基于離子風(fēng)荷電的細(xì)水霧噴霧及抑塵特性

摘要： 基于離子風(fēng)荷電及設(shè)計的縮放噴管搭建了荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)，利用激光粒度分析儀和荷質(zhì)比測量裝置，通過改變荷電及噴霧系統(tǒng)參數(shù)，研究了荷電電壓和霧化壓力等對噴霧霧滴粒徑及抑塵特性的影響.結(jié)果表明：荷電細(xì)水霧索太爾平均直徑dst整體隨荷電電壓和霧化壓力提升而減小，但荷電電壓較低時液滴易聚并，dst略微增大.液滴荷質(zhì)比隨荷電電壓和霧化壓力提升而增大，其增速隨荷電電壓提升而減緩.荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)抑塵效率整體隨荷電電壓和霧化壓力提升而上升，但霧化壓力較高時提高荷電電壓，液滴粒徑過小則會導(dǎo)致蒸發(fā)加劇，抑塵效率下降.分級抑塵效率隨顆粒物粒徑減小呈U形分布，其拐點隨荷電電壓提升而前移.荷電電壓20 kV霧化壓力0.6 MPa時存在最佳抑塵效率.

關(guān)鍵詞： 荷電細(xì)水霧；索太爾平均直徑；荷質(zhì)比；抑塵；離子風(fēng)

中圖分類號： S210.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號： 1674-8530（2024）10-1005-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0092

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Droplet and dust suppression characteristics

of water mist based on ionic wind charging

LIU Guisheng1， LI Kewen1， ZUO Ziwen2， JIANG Peng2*

（1. Jianbi Power Plant of China Energy， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China; 2. School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： A charged water mist dust suppression system was established based on ionic wind charging and a domestically designed convergent-divergent nozzle. A laser particle size analyzer and a charge-to-mass ratio measurement device were used to investigate the effects of charged voltage and atomization pressure on the droplet Sauter mean diameter and dust suppression characteristics by changing the charged and spraying system parameters. The results show that the overall Sauter mean diameter dst of the charged droplets decreases with the increase of charging voltage and atomization pressure， while slightly increases under the low charging voltage because of the aggregation of droplets. The charge-to-mass ratio of the droplets increases with the increase of charging voltage and atomization pressure， and the rate of increase slows down with the increase of charging voltage. The overall dust suppression efficiency of the charged water mist dust suppression system generally increases with the increase of charging voltage and atomization pressure. However， when the atomization pressure is too high， the increase of the charging voltage will cause the dst to be too small， resulting in decreasing dust suppression efficiency because of the increase of evaporation. The graded dust suppression efficiency shows a U-shaped distribution with the decrease of particle size， and the inflection point shifts forward with the increase of charging voltage. The optimal dust suppression efficiency is achieved at a charging voltage of 20 kV and an atomization pressure of 0.6 MPa.

Key words： charged water mist;Sauter mean diameter;charge-to-mass ratio;dust suppression;ionic wind

大氣顆粒物污染對人體健康和生態(tài)環(huán)境危害十分嚴(yán)重[1-3].隨著國家環(huán)保政策加速收緊，燃煤發(fā)電、碼頭散貨裝卸以及采礦等傳統(tǒng)高污染行業(yè)面臨巨大顆粒物排放治理壓力[4-6].以某沿江火力發(fā)電廠碼頭卸煤及轉(zhuǎn)運裝置為例，煤炭轉(zhuǎn)運中由于煤粉粒度不均、含塵量高等因素，產(chǎn)生大量粉塵污染，尤其是氣流跟隨性較強的PM2.5等小粒徑顆粒物，受江風(fēng)影響短時污染范圍可達(dá)數(shù)平方公里.因此需研究能有效治理PM2.5等小粒徑顆粒物的抑塵方案[7-9].

目前采用的抑塵技術(shù)主要有干霧抑塵、噴霧抑塵和電除塵技術(shù)[10-12].干霧抑塵技術(shù)利用粒徑10 μm左右細(xì)水霧顆粒提升空氣濕度，促使細(xì)顆粒物發(fā)生凝并，團聚成大顆粒，受重力作用沉降，但干霧抑塵存在蒸發(fā)速率快、抗干擾能力弱等缺點.噴霧抑塵技術(shù)采用大粒徑大貫穿距噴霧通過慣性碰撞等方式捕集顆粒物，由于氣液流速較快，對氣流跟隨性較強的10 μm以下顆粒物捕集效率較低.電除塵技術(shù)通過電離空氣使顆粒帶電，荷電顆粒通過靜電吸引至集塵板完成捕集.電除塵對2 μm以下帶電能力較弱的顆粒物捕集效率較低.荷電細(xì)水霧抑塵是一項結(jié)合傳統(tǒng)濕法抑塵和電除塵優(yōu)點的抑塵技術(shù)[13-15]，在電場力作用下通過將液滴荷電充當(dāng)集塵板主動捕集顆粒物，從而提高抑塵效率[16-18]， BALACHANDRAN等[19]試驗研究結(jié)果表明，荷電細(xì)水霧對1 μm以下細(xì)顆粒物脫除效率可達(dá)80%～90%.目前惡劣工況下荷電細(xì)水霧系統(tǒng)存在易漏電擊穿等風(fēng)險，影響設(shè)備正常運行[20-21].

文中根據(jù)碼頭抓斗卸煤環(huán)境設(shè)計基于離子風(fēng)荷電的細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)，以降低荷電噴霧系統(tǒng)漏電擊穿等風(fēng)險.試驗研究不同荷電電壓和霧化壓力下的荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)噴霧特性及抑塵效率規(guī)律，以期為相關(guān)工業(yè)過程抑塵技術(shù)發(fā)展提供理論參考.

1 試驗裝置及方法

1.1 噴霧粒徑及荷質(zhì)比測量系統(tǒng)

圖1為荷電細(xì)水霧系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)主要包括供液系統(tǒng)、噴管和離子風(fēng)荷電模塊.離子風(fēng)荷電模塊主要包括風(fēng)送裝置、荷電裝置和絕緣殼體.荷電裝置選用針-環(huán)電極，針、環(huán)電極均為銅質(zhì)，電極間距20 mm，如圖2所示，直流電壓調(diào)節(jié)范圍0～25 kV，試驗過程環(huán)境溫度（25±1） ℃，相對濕度（55±10）%.試驗測試平臺性能指標(biāo)如表1所示.噴管結(jié)構(gòu)如圖3所示，其尺寸參數(shù)：喉管直徑D0為4 mm，進(jìn)口直徑D1為8 mm，出口直徑D2為5 mm，進(jìn)口長度L1為12 mm，縮管長度L2為11 mm，出口長度L3為5 mm.噴霧錐角約為45°.

如圖4a所示，選取噴頭下方4點測量細(xì)水霧粒徑分布，A，B兩點分別位于噴頭正下方10 cm和20 cm處，C，D兩點與B同一水平線，B，C和C，D間距均為5 cm. 細(xì)水霧通過荷電模塊荷電，設(shè)定荷電電壓U分別為5，10，15，20，25 kV，噴霧霧化壓力p為0.3～0.7 MPa，流量設(shè)定為 100 mL/min，通過激光粒徑分析儀測量液滴粒徑分布.每組工況每個測量點測量40次，取測量結(jié)果平均值研究其特性.如圖4b所示，荷質(zhì)比測量裝置由法拉第筒、金屬網(wǎng)、微安表和量筒組成，將荷電細(xì)水霧直接噴入內(nèi)筒，收集荷電細(xì)水霧的金屬網(wǎng)接微安表，荷電液滴群在金屬網(wǎng)產(chǎn)生電流，根據(jù)電流值和荷電細(xì)水霧體積計算其荷質(zhì)比.

1.2 抑塵效率測量系統(tǒng)

荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)抑塵特性試驗平臺如圖5所示，試 驗在尺寸為4.30 m×3.50 m×3.25 m的封閉空間內(nèi)進(jìn)行，試驗平臺包括荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)、揚塵系統(tǒng)和風(fēng)機等.荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)為空間頂部對角線上等距布置的3個噴管及其荷電模塊，通過改變荷電模塊電場強度和系統(tǒng)參數(shù)研究荷電電壓和霧化壓力對荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)抑塵特性的影響.噴槍置于頂部并連接揚塵設(shè)備和空壓機向封閉空間引入固定質(zhì)量細(xì)顆粒物，風(fēng)機氣流流速設(shè)定為1 105 m3/h，使顆粒物在空間內(nèi)均勻分布.

采樣器選用氣溶膠粒度分布采樣器，將不同等效直徑的懸浮顆粒物收集到各級采集板上，測出氣溶膠的數(shù)量及粒子大小分布.不同采集層級顆粒物粒徑范圍如表2所示，采集板如圖6所示.

采樣過程中，將收集器放置在腔室中心，采集器采樣流量維持在28.3 L/min，采樣30 min，采樣體積V=283 L.測量位置設(shè)于噴嘴下方30 cm處，每組測量重復(fù)5次并取其平均值.滑石粉和采樣前后的濾膜需烘干處理以減小試驗過程中濾膜吸附小液滴及液滴蒸發(fā)帶來的誤差，冷卻至室溫后稱重，比較不同工況下細(xì)顆粒物含量并計算抑塵效率.封閉空間內(nèi)固體顆粒物質(zhì)量濃度計算式為

ρ=m2-m1V，（1）

式中：ρ為顆粒質(zhì)量濃度；m1，m2分別為采樣前后濾膜質(zhì)量；V為采樣體積.抑塵效率計算公式為

η=1-m0mi×100%，（2）

式中：η為抑塵效率;m0，mi分別為抑塵前后集塵器的增重.

2 結(jié)果討論

2.1 荷電細(xì)水霧流場特性

圖7為不同工況索太爾平均直徑.圖7a為A點索太爾平均直徑dst測量結(jié)果，細(xì)水霧索太爾平均直徑隨霧化壓力升高呈下降趨勢.非荷電工況0.3 MPa下細(xì)水霧dst約為110 μm，0.7 MPa細(xì)水霧dst降至45 μm左右.隨電場強度提高，不同霧化壓力下dst整體呈下降趨勢，這是由于液滴荷電后發(fā)生破碎，不同粒徑液滴破碎荷質(zhì)比最小值βmin[22]為

βmin=4.313r3×10-8，（3）

式中：r為液滴半徑.由式（3）可知，液滴粒徑越大，其破碎所需荷質(zhì)比越小，反之則不易破碎.因此提升荷電電壓則液滴粒徑減小，隨著電場強度提升，下降速率減緩.荷電電壓較低時，液滴表面電荷分布不均勻易發(fā)生聚并，dst略微增大.0.6 MPa和0.7 MPa兩工況粒徑相近，選擇0.6 MPa工況進(jìn)一步研究測量位置（見圖4）對dst的影響.

圖7b為0.6 MPa工況不同測量位置dst分布，測量位置忽略噴霧羽流區(qū)[23]，測量點距離噴管越遠(yuǎn)時，dst越大，較遠(yuǎn)點液滴受阻力作用速度下降，受卷吸作用影響湍動能較大，液滴輸運過程比較復(fù)雜，液滴之間發(fā)生聚并增大了平均直徑.隨荷電電壓提高，dst整體呈下降趨勢.值得注意的是，5 kV工況液滴荷電不均勻，荷電量較大的液滴會吸引荷電量較小或未荷電液滴出現(xiàn)同極性相互吸引現(xiàn)象[24]，因此較0 kV工況液滴易發(fā)生聚并，使得dst升高.

荷質(zhì)比測量結(jié)果如圖8所示.液滴荷質(zhì)比β（β=q/m，其中q，m分別為液滴荷電量、質(zhì)量）隨荷電電壓提升整體呈上升趨勢，低電壓工況液滴發(fā)生聚并，索太爾平均直徑dst提升后液滴數(shù)量下降，降低了離子與液滴接觸幾率，β略微降低.液滴荷電量存在瑞利極限QR[25]為

QR=8πε0r3γ，（4）

式中：ε0 為真空介電常數(shù);γ為表面張力系數(shù).由式可知，隨液滴粒徑減小，液滴瑞利極限下降，實際工況中液滴荷電量一般不超過30%QR.因此隨荷電電壓提升液滴dst減小，液滴荷電難度增大，β增速減緩.荷電電壓較低時離子數(shù)量較少，β整體較低，霧化壓力影響較小，提升荷電電壓后，霧化壓力對荷質(zhì)比影響較明顯，提高霧化壓力減小了dst，β隨之升高.霧化壓力和荷電電壓較高的工況，β提升難度較大，在20 kV，0.6 MPa時開始出現(xiàn)平臺期趨勢，提高荷電電壓或霧化壓力，β提升不明顯，即此工況下霧滴粒徑為宜.

2.2 荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)抑塵特性

圖9為不同荷電電壓和霧化壓力下荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)抑塵效率η.抑塵效率主要取決于液滴粒徑和荷質(zhì)比，減小液滴粒徑和提高荷質(zhì)比均能提升抑塵效率.根據(jù)荷電細(xì)水霧液滴索太爾平均直徑和荷質(zhì)比研究結(jié)果，提升荷電電壓和霧化壓力，液滴索太爾平均直徑dst減小，荷質(zhì)比提高，因此抑塵效率η整體隨荷電電壓和霧化壓力提升呈上升趨勢.如前文所述，液滴荷質(zhì)比提升速率隨荷電電壓提高逐漸減緩，因此相同霧化壓力下隨荷電電壓提升，η曲線斜率逐漸減小；液滴粒徑dst隨霧化壓力提升而下降，相同荷電電壓下η隨霧化壓力提高而上升.0.7 MPa工況低電壓抑塵效率較高，隨著電壓提升，被0.6 MPa工況抑塵效率反超（10 kV），電壓進(jìn)一步提升后2個工況抑塵效率出現(xiàn)下降趨勢，故文中系統(tǒng)在霧化壓力0.6 MPa，荷電電壓20 kV時，霧滴粒徑適宜，達(dá)到最佳抑塵效率.η下降原因在于霧化壓力和荷電電壓均較大時，dst過小易蒸發(fā)且難以在捕集顆粒物后形成有效沉積，因此實際過程中應(yīng)同步調(diào)整霧化壓力和荷電電壓參數(shù)，避免荷電細(xì)水霧粒徑過小降低抑塵效率.

如圖10所示，選取0.6 MPa，20 kV工況進(jìn)一步研究霧化壓力和荷電電壓對荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)分級抑塵效率的影響.

荷電細(xì)水霧依靠慣性碰撞、攔截作用、擴散作用和靜電力作用捕集顆粒物.圖10a中非荷電細(xì)水霧分級抑塵效率隨著顆粒物粒徑減小逐漸降低，霧滴難以通過慣性碰撞等被動捕集方式有效抑制捕集受氣流擾動影響較大的小粒徑顆粒物.荷電細(xì)水霧分級抑塵效率隨顆粒物粒徑下降近似呈U形分布，且η明顯高于非荷電工況，說明靜電力作用能有效提高抑塵效率，但對于慣性力相對較大的顆粒物，牽引其撞擊液滴所需靜電力較大，η隨粒徑減小先降低，顆粒物粒徑減小后靜電力作用顯著，η升高.隨著荷電電壓提升，液滴荷質(zhì)比提高，靜電力作用增強，分級抑塵效率拐點前移.圖10b為霧化壓力對分級抑塵效率的影響，分級抑塵效率隨顆粒物粒徑下降先降低后升高，隨霧化壓力升高而升高.0.7 MPa，25 kV工況相對于0.6 MPa，20 kV工況分級抑塵效率下降主要體現(xiàn)于前幾級顆粒物，說明液滴粒徑過小不利于捕集較大粒徑顆粒物，從而使整體抑塵效率下降.

3 結(jié) 論

文中基于離子風(fēng)荷電及設(shè)計的縮放噴管搭建了荷電細(xì)水霧抑塵系統(tǒng)，研究了霧化壓力和荷電電壓等對荷電細(xì)水霧流場及抑塵特性的影響.

1） 細(xì)水霧索太爾平均直徑dst隨荷電電壓和霧化壓力提升整體呈下降趨勢，但荷電電壓較低時dst由于液滴易聚并略微增大.液滴荷質(zhì)比與荷電電壓和霧化壓力正相關(guān)，其增長速率隨荷電電壓提升而減緩，20 kV，0.6 MPa工況下繼續(xù)提高，系統(tǒng)參數(shù)荷質(zhì)比提升不明顯.

2） 系統(tǒng)抑塵效率η整體隨荷電電壓和霧化壓力提升而上升，但霧化壓力和荷電電壓均較高時，液滴粒徑過小導(dǎo)致蒸發(fā)加劇，抑塵效率下降.荷電細(xì)水霧分級抑塵效率隨顆粒物粒徑下降呈U形分布，其拐點隨荷電電壓提升而前移.試驗系統(tǒng)在荷電電壓20 kV霧化壓力0.6 MPa時存在最佳抑塵效率.

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（責(zé)任編輯 朱漪云）