多孔介質(zhì)濕式除塵器收集細(xì)顆粒物性能研究

朱能天 陳旺生 黃董平 范一凡

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430081）

金屬礦山在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量粉塵，污染礦山環(huán)境、危害人體健康、影響金屬礦山安全生產(chǎn)，尤其是粒徑小于5μm的呼吸性粉塵，其粒徑小、分散度高、不易沉降，是造成塵肺病的主要原因，我國塵肺病約占職業(yè)病發(fā)病總數(shù)的90%［1］。濕式除塵器由于除塵效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可處理高濕粉塵，因此在礦山系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用［2-5］。近年來，我國礦用高效濕式除塵器研究進(jìn)展顯著，自激式除塵器、沖擊水浴除塵器、濕式旋流除塵器、濕式振弦旋流除塵器等高效濕式除塵器相繼被研發(fā)［6］。自激式除塵器和沖擊水浴除塵器對呼吸性粉塵的除塵效率小于80%［7］；濕式旋流除塵器對呼吸性粉塵的除塵效率為85.1%，阻力小于 1 100 Pa［8］；濕式振弦旋流除塵器對呼吸性粉塵的除塵效率大于96%，阻力小于1 300 Pa［7］。當(dāng)前礦山使用的濕式除塵器對高濃度的細(xì)顆粒物除塵效率較低、壓力損失較大，難以滿足金屬礦山安全生產(chǎn)的要求。而且濕式除塵器的除塵效率與噴嘴霧化效果有關(guān)，霧滴粒徑越小，除塵效率越高［9］，因此濕式除塵器在實際應(yīng)用中存在噴嘴易堵塞的問題。

針對目前濕式除塵器對高濃度的細(xì)顆粒物除塵效率較低、壓力損失較大、噴嘴易堵塞等問題，基于多孔介質(zhì)對捕集細(xì)顆粒物的增強(qiáng)效應(yīng)，將多孔介質(zhì)除塵機(jī)理和沖擊水浴除塵機(jī)理相結(jié)合，提出一種多孔介質(zhì)濕式除塵器，該多孔介質(zhì)濕式除塵器對高濃度的細(xì)顆粒物除塵效率高、阻力小、噴嘴不易堵塞、結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的應(yīng)用前景。

1 多孔介質(zhì)濕式除塵器的結(jié)構(gòu)

多孔介質(zhì)濕式除塵器由進(jìn)氣箱、噴淋裝置、除塵管、多孔介質(zhì)、液面穩(wěn)定器、灰斗、排氣箱等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

頂部進(jìn)氣時，除塵器內(nèi)部氣流分布較側(cè)向進(jìn)氣更均勻［10］，進(jìn)氣箱底部設(shè)有氣流均布板，噴淋裝置安裝在上箱體中，上箱體和下箱體之間設(shè)有水平隔板，多孔介質(zhì)安裝于除塵管底部，液面穩(wěn)定器安裝于液面上，隔板下方設(shè)有蜂窩狀導(dǎo)流管，下箱體底部設(shè)有灰斗和卸灰閥。

以氧化鋁微粉、造孔劑和結(jié)合劑為主要原料，通過高溫煅燒法制備多孔介質(zhì)。如圖2所示，多孔介質(zhì)由固體骨架和相互貫通、彎曲的不規(guī)則孔道構(gòu)成，孔徑為1 mm左右，表觀密度為0.62g/cm3，顯氣孔率為93.45%。多孔介質(zhì)顯氣孔率高，易于在孔道中形成大量液膜，增加了粉塵與液膜的接觸面積，彎曲的不規(guī)則孔道增強(qiáng)了粉塵與液膜的慣性碰撞、攔截及擴(kuò)散作用?？椎乐g相互貫通，部分含塵氣流和液滴在原孔道中進(jìn)入相鄰孔道，與相鄰孔道中的氣流和液滴形成湍流，加強(qiáng)了粉塵與液滴的混合、碰撞效果，增強(qiáng)了細(xì)顆粒物的凝并作用，提高了對細(xì)顆粒物的捕集效率。同時多孔介質(zhì)具有耐腐蝕、耐高溫、密度小、強(qiáng)度高等特點。

在噴淋裝置作用下，多孔介質(zhì)中形成液膜和液滴，與其它濕式除塵器的霧化噴嘴相比，噴嘴對噴霧粒徑要求較低，對水質(zhì)和水壓要求較低，噴嘴不易堵塞、能耗低。柵格式液面穩(wěn)定器將整個液面劃分為多個單元，在液面穩(wěn)定器內(nèi)部相互作用力的抵消作用下減弱水面振蕩程度，增強(qiáng)除塵器的穩(wěn)定性，減少水面振蕩造成的液滴二次夾帶。

2 工作原理及除塵機(jī)理

多孔介質(zhì)濕式除塵器綜合運(yùn)用多孔介質(zhì)除塵理論和沖擊水浴除塵理論，通過液滴、液膜捕捉粉塵，除塵機(jī)理主要有慣性碰撞、截留、擴(kuò)散等，除塵機(jī)理如圖3所示。

如圖3所示，在噴淋裝置的作用下，噴淋液滴與含塵氣流一起通過多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)表面以及內(nèi)部孔道中液膜不斷生成—破裂—再生成，通過液膜和液滴捕集顆粒物。多孔介質(zhì)中的孔道為內(nèi)外貫通、彎曲的不規(guī)則通孔，含塵氣流在通過多孔介質(zhì)時，氣流沿孔道多次改變運(yùn)動方向，粒徑較大的粉塵在慣性碰撞的作用下被多孔介質(zhì)中的液膜捕集，粒徑較小的粉塵通過截留和擴(kuò)散作用被多孔介質(zhì)中的液膜捕集。部分含塵氣流和液滴在原孔道中進(jìn)入相鄰孔道，與相鄰孔道中的氣流和液滴發(fā)生慣性碰撞和接觸阻流，粉塵在碰撞過程中被液滴和液膜捕集。被液膜捕集的粉塵在上方噴淋水的沖洗作用下進(jìn)入灰斗，在噴淋水的連續(xù)沖洗作用下可以實現(xiàn)多孔介質(zhì)自凈化。含塵氣流在經(jīng)過多孔介質(zhì)凈化后，在多孔介質(zhì)的分散作用下，由單股大氣流分散為多股小氣流，多股小氣流沖擊液面形成氣泡、液滴混合捕集體。相比于單股大氣流，小氣流沖擊液面形成的氣泡更小更均勻，小氣泡由于液膜比表面積更大，除塵效率更高。

3 實驗裝置與實驗方法

3.1 實驗裝置

如圖4所示，實驗裝置主要由多孔介質(zhì)濕式除塵器、噴淋系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成。在多孔介質(zhì)濕式除塵器的進(jìn)、出口分別設(shè)有測試孔和采樣孔。噴淋系統(tǒng)主要由水泵、流量計、變頻器、壓力表和噴嘴組成，通過變頻器和流量計調(diào)節(jié)噴淋量，通過水泵實現(xiàn)水循環(huán)；通風(fēng)系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機(jī)和變頻器組成，通過變頻器和調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)風(fēng)量；測試系統(tǒng)主要由粉塵濃度采樣裝置和壓力損失測試裝置組成，粉塵濃度采樣裝置主要包括CCD304煙塵采樣儀、轉(zhuǎn)子流量計和真空泵，通過U形管壓力計測試壓力損失。

3.2 實驗方法

本實驗采用U形管壓力計測定壓力損失，除塵器進(jìn)、出口的全壓差即為除塵器的壓力損失。通過KA23型風(fēng)速儀測定除塵器進(jìn)、出口風(fēng)速，使用等速采樣法采樣，稱重前后干燥濾筒，除塵器進(jìn)、出口粉塵濃度通過重量法獲得。除塵效率η的計算公式如式（1）所示。

式中，η為除塵效率，%；C1為入口粉塵濃度，mg/m3；C2為粉塵排放濃度，mg/m3。

硅微粉粒度小、顆粒分布均勻、粒徑分布較窄，將硅微粉作為實驗粉塵，使用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀測定的粉塵粒徑分布如圖5所示。由圖5可知，硅微粉中位徑為2.509μm。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 多孔介質(zhì)厚度對除塵性能的影響

在除塵器入口粉塵濃度為2 500mg/m3，液氣比為4.69L/m3，水位高度為0，除塵器入口風(fēng)速為8、10、12、14、16 m/s時，考察無多孔介質(zhì)及不同多孔介質(zhì)厚度條件下對除塵器的除塵效率、粉塵排放濃度和壓力損失的影響，結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6可知：多孔介質(zhì)厚度越大，除塵效率越高。在無多孔介質(zhì)時，入口風(fēng)速由8 m/s增大到16 m/s，粉塵排放濃度由101.3 mg/m3增加到162.5 mg/m3，除塵效率由95.95%降低到93.50%；在多孔介質(zhì)厚度為15 mm時，入口風(fēng)速由8 m/s增大到16 m/s，粉塵排放濃度由4.8mg/m3增加到21.9mg/m3，除塵效率由99.81%降低到99.12%。無多孔介質(zhì)時，僅依靠沖擊水浴作用無法實現(xiàn)對細(xì)顆粒物的高效捕集。有多孔介質(zhì)時，含塵氣流在通過多孔介質(zhì)的過程中，細(xì)顆粒物在慣性碰撞、截留和擴(kuò)散的共同作用下被高效捕集，經(jīng)過多孔介質(zhì)凈化后的氣流沖擊液面形成氣泡、液滴混合捕集體，對粉塵進(jìn)行二次捕集。因此，有多孔介質(zhì)時除塵效率相比于無多孔介質(zhì)時有較大提升。由圖7可知，多孔介質(zhì)厚度越大，壓力損失越大。在多孔介質(zhì)厚度為15 mm時，入口風(fēng)速由8 m/s增大到16 m/s，壓力損失由495 Pa增加到1 039 Pa。

在入口風(fēng)速為14 m/s時，多孔介質(zhì)厚度由15 mm增大到25 mm，除塵效率提高0.11%，壓力損失增加411 Pa。綜合考慮除塵效率和壓力損失，選擇多孔介質(zhì)厚度為15 mm。

4.2 液氣比對除塵性能的影響

在多孔介質(zhì)厚度為15 mm，除塵器入口粉塵濃度為2 500mg/m3，水位高度為0，除塵器入口風(fēng)速為14 m/s，液氣比分別為1.32、2.46、3.53、4.69、5.73L/m3的條件下，考察液氣比對除塵器的除塵效率、粉塵排放濃度和壓力損失的影響，結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8可知：液氣比越大，除塵效率越高。當(dāng)液氣比為1.32L/m3時，粉塵排放濃度為34.4mg/m3，除塵效率為98.62%，此時多孔介質(zhì)中形成的液膜和液滴數(shù)量較少，除塵效率較低。當(dāng)液氣比為4.69L/m3時，粉塵排放濃度為13.0mg/m3，除塵效率為99.48%。由圖9可知：液氣比越大，壓力損失越大。當(dāng)液氣比為1.32L/m3時，壓力損失為666 Pa。當(dāng)液氣比為4.69L/m3時，壓力損失為833 Pa。若繼續(xù)增大液氣比，壓力損失隨之增大而除塵效率提高較少，綜合考慮除塵效率和壓力損失，選擇液氣比為4.69L/m3。與其它濕式除塵器的霧化噴嘴相比，噴嘴對噴霧粒徑要求較低，對水質(zhì)和水壓要求較低，噴嘴不易堵塞，通過水循環(huán)系統(tǒng)可實現(xiàn)水資源的高效利用。

4.3 水位高度對除塵性能的影響

在多孔介質(zhì)厚度為15 mm，液氣比為4.69L/m3，除塵器入口粉塵濃度為2 500mg/m3，除塵器入口風(fēng)速為14 m/s，水位高度分別為-10、0、10、20、30 mm的條件下對除塵器的除塵效率、粉塵排放濃度和壓力損失進(jìn)行研究，結(jié)果如圖10和圖11所示。以多孔介質(zhì)底部為基準(zhǔn)面，水位高度為正值表示水面高于基準(zhǔn)面。

由圖10可知：水位高度越高，除塵效率越高。當(dāng)水位高度由-10 mm增加到30 mm時，粉塵排放濃度由19.2mg/m3降低到9.1mg/m3，除塵效率由99.23%增加到99.64%。多孔介質(zhì)底部在水面以上時，捕集粉塵主要發(fā)生在多孔介質(zhì)內(nèi)部；多孔介質(zhì)底部在水面以下時，氣流通過多孔介質(zhì)后沖擊水面形成氣泡、液滴混合捕集體，多孔介質(zhì)插入水面深度越深，粉塵與液體接觸越充分，除塵效率越高。由圖11可知：水位高度越高，壓力損失越大。當(dāng)水位高度由-10 mm增加到30 mm時，壓力損失由774 Pa增加到1 098 Pa。隨著多孔介質(zhì)插入深度加深，多孔介質(zhì)出口處水壓越大，氣相向下沖擊水體的阻力越大。

當(dāng)水位高度由0繼續(xù)增加時，除塵效率提高較少，壓力損失增加較多。綜合考慮除塵效率和壓力損失，當(dāng)水位高度為0時，除塵效率為99.48%，壓力損失為833 Pa，除塵性能較好。

5 結(jié)論

針對目前濕式除塵器對高濃度細(xì)顆粒物除塵效率較低、壓力損失較大、噴淋裝置易堵塞等問題，提出一種多孔介質(zhì)濕式除塵器，并對其除塵性能進(jìn)行了實驗研究，結(jié)論如下：

（1）提出的多孔介質(zhì)濕式除塵器將多孔介質(zhì)除塵機(jī)理和沖擊水浴除塵機(jī)理相結(jié)合，提高了對細(xì)顆粒物的除塵效率，同時提高了除塵器入口允許細(xì)顆粒物濃度。

（2）在其它實驗條件相同時，多孔介質(zhì)濕式除塵器的除塵效率隨多孔介質(zhì)厚度、液氣比和水位高度的增加而增加；壓力損失隨多孔介質(zhì)厚度、液氣比和水位高度的增加而增加。

（3）綜合考慮除塵效率和壓力損失，當(dāng)入口粉塵濃度為2 500mg/m3、多孔介質(zhì)厚度為15 mm、液氣比為4.69L/m3、水位高度為0 mm、入口風(fēng)速小于14 m/s時，除塵效率高于99.48%，排放濃度低于13mg/m3，壓力損失小于833 Pa。

（4）與其它濕式除塵器的霧化噴嘴相比，本研究提出的多孔介質(zhì)濕式除塵器噴嘴對噴霧粒徑要求較低，對水質(zhì)和水壓要求較低，噴嘴不易堵塞、能耗低，通過水循環(huán)系統(tǒng)可實現(xiàn)水資源的高效利用。