動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器機(jī)理研究

王首杰 劉 飛

（1.山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)長(zhǎng)治有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

1 塵氣分離機(jī)理

1.1 含塵氣流的流動(dòng)特性

分析與研討粉塵顆粒在氣體風(fēng)流和除塵箱管道中的流動(dòng)特性是研究含塵氣流流動(dòng)性的關(guān)鍵，絕大部分濕式除塵設(shè)備都涉及通風(fēng)除塵技術(shù)，尤為重要的是粉塵在箱體中的流動(dòng)特性，箱體內(nèi)部粉塵流動(dòng)性較為繁雜，與之相關(guān)的不僅包括雷諾系數(shù)和粉塵特性，箱體體積大小、箱體壁面粗糙程度、管道橫截面積等都是影響粉塵流動(dòng)特性的因素[1-5]。

（1）塵粒在水平管道的運(yùn)動(dòng)特性。粉塵隨風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)口水平進(jìn)入入風(fēng)管道中，附著在管道底端的粉塵在風(fēng)流的引導(dǎo)下，塵粒的底部與側(cè)面壓力漸大并發(fā)生螺旋運(yùn)動(dòng)。懸浮在氣流中粉塵顆粒的懸浮力計(jì)算公式為：

式中：K1表示粉塵懸浮系數(shù)；d表示塵粒直徑，m；ρg表示氣體密度，kg/m3；v表示塵粒橫向運(yùn)移速度，m/s。

當(dāng)施加塵粒的懸浮力等同于自身重力時(shí)，應(yīng)用式（1）計(jì)算塵粒懸浮需要的氣流邊界層速度為：

式中：vl表示塵粒橫向水平前進(jìn)邊界層速度，m/s；ρc表示塵粒密度，kg/m3。

由式（3）可得出達(dá)到懸浮條件的邊界層速度為：

粉塵懸浮系數(shù)k1在湍流狀態(tài)下阻力通常取0.5，主要與粉塵在游離狀態(tài)下雷諾系數(shù)Re 以及塵粒形狀有關(guān)。其中影響雷諾系數(shù)Re 的因子包括：塵粒和氣流的相對(duì)速度、塵粒直徑d和空氣動(dòng)力粘度等，由式（4）所示：

式中：μ表示氣體動(dòng)力學(xué)粘度，Pa·s；γ表示空氣運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；v2表示塵粒和氣流的相對(duì)速度，m/s。

（2）塵粒在豎直管道的運(yùn)動(dòng)特性。粉塵流通豎直管道，其運(yùn)動(dòng)方式較為簡(jiǎn)單，管道內(nèi)的空氣流通速度僅需比塵粒自身沉降速度大時(shí)，粉塵可在豎直管道中正常流通。由于空氣流速分布不均很難控制在固定范圍，因此使豎管平均氣流流速控制在塵粒沉降速度的1.2 至1.7 倍。

（3）塵粒在傾斜管道的運(yùn)動(dòng)特性。塵粒在傾斜管道運(yùn)動(dòng)特性取決于管道的傾斜角度，其運(yùn)動(dòng)特性近似接近于水平管道與豎直管道之間，傾斜角度比粉塵安息角大時(shí)，粉塵流動(dòng)速度取較大值。

1.2 粉塵從氣流中的分離條件

含塵氣流流經(jīng)分離區(qū)會(huì)受到幾種作用力的相互影響，其原理如圖1。

圖1 塵氣分離原理圖

2 濕式除塵機(jī)理

濕式除塵的降塵機(jī)理是塵粒與液滴相互作用的結(jié)果，液滴捕捉塵粒具體包括慣性碰撞、攔截、布朗運(yùn)動(dòng)、重力沉降等[6-8]，捕塵原理圖如圖2。

圖2 濕式捕塵原理圖

2.1 慣性碰撞

塵粒隨含塵氣流流動(dòng)時(shí)接觸到流體阻礙，氣流方向繞過(guò)流體表面運(yùn)動(dòng)，小顆粒塵粒跟隨氣流繞流，大顆粒塵粒受到自身重力影響運(yùn)移時(shí)產(chǎn)生慣性力，其運(yùn)移方向偏離氣流方向，并與液滴碰撞且被捕集達(dá)到降塵目的[9]。含塵氣流流速、塵粒的形狀、運(yùn)移軌跡及其相關(guān)參數(shù)、塵粒粘附性都關(guān)乎液滴對(duì)于塵粒的捕集效率。其中斯托克斯數(shù)Stk是影響慣性碰撞效率重要因素，表達(dá)式由以下可知：

式中：ηz表示慣性碰撞捕集效率；τ表示張弛時(shí)間，s；v0表示氣流流速，m/s；Dc表示流體液滴直徑，m；ρp表示塵粒真密度，kg/m3。

2.2 攔截

粒徑小的細(xì)微塵粒因重力小所以不受慣性力影響[10]，隨含塵風(fēng)流同向運(yùn)移，塵粒向液滴運(yùn)移時(shí)，氣體流線距液滴表面距離在粉塵粒徑范圍之內(nèi)，塵粒便被液滴攔截。攔截捕集能力不與塵粒速度和質(zhì)量相關(guān)，其捕集效率與塵粒粒徑和液滴粒徑有關(guān)，Ran 提出勢(shì)流條件下攔截捕集效率公式為：

式中：ηj表示攔截效率；D表示塵粒直徑d與捕集物直徑dp的比。

2.3 布朗擴(kuò)散

布朗運(yùn)動(dòng)是指懸浮在氣體中的細(xì)微塵粒與大氣分子間碰撞產(chǎn)生的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散為輔助捕集因素，粒徑小于1 μm 的塵粒做無(wú)規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)情況下被液滴捕集的過(guò)程稱(chēng)為布朗擴(kuò)散。Crawford 提出了捕集效率為：

式中：σ表示接觸系數(shù)；Sc表示斯密特系數(shù)；v∞表示塵粒速度極值，m/s；vq表示氣體運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，m2/s；Re 表示雷諾系數(shù)；k表示玻爾茲曼常數(shù)；T表示絕對(duì)溫度，K；Cm表示坎寧漢校正系數(shù)。

2.4 重力沉降

質(zhì)量與密度較大粉塵顆粒受到自身重力影響發(fā)生了沉降作用，被液滴包裹捕集。影響重力效應(yīng)的關(guān)鍵因素包括：塵粒粒徑、質(zhì)量以及密度，重力沉降捕集效率在氣流流速相對(duì)緩慢且塵粒體積足夠大時(shí)其捕集能力相對(duì)明顯。沉降參數(shù)KG表示沉降效率等同于塵粒重力沉降捕集效率ηG，其公式：

式中：CU表示重力效應(yīng)系數(shù)；dg表示塵粒當(dāng)量直徑，m；vi表示氣體特征速度，m/s。

2.5 粘附機(jī)理

篩網(wǎng)在水中轉(zhuǎn)動(dòng)，篩網(wǎng)掛水形成緊密的界面層（液膜層），產(chǎn)生了粘附力，塵粒在氣流中經(jīng)過(guò)碰撞、沉降后，塵氣分離飛散到篩網(wǎng)和水膜上，由于塵粒粒徑小于液滴粒徑進(jìn)而被吸附在液滴和液膜之上。

3 篩網(wǎng)液膜過(guò)濾理論研究

3.1 篩網(wǎng)液膜過(guò)濾機(jī)理

篩網(wǎng)液膜過(guò)濾是一種與篩網(wǎng)孔徑大小相關(guān)的篩分過(guò)程，以篩網(wǎng)兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，以液膜為過(guò)濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)含塵氣流穿過(guò)由篩網(wǎng)形成的液膜時(shí)，液膜可以當(dāng)成由眾多液滴及細(xì)小水分子緊密構(gòu)成，運(yùn)用降塵機(jī)理，將小于液滴粒徑的塵粒粒子捕集進(jìn)而達(dá)到分離與降塵的目的。

3.2 液膜靜平衡理論

動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器的關(guān)鍵核心是可以連續(xù)成膜，含塵氣流需反復(fù)突破不斷地形成與破裂的水膜，所以對(duì)水膜形成條件的研究是實(shí)現(xiàn)高效除塵的必要條件。根據(jù)表面張力下的平衡方程可以推算出，液膜在靜平衡狀態(tài)下需符合的標(biāo)準(zhǔn)：

式中：p+表示水膜界面外側(cè)壓力，Pa；σ1表示水膜界面表面張力；p—表示水膜界面內(nèi)側(cè)壓力，Pa；c表示水膜曲面平均曲率。

由于篩網(wǎng)孔徑較小，動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器并未設(shè)計(jì)噴嘴等外界附加液體的條件，可以暫時(shí)忽略水膜界面的壓強(qiáng)大小，那么液膜靜平衡方程可以改寫(xiě)成式（13）：

式中：ρy表示液體密度；σy表示液膜表面張力；g表示液體重力；r1表示水膜外側(cè)曲率半徑；r2表示水膜內(nèi)側(cè)曲率半徑。

3.3 液膜形成與破碎理論研究

動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器中水膜的形成與破碎的影響因素頗多，例如含塵風(fēng)流過(guò)濾流速、篩網(wǎng)孔徑大小、動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速等。如果除塵箱內(nèi)通過(guò)的含塵風(fēng)流過(guò)大，那么剛形成的水膜會(huì)在風(fēng)力作用下瞬間破碎；篩網(wǎng)孔徑過(guò)大，合力越大，成膜率明顯下降；動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快，篩網(wǎng)沒(méi)有充分的時(shí)間掛水形成水膜。在試驗(yàn)與研究前應(yīng)首先確保外界因素的穩(wěn)定。

（1）液膜成型理論

螺旋篩網(wǎng)隨著動(dòng)輪在半浸水中旋轉(zhuǎn)，液體依靠流動(dòng)性、濕潤(rùn)性在篩網(wǎng)表面鋪展開(kāi)來(lái)，水經(jīng)過(guò)擠壓產(chǎn)生壓力，伴隨壓力不斷增大直到水受到的壓力高于自身毛細(xì)作用力，篩網(wǎng)表面產(chǎn)生表面張力，篩網(wǎng)即可形成附有粘結(jié)性的水膜。

式中：Fs表示水膜的粘結(jié)力，N；FL表示篩網(wǎng)對(duì)水膜的臨界表面張力，N；dh表示篩網(wǎng)孔隙，m；Fα表示水膜的表面張力，N；α表示液體表面張力系數(shù)。

（2）液膜破碎理論

伴隨液膜的形成，在除塵過(guò)程中液膜起到至關(guān)重要的作用，所以研究液膜破碎理論，要同時(shí)考慮風(fēng)力及塵粒重力對(duì)液膜主動(dòng)破壞的因素，在液膜破碎過(guò)程中遵循的動(dòng)量守恒定律為：

式中：M表示液膜質(zhì)量，kg；vc表示塵粒水平流速，m/s；Fz表示水膜毛細(xì)力；Fb表示篩網(wǎng)與液膜間的摩擦力，N；ξ表示篩網(wǎng)阻力系數(shù)；vk表示液滴碰撞篩網(wǎng)時(shí)速度，m/s；Dc表示液滴直徑，m。

通過(guò)聯(lián)系液膜靜平衡理論，得出液膜破碎時(shí)間t為：

4 濕式除塵相似理論

4.1 氣固兩相流的相似理論

對(duì)于濕式除塵設(shè)備降塵理論的研究，我國(guó)學(xué)者也查閱了大量資料及進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明相似理論是研究與分析流體力學(xué)問(wèn)題重要因素，運(yùn)用公式應(yīng)用于同類(lèi)型集合相似除塵器，來(lái)實(shí)現(xiàn)除塵設(shè)備高效率降塵與除塵。

4.2 液膜捕塵相似準(zhǔn)則

液膜周?chē)鸀R射出的液滴也有捕獲塵粒的能力，含塵風(fēng)流抑制粉塵的運(yùn)動(dòng)以及塵粒的慣性作用力都是影響捕集的因素。所以確保無(wú)因次慣性系數(shù)在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭信c實(shí)際問(wèn)題原型中大小等同，塵粒流動(dòng)規(guī)律近似，確保外界因素、液滴物理模型等均相似，才可以使得慣性碰撞幾率相同，其中慣性參數(shù)Kp為[3]：

由上述式子可以看出，只要確保液氣比與塵粒流速相似就可以使相似準(zhǔn)則相同。

5 結(jié)論

（1）分別從塵氣分離機(jī)理、濕式除塵降塵機(jī)理、篩網(wǎng)濾膜過(guò)濾理論以及濕式除塵相似理論入手，闡述與分析含塵氣流的流動(dòng)特性和塵粒與氣體分離條件和機(jī)理。

（2）介紹了濕式除塵設(shè)備中塵粒與液膜的除塵機(jī)理、液膜過(guò)濾塵粒原理、液膜平衡理論和液膜形成與破碎條件，并通過(guò)相似理論的介紹為今后濕式除塵設(shè)備的研究與發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。