2自激式水幕除塵機(jī)理研究2Self-excitationwatercurtaindustremoval2.1濕式除塵（Wetdustremoval）濕式除塵［1］也叫洗滌式除塵，是利用水（或其他液體）與含塵氣體相互接觸，伴隨有熱、質(zhì)的傳遞，經(jīng)過洗滌使塵粒與氣體分離的一種除塵方法。早在19世紀(jì)末鋼鐵行業(yè)中就已經(jīng)采用這種方法來去除大顆粒粉塵了。濕式除塵與干式除塵各自的優(yōu)缺點(diǎn)⑵見表2-1。表2-1濕式除塵與干式除塵比較表Table2-1Comparisonbetweenwetdustremovalanddrydustremoval濕式除塵干式除塵優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.可同時(shí)捕集氣體與粉塵1.回收到的干料不需要進(jìn)行再處理2,回收到的可溶解物質(zhì)可泵送到另一設(shè)備2,絕大多數(shù)情況下可避免腐蝕作用進(jìn)行下一步處理3,可生產(chǎn)出高效除塵器可冷卻和洗滌高溫氣體可回收及中和有腐蝕性氣體及液珠用水作洗滌液可防止火災(zāi)及爆炸設(shè)備投資少，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，體較小4,有放射性的粉塵可用可燃燒的濾料缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1雨油主竿出旦rVlrlz，云甘瀝/Ur、IZZk/Is1,吸濕性物質(zhì)會(huì)結(jié)餅難于清除1.要消耗定量的水（或其他液體），|除塵后需對(duì)污水進(jìn)行處理，防止二次污染2,設(shè)備維修與下粉塵的處置會(huì)危及運(yùn)2,粉塵回收困難轉(zhuǎn)3,黏性粉塵易發(fā)生堵塞及掛灰現(xiàn)象3.高溫可能限制除塵方法4,冬季需考慮防凍問題4.對(duì)于某些除塵器（如濾袋除塵器）因5,洗滌后排氣濕度高露點(diǎn)低有腐蝕性液珠使用上受到限制6,超微顆粒不易潤(rùn)濕，能穿越洗滌器5,處置捕集到的粉塵時(shí)會(huì)遇到再造塵的問題2.1.1濕式除塵機(jī)理濕式除塵中的捕集物是水或其他液體，根據(jù)其在捕集粉塵顆粒時(shí)的不同形態(tài)［3］:液滴、液膜、液層，濕式除塵又可相應(yīng)地分為三種。其中以液滴作為粉塵捕集物的除塵方式應(yīng)用最為廣泛，且由于產(chǎn)生液滴的方式不同，又可細(xì)分為若干種類。1）液滴濕式除塵液滴濕式除塵主要是靠含塵氣體與均勻散開的液滴在一封閉空間內(nèi)充分接觸，通過慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散、重力、靜電力等效應(yīng)實(shí)現(xiàn)液滴對(duì)粉塵顆粒的捕集，如圖2-1所示。下面將分述其中基本的慣性碰撞、攔截和擴(kuò)散效應(yīng)［4-9］。假定粉塵粒子一接觸捕集

體即被捕集。(1)慣性碰撞靜電力作用圖體即被捕集。(1)慣性碰撞靜電力作用圖2-1液滴捕塵機(jī)理Figure2-1Mechanismofdropletremovingdust慣性碰撞是濕式除塵中最常見的除塵作用，慣性碰撞效應(yīng)只考慮粉塵粒子質(zhì)量而不模限軌跡捕集體考慮其體積。圖2-2慣性碰撞效應(yīng)示意模限軌跡捕集體考慮其體積。圖2-2慣性碰撞效應(yīng)示意Figure2-2Inertialcollisioneffect如圖2-2所示，含塵氣流前方有一液滴，氣流流線在液滴前方發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流線偏轉(zhuǎn)狀況隨氣流速度的大小而不同，速度較高時(shí)，流線要貼近液滴表面前端才發(fā)生偏轉(zhuǎn)繞過捕集體，而速度較低時(shí)，流線在離捕集體較遠(yuǎn)處就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。氣流中的粉塵顆粒由于密度比氣體密度大得多，因此其在慣性力的作用下運(yùn)動(dòng)軌跡偏離氣流流線而向靠近捕集體的方向運(yùn)動(dòng)，圖中m粒子所在軌跡為偏離流線后與捕集體發(fā)生碰撞的最遠(yuǎn)軌跡，稱為極限軌跡，在圖中所示b范圍內(nèi)，所有質(zhì)量不小于m粒子的粉塵顆粒均會(huì)因與捕集體發(fā)生慣性碰撞而被捕集。定義慣性碰撞因數(shù)為：碰撞因數(shù)◎在0~1之間變化，碰撞因數(shù)越大，則粉塵因慣性碰撞而被捕集的幾率就b中dl(碰撞因數(shù)◎在0~1之間變化，碰撞因數(shù)越大，則粉塵因慣性碰撞而被捕集的幾率就b中dl(2.1)(2.2)式中：C—庫寧漢滑動(dòng)修正系數(shù)v0一塵粒與液滴的相對(duì)速度，m/s;g一塵粒密度，kg/m3；dp一塵粒直徑，Am;苗一氣體動(dòng)力黏度，Pa?;勺一液滴直徑，〃n。圖2-3碰撞因數(shù)。與慣性參數(shù)中和參變數(shù)雷諾數(shù)Rer的關(guān)系曲線Figure2-3Relationshipurvebetweencollisiofiactor^andinertiaparameter*由圖2-3所示可以看出，碰撞因數(shù)。對(duì)慣性參數(shù)中有依賴關(guān)系，參變數(shù)Rer是雷諾數(shù)。Reioi^(2.3)r以上定義中，p是氣體密度，kg/m3。g因此，隨著塵粒與液滴之間相對(duì)速度v0、塵粒密度P、塵粒直徑dp的增加，由于慣性作用，碰撞因數(shù)將增大，粉塵被捕集的幾率增大；而當(dāng)氣體黏度佑液滴直徑dl增大時(shí)，碰撞力和摩擦力占支配地位，粉塵將繞過液滴而不被捕集。對(duì)于單個(gè)液滴，定義其慣性碰撞捕集效率為與液滴發(fā)生慣性碰撞的塵粒顆粒數(shù)占經(jīng)過液滴周圍的含塵氣流中最初的塵粒顆粒數(shù)的百分比。國內(nèi)外許多學(xué)者都研究過單個(gè)液滴慣性碰撞的捕集效率。Wong和Johnstoneio-ii，對(duì)于勢(shì)流和慣性參數(shù)*>0.2的狀)兄提出了單個(gè)液滴慣性碰撞捕集效率為：

許多人的研究結(jié)果表明，式（2.4）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。Sell.W等通過試驗(yàn)研究水流流線經(jīng)不同形狀物體（球、柱及平板直徑都是10cm）的縱剖面，得出慣性碰撞捕集效率np與慣性參數(shù)北的關(guān)系曲線如圖2-4所示。圖2-4慣性碰撞捕集效率與慣性參數(shù)關(guān)系Figure2-4RelationshipbetweenInertialcollisionefficiencyandinertialparameter（2）攔截與慣性碰撞效應(yīng)正好相反，攔截效應(yīng)只考慮粉塵粒子的體積，而忽略其質(zhì)量。由于沒有質(zhì)量就不存在慣性力，因此不同大小的粒子均沿流線繞流捕集體，若粒子所在流線距捕集體表面的最小距離小于或等于粒子半徑，則粒子即會(huì)與捕集體發(fā)生接觸而被捕集，這就是攔截效應(yīng)。Figure2-5Interceptioneffect如圖2-5所示，在距捕集體水平中心線b位置處有一粒子以速度％沿氣流流線向捕集體靠近，在接近捕集體前，氣流流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由于不考慮粒子的質(zhì)量，因此粒子也隨流線偏轉(zhuǎn)繞流捕集體，若此流線距捕集體表面最近距離為《/2,則圖中所示粒子剛好與捕集體發(fā)生接觸而被捕集，此粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡即為相同大小粒子的極限軌跡。b范圍以內(nèi)，直徑不小于dp的粒子均會(huì)與捕集體發(fā)生接觸而被捕集。表征攔截作用的無量綱攔截因數(shù)定義為：?jiǎn)蝹€(gè)液滴的攔截效率為:b2"R(d2)2（2.6）對(duì)于繞靜止球體的勢(shì)流，流函數(shù)為:r2sin單個(gè)液滴的攔截效率為:b2"R(d2)2（2.6）對(duì)于繞靜止球體的勢(shì)流，流函數(shù)為:r2sin20（2.7）在圖2-5所示極限軌跡上，當(dāng)0r—8時(shí)，rsin0=b。代入《2((d+d)/2)xlp(4了。)2=2Ub2（2.8）（2.9）將式（2.8）兩邊同除以（d「2）（2.9）門R=(1*1+R對(duì)于繞靜止球體的粘性流，流函數(shù)為:IraIra)33Jr2sin20（2.10）依以上步驟得出單個(gè)球形液滴的攔截效率為:31門r=（1+R）—-G+R）+-（--r）（m）以上所得攔截效率的計(jì)算公式可做如下簡(jiǎn)化：對(duì)于勢(shì)流，蘭茲（Ranz）公式為［12-13］：nr=（1+R）2-1+^a3R（R<0.1）（2.12）對(duì)于粘性流，蘭格米爾（Langmuir）公式為［14］：nR=（1+r）—2（1+r）+2（［+R）幻|R2（R<0.1）（2.13）由此可見，單個(gè)球形液滴的攔截效率只與塵粒直徑和液滴直徑之比有關(guān)，而與氣流速度無關(guān)。因此，在塵粒直徑一定的情況下，減小液滴直徑可提高液滴的攔截效率。

（3）擴(kuò)散當(dāng)含塵氣流中塵粒的直徑足夠小時(shí)，由于周圍氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)，塵粒的運(yùn)動(dòng)軌跡始終與氣流流線不一致，因此不再遵循慣性碰撞或攔截機(jī)理而被捕集體捕集，而是在氣流繞流液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于布朗擴(kuò)散作用而沉積在液滴上，這就是濕式除塵中的擴(kuò)散效應(yīng)。塵粒越小，布朗擴(kuò)散作用對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡影響越強(qiáng)烈，通常以dp=1四m作為臨界值，小于此臨界值的塵粒在分析其沉降時(shí)考慮這種機(jī)理。塵粒由于擴(kuò)散作用所引起的沉降效率，取決于液滴繞流雷諾數(shù)ReD和塵粒貝克萊特（Peclet）數(shù)Pe。液滴繞流雷諾數(shù)定義為：Re=工4（2.14）D七式中：Pf—?dú)饬髅芏?，kg/m3；一般情況下，Pf=pg。皮克萊特?cái)?shù)是描述布朗擴(kuò)散作用的重要物理參數(shù)，其定義為：（2.15）式中：D一塵粒擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。對(duì)于dp<1四m的情況，愛因斯坦（Einstein）給出的D的計(jì)算公式為［15］：(2.16)(2.17)D="3即d(2.16)(2.17)式中：耳一波爾茲曼常數(shù)’即kB=1，38X10_23J/K；T一氣體絕對(duì)溫度，K。對(duì)于d<k（分子平均自由程）的情況，蘭格米爾（Langmuir）給出:D=▽(迎)2

3nd2pnm式中：R一氣體常數(shù)，J/（kg?K）；m—?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg；p—?dú)怏w壓力，Pa。Johnstone和Roberts［16-17］在1949年提出的單個(gè)液滴擴(kuò)散沉降效率為:門=旦+2.23Re1gPe-5(2.18)dPed1976年，Crawford[i8]導(dǎo)出在ReD<1,Pe<1的粘性流中，單個(gè)液滴擴(kuò)散沉降效率為:門d=4.18ReD6Pe-3（2.19）此外，Pfeffer[19]的計(jì)算式為：nD=3.96Pe萼（2.20）Struss的計(jì)算式為：nD=1.2Pe2（2.21）在實(shí)際的濕式除塵過程中，慣性碰撞、攔截和擴(kuò)散作用是同時(shí)存在的，三種機(jī)理相互影響，聯(lián)合作用，這時(shí)的除塵效率就不能直接通過理論計(jì)算公式得出了。2）液膜濕式除塵利用液膜捕集粉塵是填料式除塵器等的主要工作原理。通過人為地在除塵器中添加各種填充材料或組件，增加除塵器內(nèi)部的表面積，也就同時(shí)增加了流經(jīng)填充材料或組件的氣流和液體的接觸面積，從而使氣流和液膜發(fā)生表面接觸而實(shí)現(xiàn)粉塵的捕集。常用的填料有拉希格環(huán)、勒辛環(huán)、鮑爾環(huán)、泰勒環(huán)和球形體等，材質(zhì)通常為陶瓷、a—拉希格環(huán)，b—勒辛環(huán)

圖2-6首選除塵填料Figure2-6Priorityfiller塑料和金屬。填料式除塵器有別于填料式吸收塔的是要求填料有足夠大的空腔，以防止被捕集到的顆粒粉塵堵塞。因此，拉希格環(huán)和勒辛環(huán)由于其良好的形狀和簡(jiǎn)單的制作過程而被作為首選的除塵用填料，如圖2-6所示。液膜對(duì)塵粒的捕集過程非常復(fù)雜，其捕集效率與塵粒粒徑、粉塵濃度、塵粒的潤(rùn)濕性、水膜的穩(wěn)定性等因素有關(guān)。一般來說塵粒粒徑越大，則其離心速度越大，就越容易進(jìn)入水膜而被捕集。此外，還有依靠緊密排列的平行管束，使液體從管內(nèi)由下而上流到管頂，之后順管外壁自由流下形成液膜的管式除塵器也是利用液膜除塵機(jī)理。3）液層濕式除塵液層濕式除塵是指含塵氣流以氣泡形式通過液體層，在液體層內(nèi)完成粉塵的捕集。應(yīng)用此機(jī)理的除塵器類似于塔設(shè)備中的篩板塔，如圖2-7所示。

圖2-7液層濕式除塵Figure2-7Liquidlayerdustremoval氣泡中的塵粒要進(jìn)入液層，必須要沖破氣泡外壁，因此，液層濕式除塵對(duì)粒徑大的塵粒捕集效果較好，而對(duì)細(xì)微塵粒，由于難以沖破氣泡外壁，因此除塵效果較差。2.1.2濕式除塵器由于除塵機(jī)理不同，濕式除塵器的種類多種多樣。1）噴灑塔[20-21]噴灑塔可以說是濕式除塵器中形式最為簡(jiǎn)單的一種，如圖2-8所示。液滴由頂部的噴嘴噴出，粒徑在0.1?1mm之間，含塵氣流以不致把液滴帶走的速度由底部進(jìn)入自下而上運(yùn)動(dòng)，通常氣流速度為0.6?1.2m/s，捕集分離顆粒的機(jī)理主要是慣性碰撞和攔截。旋風(fēng)洗滌除塵器是為提高除塵效率，特別是小粒徑粉塵的除塵效率，而對(duì)普通噴灑塔進(jìn)行的改造升級(jí)，如圖2-9所示。通過給氣流施加的離心力，增大氣流與液滴的相對(duì)速度，根據(jù)前文所得出的慣性碰撞效率公式，即可使除塵效率得到提高。圖2-8噴灑塔Figure2-8spraycolumn圖2-9旋風(fēng)洗滌除塵器圖2-8噴灑塔Figure2-8spraycolumn2）自激式除塵器自激式除塵器是依靠含塵氣流沖擊液膜或自由液面形成大量液滴或水幕來捕集粉塵顆粒的。這種除塵器所產(chǎn)生的液滴直徑小，液滴與氣流的相對(duì)速度較大，因此具有較高的除塵效率。陳維民等［22］設(shè)計(jì)了如圖2-10所示的掘進(jìn)工作面自激式除塵器。含塵氣流進(jìn)入進(jìn)氣室I后沖激自由液面，較大的粉塵顆粒在這一過程中由于慣性而落入水中。含塵氣流和激起的水滴在彎曲通道II中充分混合，液滴通過慣性碰撞、攔截和擴(kuò)散作用捕集塵粒。凈化后的氣體經(jīng)脫水器脫水后排出除塵器。圖2-10掘進(jìn)工作面自激式除塵器Figure2-10Self-excitationdustremoverusedinheadingface圖2-11為一種旋渦自激濕式除塵器［23］。含塵氣體與激起的液滴在漩渦通道中充分混合，完成凈化工作。⑵整機(jī)工作原理(b)葉片旋渦室工作原理圖2-11漩渦自激濕式除塵器⑵整機(jī)工作原理(b)葉片旋渦室工作原理Figure2-11Vortexself-excitationdustremover3)文氏管除塵器［24-25］

文氏管除塵器是一種高能耗高效率的濕式除塵器。文氏管除塵器的結(jié)構(gòu)如圖2-12所示，主要由文氏管洗滌器和脫水器組成。文氏管洗滌器其實(shí)是整個(gè)除塵器的預(yù)處理部分，粉塵顆粒與液滴在其內(nèi)部發(fā)生凝聚，從而增大顆粒的有效尺寸，繼而在脫水器中易4）管式水膜除塵器[26-27]管式水膜除塵器按供水方式的不同，分為上水箱式和壓力式兩種，圖2-14所示為上水箱式。上水箱中的水經(jīng)控制調(diào)節(jié)，沿一根細(xì)管流入較粗的管內(nèi)，并形成溢流順粗管外壁均勻自上而下流動(dòng)，從而在管壁上形成良好的水膜。含塵氣流在通過密布的管束時(shí)，由于流向不斷改變，而使粉塵顆粒在慣性力作用下碰撞在管子外壁，從而被水膜捕集，之后隨水膜經(jīng)水封式排水溝排至沉淀池。進(jìn)水1-進(jìn)水孔；2-上水箱；3-出水；4-排水口；5-鋼管；6-鉛絲導(dǎo)水線圖2-14管式水膜除塵器Figure2-14Pipewaterfilmdustremover2.2自激式水幕除塵Self-excitationwatercurtaindustremoval2.2.1自激式水幕除塵器自激式水幕除塵器是濕式除塵器的一種，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、移動(dòng)方便、適用廣泛、除塵效率高等特點(diǎn)，非常適合作為煤礦井下除塵器使用。圖2-15為徐州眾凱機(jī)電設(shè)備制造有限公司正在研發(fā)的一種自激式水幕除塵器的結(jié)構(gòu)示意圖。調(diào)節(jié)螺栓2可調(diào)節(jié)節(jié)流擋板3的高度，從而改變除塵器壓損；導(dǎo)流板6主要用以引導(dǎo)氣體和水霧的流動(dòng)方向；有機(jī)玻璃蓋板既可觀察試驗(yàn)時(shí)除塵器內(nèi)部狀況又是進(jìn)行試驗(yàn)或清洗工作前的注水口；通過觀察窗5可清晰地看到主要除塵工作區(qū)域中液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡或水幕狀況；隔水柵7用以脫除凈化氣流中夾帶的水滴水霧；引風(fēng)機(jī)9為整個(gè)除塵系統(tǒng)提供動(dòng)力。1-進(jìn)氣口；2-調(diào)節(jié)螺栓；3-節(jié)流擋板；4-有機(jī)玻璃蓋板；5-觀察窗；6-導(dǎo)流板;7-隔水柵；8-排氣口；9-引風(fēng)機(jī)；10-放水口；11-液面圖2-15自激式水幕除塵器Figure2-15Self-excitationwatercurtaindustremover2.2.2自激式水幕除塵機(jī)理與除塵效率影響因素自激式水幕除塵器的除塵過程如下：引風(fēng)機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，使進(jìn)氣口處形成負(fù)壓環(huán)境，外界含塵氣流被吸入除塵器中的進(jìn)氣室，在節(jié)流擋板的作用下，含塵氣流的過流面積迅速減小，因此速度越來越大，并在流經(jīng)節(jié)流擋板末端時(shí)達(dá)到最大，高速運(yùn)動(dòng)的氣流在此處對(duì)液面形成強(qiáng)烈沖激，較大顆粒的粉塵由于慣性作用直接落入水中被捕獲，其余粉塵繼續(xù)隨氣流進(jìn)入由節(jié)流擋板和導(dǎo)流板構(gòu)成的混合室中，節(jié)流擋板末端處的液面由于受到氣流強(qiáng)烈的沖激而分離出大量的液滴，液滴以較高速度向混合室中噴射并做類似拋物線運(yùn)動(dòng)，大量液滴不間斷地完成這一動(dòng)作，在混合室中便形成具有一定形狀的水幕，液滴彌散于整個(gè)氣流當(dāng)中，對(duì)氣流中的粉塵顆粒進(jìn)行全面、高效的捕集，凈化后的氣流夾帶了大量的小液滴，在通過隔水柵時(shí)，由于氣流流向急劇改變，使得液滴脫離氣流流線而被隔水柵收集，最后的凈化氣流經(jīng)引風(fēng)機(jī)出口排出。含塵氣流與液滴在混合室中的混合是整個(gè)除塵過程中最主要的一個(gè)階段，對(duì)除塵器除塵效率起著決定性的作用。圖2-16為混合室中流體流動(dòng)狀態(tài)示意圖?；旌鲜抑?，捕集體主要以水滴的形式存在，此時(shí)的除塵機(jī)理主要考慮慣性碰撞和攔截作用。由2.1中給出的公式和關(guān)系曲線可知，在粉塵密度一定的情況下，單個(gè)水滴的除塵效率與水滴直徑成反比，與粉塵顆粒直徑和粉塵顆粒與水滴之間的相對(duì)速度成正比，而對(duì)于整個(gè)除塵系統(tǒng)來說，一要提高單個(gè)水滴的除塵效率，二要增加混合室中水滴的數(shù)量，這樣便可使除塵器的總體除塵效率得到提高。另一方面，要提高整個(gè)除塵系統(tǒng)的除塵效率，一要增大粉塵顆粒與液滴之間的相對(duì)速度，二要使混合室中構(gòu)成水幕的水滴直徑盡量小，數(shù)量盡量多。圖2-16混合室流體流動(dòng)狀態(tài)Figure2-16Flowstateinmixingchamber混合室中水滴的產(chǎn)生是由于含塵氣流對(duì)液面的沖激作用，在沖激過程中氣流將慣性動(dòng)能傳遞給水滴，使其脫離液面的束縛而隨氣流一同運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的水滴直徑越小、數(shù)量越多，說明氣流傳遞的能量越多，因此，含塵氣流本身所具有的慣性動(dòng)能決定了激起水滴的大小和數(shù)量。氣流在節(jié)流擋板末端沖激水面時(shí)所具有的慣性動(dòng)能可以看成以下兩部分之和：一是氣流由于進(jìn)氣口負(fù)壓作用進(jìn)入除塵器后本身所具有的能量，稱之為初始慣性；二是由于擋板節(jié)流使氣流過流面積急劇減小所引起的壓力能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)變，稱之為慣性增量。在除塵器結(jié)構(gòu)一定的情況下，氣流的初始慣性是隨除塵器處理風(fēng)量正比變化的，而除塵器處理風(fēng)量是由引風(fēng)機(jī)和除塵裝置共同決定的。除塵裝置作為引風(fēng)機(jī)的負(fù)載，只會(huì)因調(diào)節(jié)節(jié)流擋板或閥門而變化，對(duì)于除塵裝置配好的引風(fēng)機(jī)（型號(hào)確定），只能通過改變運(yùn)行頻率來?xiàng)l控股。引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率越高，處理風(fēng)量就越大，氣流的初始慣性就越大，反之越小。節(jié)流擋板高度的變化直接影響氣流壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的多少，節(jié)流效果越明顯，即節(jié)流擋板高度越低時(shí)，氣流的慣性增量越大，反之高度越高，則慣性增量越小。引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率與除塵效率之間的關(guān)系曲線如圖2-17所示［28。圖2-17中曲線是由同一自激式水幕除塵器試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌?jié)流擋板高度下，依次調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率得到的數(shù)據(jù)繪制而成的，從圖中可以看出，除塵效率隨引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率的增加有先升高后穩(wěn)定的趨勢(shì)。以h=50mm曲線為例，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在25?45Hz之間時(shí)，除塵效率隨頻率的增加而升高，且35Hz之前這種變化最明顯；45?50Hz時(shí)，除塵效率趨于穩(wěn)定。在25Hz時(shí)，由于氣流所獲得的初始慣性太小，在沖激液面時(shí)傳遞給液面的能量就太少，以致不能激起足量的水滴，因此隨氣流繞過節(jié)流擋板進(jìn)入混合室的粉塵顆粒就不能被大量捕集，除塵效率也就不高；隨著風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率的增加，在40Hz之前，進(jìn)入除塵器的氣流所獲得的初始慣性隨之升高，在節(jié)流擋板末端沖激液面時(shí)傳遞給液面的能量也就升高了，越來越多的水滴掙脫了液面的束縛而隨氣流進(jìn)入混合室中，且水滴的直徑也是越來越小，氣流初始慣性的升高本身就直接導(dǎo)致在繞流節(jié)流擋板的過程中由于慣性作用落入水中的粉塵顆粒增多，再加上它使混合室中水滴數(shù)量增多、粒徑減小，在混合室中由于慣性碰撞和攔截作用而被捕集的粉塵顆粒也相應(yīng)增多，除塵效率必然有明顯的增加；當(dāng)頻率繼續(xù)升高至45Hz時(shí)，在這一階段，氣流沖激液面時(shí)由于慣性作用落入水中的粉塵顆粒繼續(xù)增多，雖然隨頻率的升高混合室中水滴數(shù)量也繼續(xù)增多，粒徑繼續(xù)減小，水幕狀況越來越好，但由于氣流中的粉塵顆粒隨粒徑的減小，捕集難度明顯增大，混合室中除塵效率的增加變得不明顯，導(dǎo)致整個(gè)除塵器除塵效率的增加也因此放緩；在頻率由45Hz升高到50Hz的階段中，氣流沖激液面時(shí)落入水中的粉塵顆粒依舊繼續(xù)增多，過大的沖激能量使得部分脫離液面的水滴直徑過小，以致在捕集完粉塵后不能自由沉降到水中或被隔水柵脫除，而是隨氣流由除塵器出口排出，也就將原本捕集到的粉塵顆粒重新釋放到環(huán)境中去，除塵器的除塵效率因此也就不再升高。h=30mm曲線中，頻率在25?35Hz時(shí)，除塵效率隨頻率的升高而升高；35?45Hz，除塵效率基本穩(wěn)定在最高值；而45?50Hz，除塵效率有緩慢的下降趨勢(shì)。前兩個(gè)階段的變化趨勢(shì)跟h=50mm曲線的變化是一樣的，原因也是一樣的，這里不再贅述。45?50Hz這一階段，隨著氣流初始慣性的增加，雖然氣流沖激液面時(shí)由于慣性作用落入水中的顆粒增多，但過大的沖激能量使得被激起的水滴直徑太小，霧化嚴(yán)重，攜帶著捕集到的粉塵顆粒隨氣流通過隔水柵到達(dá)除塵器出口的小液滴也就越來越多，正因如此，除塵效率就出現(xiàn)了一個(gè)緩慢下降的過程。圖2-17除塵效率與引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率關(guān)系圖Figure2-17Relationshipcurvebetweendustingefficiencyandoperatingfrequency對(duì)于圖中的h=80mm，h=100mm兩條曲線，在25~50Hz的頻率范圍內(nèi)，除塵效率一直隨頻率的升高而升高，而沒有出現(xiàn)h=50mm曲線中的穩(wěn)定段，這是由于此時(shí)節(jié)流擋板高度太高，導(dǎo)致含塵氣流通過節(jié)流擋板后所獲得的慣性增量不大，即使引風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高頻率下，也無法使混合室中水幕達(dá)到一個(gè)充分鋪展的狀態(tài)，因此也就達(dá)不到最高除塵效率。顯然，此時(shí)如果能繼續(xù)增加除塵器的處理風(fēng)量，使得含塵氣流的初始慣性繼續(xù)增大，則必將會(huì)像其它曲線一樣達(dá)到此擋板高度下的最大除塵效率。節(jié)流擋板高度與除塵效率的關(guān)系曲線如圖2-18所示［29］3Q40505080LOO擋板高度mm圖2-18除塵效率與節(jié)流擋板高度關(guān)系圖Figure2-18Relationshipcurvebetweendustingefficiencyandbaffleheight如前所述，節(jié)流擋板高度直接影響氣流通過擋板后慣性增量的大小，高度越高，氣流所獲慣性增量越小，氣流沖激液面時(shí)傳遞給液面的能量就越小，脫離液面的水滴也就越少，且粒徑越大，混合室中水幕狀況就越差，除塵效率也就越低；反之擋板高度越低，液面獲得的能量越大，混合室中水幕狀況也就越好，除塵效率相應(yīng)升高；但擋板高度過低將會(huì)使得水滴粒徑過小而攜帶粉塵隨氣流繞過隔水柵從出口排出，從而使除塵效率下降。因此，勢(shì)必存在一最佳節(jié)流擋板高度hm，使某一頻率下除塵器的除塵效率達(dá)到最高。以圖2-18中戶50Hz曲線為例，曲線整體呈先升高后降低的趨勢(shì)，在h=50mm處達(dá)到最大值，也就是說引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率在50Hz時(shí)，其最佳節(jié)流擋板高度hm=50mm。此時(shí)降低擋板高度將導(dǎo)致除塵器出口出水嚴(yán)重，除塵效率因此降低；若增加擋板高度則氣流繞過擋板后慣性增量減少，混合室中水幕狀況變差而使除塵效率降低。對(duì)于頻率戶25,30Hz這兩種情況，圖2-18中只有下降段，這是由于這兩種情況下氣流的初始慣性太小，因此在此試驗(yàn)條件下未出現(xiàn)水滴粒徑過小而致出口出水嚴(yán)重的情況，這兩種頻率下的應(yīng)hm小于或等于30mm。激起的水滴在混合室中脫離氣流流線而碰撞到導(dǎo)流板上形成的水膜對(duì)粉塵顆粒也有捕集作用。水膜對(duì)粉塵的捕集作用非常復(fù)雜［30］，其捕集效率與粉塵粒徑、粉塵濃度、粉塵的潤(rùn)濕性以及水膜的穩(wěn)定性等因素有關(guān)。粉塵粒徑越大，則其在氣流遇到導(dǎo)流板而發(fā)生流線偏轉(zhuǎn)時(shí)脫離流線的程度就越大，因而撞上水膜而被捕獲的幾率就越大。此外，粉塵被液膜捕獲，實(shí)際上是粉塵顆粒外壁的氣固界面被液固界面代替，而粉塵顆粒沖破外層的氣膜則是這一代替發(fā)生的前提條件，而粒徑較小的塵粒由于被氣膜包裹較緊而不易沖破，固難以被水膜捕獲。粉塵顆粒濃度過大會(huì)降低水膜的除塵效率。顆粒濃度過大有可能造成脫離氣流流線撞向水膜的塵粒與水膜中懸掛的塵粒相碰而被彈回氣流中的情況。粉塵的潤(rùn)濕性是指液體與粉塵之間的親和程度。同一種粉塵對(duì)不同液體的親和程度是不同的；不同粉塵對(duì)同一種液體的親和程度也是不同的。粉塵的潤(rùn)濕性與粉塵的種類、粒徑、形狀、生成條件、組分、溫度、含水率、表面粗糙度及荷電性有關(guān)，還與液體的表面張力及塵粒與液體之間的粘附力和接觸方式有關(guān)［31］。液體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕程度取決于液體分子對(duì)固體表面分子的作用力的大小。潤(rùn)濕性的大小常用潤(rùn)濕角來表示。潤(rùn)濕角是指固體顆粒浸入到液體中時(shí)，液體表面張力作用于固液接觸點(diǎn)的切線上，切線與塵粒表面的夾角e稱為潤(rùn)濕角。對(duì)于疏水性塵粒，液體在塵粒表面收縮，於90°，如圖2-19a所示；對(duì)于親水性塵粒，液體在塵粒表面擴(kuò)張，e<90°，如圖2-19b所示。V塵粒\塵粒）----7’/aba-e>90°，疏水性塵粒；b-e<90°，親水性塵粒圖2-19塵粒的潤(rùn)濕角Figure2-19Particlewettingangle水膜的穩(wěn)定性主要是指水膜厚度的穩(wěn)定性，水膜厚度過小時(shí)，會(huì)被氣流拉成小水滴，明顯降低了對(duì)粉塵顆粒的捕集效率，由于混合室中氣流的湍流作用，自激式水幕除塵器導(dǎo)流板上的水膜與一般水膜除塵器相比肯定是不算穩(wěn)定的，但由于混合室中被沖激起來的水滴量大，因此，可以保證導(dǎo)流板上水膜一定的厚度。金毓荃等［32］以潤(rùn)濕角為依據(jù)判定水膜除塵中粉塵顆粒是否被捕獲。研究中假定塵粒浸入液體中2%位置時(shí)即被捕獲，并得出此時(shí)潤(rùn)濕角的計(jì)算公式：八3dpv2-12Liv,、。=arcsin（T__）+70.5。（2.22）式中：“一水的動(dòng)力粘性系數(shù)，（Pa?s）；vr一塵粒在水膜垂直方向的速度，m/s。粉塵顆粒在實(shí)際環(huán)境中的潤(rùn)濕角記為e’，若e<e，塵粒則能夠浸入水膜中達(dá)到或超過3dp的深度，從而被捕獲；當(dāng)e’>e，水膜對(duì)塵粒的捕獲能力則降低。2.3粉塵顆粒受力及運(yùn)動(dòng)分析(ForceandMotionAnalysisofdustparticles)自激式水幕除塵器混合室內(nèi)流場(chǎng)區(qū)域?yàn)闅庖汗倘嗔髁鲃?dòng)，氣體為連續(xù)相，液滴、粉塵顆粒為分散相。粉塵顆粒在此三相流中與氣體、液滴和其它顆粒之間均存在相互作用，受力狀況非常復(fù)雜，但由于顆粒與氣體間的相互作用在顆粒運(yùn)動(dòng)中占主導(dǎo)地位，因而在此只簡(jiǎn)要分析單個(gè)粉塵顆粒在氣體中的受力狀況。氣流中粉塵顆粒的形狀是多種多樣的，而在分析顆粒受力時(shí)以球形顆粒最為方便，因此對(duì)于不規(guī)則形狀的顆粒在計(jì)算時(shí)引入“等效直徑”的概念，認(rèn)為此不規(guī)則顆粒的受力狀況與等效直徑的球形顆粒受力狀況一樣。等效直徑分為體積等效直徑dv和表面積等效直徑ds兩種，定義如下：d=堂）3（2.23）d=（—）2（2.24）顆粒在氣流中所受到的力包括［33-41］：曳引阻力、壓力梯度力、Magnus力、Saffman力、附加質(zhì)量力、Basset力、重力、浮力等。1）曳引阻力FD曳引阻力是顆粒在氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣流作用于顆粒上的力，只要顆粒與氣流存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，曳引阻力就存在，它是推動(dòng)顆粒隨氣流向前運(yùn)動(dòng)的力，也是顆粒所受各力中最主要的一個(gè)。rrrIrrF=（pAC/2）v-v（v-v）（2.25）DgpDgpgp式中：pg—?dú)饬髅芏?，kg/m3；Ap一顆粒迎流投影面積，m2；CD—阻力系數(shù)；vg—?dú)饬魉俣?，m/s；vp—顆粒速度，m/s。顆粒雷諾數(shù)Rep定義為：Re=Pg"丁叩（2.26）p目式中：〃g一氣流動(dòng)力粘性系數(shù)，（Pa?s）。阻力系數(shù)CD是顆粒雷諾數(shù)Rep的函數(shù)，根據(jù)Rep的大小可分別按以下情況計(jì)算：層流區(qū)（Stokes區(qū)）：10-4<Rep<0.3，CD=24/Rep

過渡區(qū)（Allen區(qū)）：0.3<#ep<500,CD=10/（Rep）i/2湍流區(qū)（Newton區(qū)）：500<Rep<103,CD=0.44二者關(guān)系曲線如圖2-20所示。圖2-20球形顆粒阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系Figure2-20Relationshipbetweenresistancecoefficientofsphericalparticleandreynoldsnumber2）壓力梯度力FP在有壓力梯度的流動(dòng)中，顆?？倳?huì)受到不為0的合力作用，這個(gè)合力就是壓力梯度力，F(xiàn)力，F(xiàn)P與壓力梯度方向相反，大小等于顆粒體積與壓力梯度的乘積。Fgradp（2.27）式中：《一顆粒直徑，m；p—流場(chǎng)中壓力，Pa。若忽略離散相對(duì)流場(chǎng)的影響，對(duì)連續(xù)相來說可近似認(rèn)為：（2.28）（2.29）dr（2.28）（2.29）P—g=-gradpgdiF兀Pd3dvP6dt3）Magnus力FM氣流中的粉塵顆粒由于氣流的渦量作用以及與其它顆粒或壁面之間的碰撞作用而產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，顆粒的自轉(zhuǎn)使周圍流體對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)垂直于運(yùn)動(dòng)方向的合力，這個(gè)合力就是Magnus力。FM的大小和方向受顆粒與氣流的相對(duì)速度和顆粒自轉(zhuǎn)的角速度共同影響，定義式如下：r1,rr.rF=§兀pd3（v-v）x①（2.30）式中：口—顆粒自轉(zhuǎn)角速度，rad/s。4）Saffman力F<S除了顆粒本身的自轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于運(yùn)動(dòng)方向的力外，流場(chǎng)中速度梯度的存在使顆粒兩側(cè)的流速不一樣，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由低速側(cè)指向高速側(cè)的力，即Saffman力，它是滑移（相對(duì)運(yùn)動(dòng)）和剪切聯(lián)合作用的結(jié)果，且方向永遠(yuǎn)指向高速側(cè)，即流場(chǎng)中心區(qū)，因此又叫滑移一剪切升力。F=1.61（四p）12d2（｛-V）dV/dy%（2.31）Sggpgpg5）附加質(zhì)量力Fvm顆粒在氣流中作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)周圍流體一起作變速運(yùn)動(dòng)，這就要求顆粒施加給周圍流體一個(gè)作用力，而根據(jù)牛頓第三定律，周圍流體也必定會(huì)對(duì)顆粒有一個(gè)反作用力，這個(gè)力就叫做附加質(zhì)量力。附加質(zhì)量為與顆粒同體積的流體質(zhì)量的一半。F=LpV（dv.dt-dvdt）（2.32）vm2gPg''P'6）Basset力F?B顆粒在作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，除受到周圍流體的附加質(zhì)量力外，還會(huì)受到一個(gè)附加的阻力，這是由于附著在顆粒周圍的流體層由于流動(dòng)性和粘性作用，在作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生形變。這種由于顆粒表面流體層不穩(wěn)定而產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的流體作用力就叫做Basset力。r3,fdvdvdT（2.33）F=-d2(7P日)12It(g-p（2.33）B2Pggt0dtdt(t-TT為積分變量。式中：t0T為積分變量。7）重力Fg顆粒所受重力為kg/m3；（2.34）kg/m3；式中：pp—顆粒密度g—當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2。8）浮力Ff顆粒所受氣流浮力為顆粒所受上述各作用力繪于圖2-21。圖2-21顆粒在氣流中受力示意Figure2-21Forceonparticleinairflow盡管作用在顆粒上的力是相當(dāng)復(fù)雜的，但是在一般情況下并非所有的力都同樣重要，眾多學(xué)者對(duì)顆粒在氣流中的受力進(jìn)行了研究計(jì)算，但由于實(shí)驗(yàn)條件等的不同，得出的結(jié)果各有差異。文獻(xiàn)［42］指出，在流場(chǎng)大部分區(qū)域中，Magnus力與Saffman力和曳引阻力相比，至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)，而對(duì)礦粉顆粒，Basset力亦可忽略。文獻(xiàn)［43］得出了煤粉顆粒旋轉(zhuǎn)速度為1800轉(zhuǎn)/分時(shí)，Magnus力約為曳引阻力的1%。岑可法在文獻(xiàn)［44］中則得出以下結(jié)論：在各種不同的煤粉顆粒條件下，附加質(zhì)量力、壓力梯度力、Saffman力的數(shù)量級(jí)極微，一般可忽略，但在邊界層中，由于速度梯度很大，所以此時(shí)Saffman力不可忽略；Magnus力的數(shù)量級(jí)在各粒徑下均和重力相等，起平衡重力的作用；在湍流運(yùn)動(dòng)中，Basset力是非常重要的一個(gè)力；曳引阻力是作用在煤粉顆粒上的最大力，起著加速顆粒的作用。下面討論粉塵顆粒隨含塵氣流繞流節(jié)流擋板末端時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，據(jù)上述各學(xué)者結(jié)論，在此僅考慮曳引阻力FD和重力Fg。含塵氣流在通過節(jié)流擋板時(shí)，氣流流線被壓縮，方向急劇轉(zhuǎn)變，原本沿流線方向運(yùn)動(dòng)的顆粒逐漸脫離原流線，繼而與其他氣流流線相交，此時(shí)顆粒與氣流的速度已不再在同一個(gè)方向上，如圖2-22，因此其所受曳引阻力的方向也就發(fā)生了變化，如圖2-23所示。此時(shí)的顆粒在垂直方向上作減速運(yùn)動(dòng)，所受合力為rrr（2.36）F=FDsina-F（2.36）根據(jù)牛頓第二定律，在垂直方向上建立運(yùn)動(dòng)方程:rrr

ma=Fsina-F式中：m一粉塵顆粒質(zhì)量，g；Gy一顆粒在垂直方向上的加速度，m/s2。圖2-22顆粒在節(jié)流擋板末端的運(yùn)動(dòng)狀況Figure2-22Particlemotionstateatterminalofthebaffle圖2-23顆粒在節(jié)流擋板末端的受力Figure2-23Forceonparticleatterminalofthebaffle將式（2.25）、（2.34）帶入式（2.37），化簡(jiǎn)得（2.38）綜合式（2.38）和2.2.2小節(jié)的分析可得，隨著顆粒粒徑dp的增大，顆粒在垂直方向上所具有的慣性能量就越大，在此方向作減速運(yùn)動(dòng)的加速度減小，要想獲得垂直向上的速度隨氣流進(jìn)入混合室就需要更大的垂直距離，而擋板末端與水面之間的距離幾乎是固定的，因此顆粒也就越容易落入下面水中?；旌鲜覂?nèi)，氣流中的粉塵顆粒在水滴表面附近的運(yùn)動(dòng)狀況如圖2-24所示。經(jīng)如上方法分析后得出相同結(jié)論，即顆粒粒徑越大，越容易脫離流線撞擊到水滴表面而被捕集。

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