管角度對凈化阻力的影響Fig.14 Influence of diffuser angle on purificati resistance

在相同風速條件下,角度越小,擴散管越長,對粉塵的去除效果越好,凈化阻力越低;當擴散管角度相同時,隨著喉管風速增大,去除效率先增大后逐步趨于平穩(wěn),凈化阻力與風速呈線性關(guān)系依次遞增。 因擴散管出口直徑已確定,擴散管越長,粉塵顆粒與霧滴在擴散管內(nèi)碰撞機會越多,且擴散管具有一定的凝聚和壓力恢復(fù)功效,因此擴散管角度越小,去除效率越高,凈化阻力越小。 對比圖13 和圖14 可知,擴散管角度為7°時,對粉塵的去除效率最小,且凈化阻力最大,故確定最佳擴散管角度為5°～6°。

3.2 分級效率

為了考察濕式復(fù)合除塵器對井下破碎硐室生產(chǎn)過程中粉塵顆粒物的捕集效果,在正交試驗獲得的最優(yōu)參數(shù)組合(喉管風速22.73 m/s、纖維柵纖維直徑0.3 mm、4 層間距為5 cm 的不銹鋼絲纖維柵板、液氣比0.6 L/m3、擴散管角度6°)條件下,對濕式復(fù)合除塵器進行分級效率測定,并與嵌入可調(diào)文丘里、濕式密集纖維柵兩種除塵器的分級效率進行比較,結(jié)果如圖15 所示。

圖15 分級效率對比Fig.15 Comparison of the classification efficiency

當喉管風速、入口風速保持不變時,粉塵粒徑越大,捕集效果越好,在某一粒徑范圍內(nèi)去除率可接近100%,對PM10(呼塵)的去除率達98.5%。 當粉塵粒徑大于15 μm 時,去除率增加趨勢逐漸變緩后趨于平穩(wěn)。 對比3 種除塵結(jié)構(gòu)性能可知,文氏管—纖維柵復(fù)合除塵器對粒徑小于10 μm 的呼塵去除效率比單一嵌入可調(diào)文丘里除塵器和單一濕式密集纖維柵除塵器的去除效率分別提高2. 1%、3. 3%;對3 μm粉塵去除率分別提高5.4%、6.6%,粒徑越細提高幅度越大,說明微細塵的凈化效果越好。

4 結(jié) 論

(1)對嵌入可調(diào)文氏管—纖維柵濕式復(fù)合除塵裝置的主要影響因素進行了分析和試驗研究,得到其與過濾效率、凈化阻力之間的變化規(guī)律,并從“高效低阻、節(jié)能減排”的角度,確定了各影響因素的最佳參數(shù)范圍,即文氏管最優(yōu)喉管風速為22. 7～33. 6 m/s,最優(yōu)擴散管角度為5°～6°,纖維柵最優(yōu)纖維直徑為0.3 mm,最優(yōu)纖維板間距為3～5 cm,最優(yōu)纖維板層數(shù)為2～4 層,最優(yōu)液氣比為0.3～0.6 L/m3。

(2)在最優(yōu)參數(shù)組合下,選取不同粒徑的粉塵對嵌入可調(diào)文氏管—纖維柵濕式復(fù)合除塵裝置進行分級效率測定,并與單一嵌入可調(diào)文丘里除塵和單一濕式密集纖維柵除塵裝置進行了性能對比。 經(jīng)試驗分析,嵌入可調(diào)文氏管—纖維柵濕式復(fù)合除塵器對PM10 的去除率達98.5%,比單一嵌入可調(diào)文丘里除塵器和單一濕式密集纖維柵除塵器的去除效率分別提高2. 1%、3. 3%,對3 μm 粉塵去除率分別提高5.4%、6.6%,對微細粉塵顆粒的去除效果良好。

(3)嵌入可調(diào)文氏管—纖維柵濕式復(fù)合除塵裝置對礦井破碎硐室潮濕粉塵去除適用性較好,濕式纖維柵過濾水膜對粉塵清灰效果良好,無糊袋堵塞問題。