水浴弦栅水膜复合除尘装置性能实验研究_刘益龙.pdf

为了提高水浴除尘器的除尘效率，基于自行设计的一种水浴弦栅水膜复合除尘装置，测定了不同风量和风管浸没水面深度下单一水浴工况的除尘装置阻力及除尘效率。针对优选工况，在水浴除尘装置的基础上依次增加弦栅和增加弦栅及喷雾 2 种实验工况，并依次测定了不同工况的除尘效率。结果表明，风管浸没水面深度是影响除尘装置阻力损失的主要因素。风管浸没水面深为 0.5 cm，处理风量为 56.76 m3/min 时，出口粉尘质量浓度为 17.560 0 mg/m3，除尘效率为 95.01%；增加弦栅后，除尘效率较单一水浴工况提高了 3.53%；在弦栅基础上增加喷雾后除尘效率较单一水浴工况提高了 4.63%，出口处粉尘质量浓度降至 1.250 mg/m3，为水浴弦栅水膜复合除尘装置的工程应用提供了依据。关键词：水浴除尘；弦栅水膜；复合除尘；阻力中图分类号：X936文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.028矿井生产过程中，会产生大量的粉尘，污染作业环境，给井下人员造成职业伤害。水浴除尘技术具有结构简单、耗水量少、安装维护方便、造价低的特点，在井下一些需要除尘的场合被广泛应用1。但水浴除尘器由于气流冲入水中时，引起水面剧烈波动，因此，其风量和除尘效率不稳定，特别是对细微粉尘除尘效率不高2，单一的水浴除尘无法满足职业健康对作业环境越来越高的要求。为了提高水浴除尘器的除尘效率，在水浴除尘的基础上，结合弦栅水膜捕尘技术，研究了一种新的水浴弦栅水膜复合除尘装置，以进一步提高除尘效率。本文在自主设计的水浴弦栅水膜复合除尘装置上，开展了不同工况下除尘装置的性能实验，测定了不同风量和风管浸没水面深度时，单一水浴工况下的装置阻力；研究了不同风管浸没水面深度下，单一水浴工况除尘装置的除尘效率。并进一步针对优选工况，对水浴弦栅水膜复合除尘装置进行了除尘效率实验，为水浴弦栅水膜复合除尘装置的工程应用提供指导。1水浴弦栅水膜复合除尘实验平台及除尘原理1.1实验平台搭建水浴弦栅水膜复合除尘装置主体结构包括水浴除尘段和喷雾弦栅水膜除尘段。其中，水浴除尘段主要包括进风管、水浴箱体，喷雾弦栅水膜除尘段主要包括雾化喷嘴、弦栅、挡水板等。水浴弦栅水膜复合除尘装置如图 1 所示，主体尺寸如图 2 所示，实验平台照片如图 3 所示，其中实验装置整体宽度设置为600 mm。为了便于实验观察，除尘装置的正面采用有机玻璃材料。图 1水浴弦栅水膜复合除尘装置示意图单位：mm图 2实验平台主体尺寸图 3实验平台照片1 7001 600洁净气流弦栅捕尘水浴除尘水雾除尘含尘气流轴流风机水箱弦栅测压点 2挡水板低压喷嘴测压点 1弦栅轴流风机水浴箱体观察窗风管科技与创新Science and Technology&Innovation982023 年 第 13 期1.2除尘原理从图 1 中可以看出，水浴弦栅水膜复合除尘装置分为水浴除尘段、喷雾除尘段和弦栅水膜除尘段。在水浴除尘段，当具有一定速度的含尘气体经进风管出口喷出时，对水层产生冲击，并形成水雾，冲击水体后的气流改变原来的运动方向，而尘粒由于惯性作用，则继续按原来的方向运动，其中大部分尘粒留在水中；在冲击水浴的作用下，一部分尘粒仍随气流运动并与大量的冲击雾滴混合在一起，含尘雾滴进入水箱上部空间3。在喷雾除尘段，喷雾对水浴过程中没有被雾滴捕获的粉尘进一步捕获，液滴群部集粉尘过程中，两者接触发生的惯性碰撞、截留等作用机理4。在弦栅水膜除尘段，弦栅是由细小弦纺成，其弦间隙很小，弦栅是形成水膜的媒介，当喷头喷出的雾滴到弦栅时，由于毛细作用，雾滴在弦间形成水膜；当含尘气体经过弦栅水膜时，尘粒被水膜捕获，达到除尘的目的5-6。由于风流作用，弦栅间不断破碎的水膜会二次雾化捕尘，气流中的水雾最后由挡水板脱水后，排出洁净的空气7，除尘过程如图 4 所示。图 4水浴弦栅水膜复合除尘过程2实验方案实验选用矿用隔爆型压入式轴流局部通风机，电机功率为 2.2 kW，出风筒直径为 300 mm，风量为 55101 m3/min，风机通过柔接风筒配合连接直径 400 mm的水浴除尘进风管。利用煤尘作为实验粉尘，破碎后的煤尘经 150 目筛网对煤样进行筛分、烘干称重得到实验所用的煤尘。对风管入水端水位线进行标定，利用挡风板配合 TSI多功能通风表调节风机的风量。根据现场实测，初始风管浸没水深为 0.5 cm 时风量为 56.76 m3/min，结合工程实际，取该风量的 80%、60%和 50%作为初始风量进行实验，分别为45.40m3/min、34.06 m3/min和28.38 m3/min。利用胶管将毕托管和 TSI 多功能通风表连接，通过 TSI 多功能通风表测量测压点 1 和测压点 2 的静压，通过差值计算出单一水浴工况下，相同水深时不同风量的阻力值。依次调节排风管浸没水深为 0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3.0 cm，测量不同风量时的阻力值。设定风量为 56.76 m3/min，发尘量为 20 g/min，均匀发尘，依次调节水深为 0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3.0 cm，利用 FCC-25 型防爆粉尘采样器在粉尘采样点分别对除尘装置出风口粉尘进行采样，每组工况采样 4 次，每次采样时间为 2 min，采样流量为20 L/min。研究单一水浴工况下除尘装置的除尘下效率，实验过程中经采样器采样后的滤膜置于真空干燥箱干燥后进行称重，利用滤膜上粉尘质量增量计算除尘装置出口处粉尘质量浓度，并通过进出口粉尘质量浓度计算出除尘效率，其中出口处粉尘质量浓度计算公式如下8：qtmmc12600 3-=式中：c 为除尘装置出口处粉尘质量浓度的数值，单位mg/m3；m2为采样后片滤膜质量的数值，单位 mg；m1为采样前滤膜质量的数值，单位 mg；q 为采样流量的数值，单位 m3/h；t 为采样时间的数值，单位 s。最后，在最优水浴净化效果工况的基础上，依次增加喷雾和弦栅，其中，选取 0.3 MPa 水压配合直径2.15 mm 低压旋流雾化喷嘴提供喷雾，0.3 MPa 水压下喷水量为 6 L/min，比较水浴弦栅复合除尘工况下较单一水浴工况下除尘效率的提升效果。3实验结果及分析3.1除尘装置阻力分析除尘装置系统阻力是衡量水浴弦栅水膜复合除尘装置性能的重要指标，因此在设计研发除尘装置时应尽量降低装置阻力，在工程应用中应根据实际需求选取合适工况提高除尘装置的综合使用性能。通过实验，在单一水浴工况下开启风机，运行除尘装置，在不同风量和不同水深下的情况下的阻力测定数据如表 1 所示。表 1单一水浴工况下除尘装置阻力风量/（m3min-1）单一水浴工况下除尘装置阻力/Pa浸没深度 0.5 cm浸没深度 1.0 cm浸没深度 1.5 cm浸没深度 2.0 cm浸没深度 2.5 cm浸没深度 3.0 cm56.76409.24425.98451.80462.24465.20537.7645.40374.80385.67413.95428.27475.78503.6034.06292.12356.03393.13408.83461.65470.2728.38268.58339.62359.57392.52433.10464.67对实验数据进行分析发现，风管浸没水面深度和风量都对除尘阻力有一定的影响，因此分别以风管浸含尘气流水浴捕尘洁净空气挡水板脱水水膜捕尘喷雾捕尘弦栅毛细铺展弦间水膜Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期99没水面深度和处理风量为横坐标，以表 1 中的数据绘制单一水浴除尘工况下的系统阻力曲线，如图 5 所示。图 5单一水浴工况下阻力曲线从图 5 中可以看出，在单一水浴除尘工况下，风量一定时，除尘装置阻力损失随着风管浸没水面深度的增加而增加，此时阻力主要来源于含尘气流通过浸没水面的风管后方向发生反折逸出水面需克服的水体阻力，含尘气流冲击水面时会形成一个冲坑，并在水浴箱体内液面逐渐趋于稳定的波动状态时，风管和冲坑之间形成一定气隙，气流通过气隙会产生一定的局部阻力；另一方面，较大的气流夹杂着水滴充满整个水箱上空，风流受到水浴箱体内水滴的阻挡，也将受到一定的阻力。在风量为 28.38 m3/min、水深为 0.5 cm 时，阻力损失为 409.24 Pa；而相同风量，水深为 3.0 cm 时，阻力损失为 537.76 Pa，增加了 128.52 Pa。风管浸没水面深度一定时，随着风量增加，阻力也随之变大，但阻力上升较平缓。其中，风管浸没水面深度为 2.5 cm 时，风量从 28.38 m3/min 上升到 56.76 m3/min，阻力仅上升了32.1Pa，这是由于风管浸没水深一定时，风量的增加主要带来局部阻力的增大，导致除尘装置阻力增大。综上所述，除尘装置阻力损失受风管浸没水面深度和处理风量双因素影响，在工程应用中，应优先考虑风管浸没水面深度这一因素。3.2除尘装置除尘效率分析3.2.1单一水浴工况除尘效率分析通过实验，在处理风量为 56.76 m3/min 时，单一水浴工况下的除尘效率与不同风管浸没水面深度的实验数据如表 2 所示。表 2粉尘测量结果风管浸没水面深度/cm进口粉尘质量浓度/（mgm-3）采气量/L采样滤膜增重/g出口粉尘质量浓度/（mgm-3）除尘效率/（%）0.53521600.002 8117.560 095.011.03521600.003 8524.062 593.161.53521600.004 4527.812 592.092.03521600.004 5628.500 091.902.53521600.005 4534.062 590.323.03521600.004 4627.875 092.08从表 2 中可以看出，风管浸没水面深度由 2.5 cm增加到 3.0 cm 时，出口粉尘质量浓度由 34.062 5 mg/m3降至 27.875 0 mg/m3，并且在风管浸没水面深度为2.5 cm 时，除尘效率出现最小值。由此说明，在此水浴箱体内，风管浸没水面深度的增加对除尘效果有一定提高作用，这是由于虽然水深增加，箱体内水雾量和实际处理风量有一定程度降低，但是水深的增加提高了含尘气流在水面下的回转角度，并且粉尘通过净化区域所需时间延长，进而导致效率上升。其中，风管浸没水面深度为0.5 cm时，除尘效率最佳，为95.01%，但是出口粉尘质量浓度为 17.560 0 mg/m3，不能满足GBZ 2.12019工作场所有害因素职业接触限值中规定的工作场所空气中粉尘容许质量浓度要求9，说明单一水浴除尘不能满足作业环境职业健康的高要求。3.2.2复合除尘工况除尘效率分析为了提高除尘效率，在风管浸没水面深度 0.5 cm的基础上依次增加弦栅和增加弦栅及喷雾 2 种实验工况，在相同发尘量情况下进行实验，测试 2 种工况下的粉尘净化效果。通过实验，同样在风量为 56.76 m3/min 下进行实验，对除尘装置出口处进行采样，粉尘质量浓度测量值及除尘效率如表 3 所示。风管浸没水面深度风管浸没水面深度/cm风量/（m3min-1）科技与创新Science and Technology&Innovation1002023 年 第 13 期表 3粉尘质量浓度测量值及除尘效率工况进口粉尘质量浓度/（mgm-3）采气量/L采样滤膜增重/g出口粉尘质量浓度/（mgm-3）除尘效率/（%）增加弦栅3521600.000 825.12598.54增加弦栅及喷雾3521600.004 461.25099.64从表 3 中可以看出，在相同水浴工况下，增加弦栅后，出口处粉尘质量浓度从 17.560 0 mg/m3降到5.125 mg/m3，除尘效率达 98.54%，在单一水浴除尘的基础上提高了 3.53%。在弦栅基础上增加喷雾后出口处粉尘质量浓度降至 1.250 mg/m3，净化效果显著，低于 GBZ 2.12019工作场所有害因素职业接触限值中规定的工作场所空气中粉尘容许质量浓度，除尘效率达 99.64%，在单一水浴除尘的基础上提高了 4.63%。4结论除尘装置阻力损失受风管浸没水面深度和处理风量的影响，风量一定时，除尘装置阻力损失随着风管浸没水面深度的增加而增加。单一水浴工况下全尘除尘效率为 95.01%，但是出口粉尘质量浓度较高，达到17.560 0 mg/m3，说明单一水浴工况还不能满足环境职业健康的要求。增加弦栅后，出口处粉尘质量浓度降至 5.125 mg/m3，较单一水浴工况降低了 70.81%，除尘效率达到 98.54%，相比单一水浴工况提高了 3.53%；而在弦栅基础上增加喷雾后出口处粉尘质量浓度降至1.250 mg/m3，较单一水浴工况降低了 92.88%，除尘效率达到 99.64%，相比单一水浴工况提高了 4.63%，净化效果大幅提高，说明水浴弦栅水膜复合除尘装置能提高除尘效率。参考文献：1黄中琦.水浴式除尘器的设计及其应用J.环保科技，1995（3）：34-37.2胡满银，赵毅，刘忠.除尘技术M.北京：化学工业出版社，2006.3王荣东，杜海鸥，高耀鹏，等.水浴除尘器对钠气溶胶除尘效率试验研究J.核科学与工程，2012，32（4）：319-325.4SUN J J，LIU B Y H，MCMURRYP H，et al.Amethod to increase control efficiencies of wet scrubbers for submicronparticles and particulate metalsJ.Air&waste，2004，44（2）：184-194.5罗振江，赵杰.凡口铅锌矿新南风井除尘技术改造及其应用J.矿业工程研究，2015，30（1）：26-29.6赵杰，王海桥，陈世强.湿式共振栅阻力特性的实验研究J.黑龙江科技大学学报，2015，25（1）：82-86.7赵杰，王海桥，陈世强，等.矿井风井排风湿式共振栅除尘效率研究J.湖南科技大学学报（自然科学版），2016，31（3）：13-18.8煤炭行业煤炭安全标准化技术委员会粉尘防治及设备分会.MTT 1592019 矿用除尘器通用技术条件S.出版社不详，2019.9国家卫生健康委员会.GBZ 2.12019 工作场所有害因素职业接触限值 第 1 部分：化学有害因素S.北京：中国标准出版社，2019.作者简介：刘益龙（1967），男，江西高安人，高级工程师。通信作者：温智超（1995），男，江西赣州人，硕士，工程师，研究方向为矿井通风与粉尘防治。（编辑：丁琳）（上接第 94 页）通过研究分析可知，电压为 12 V、进给速度为3.5 mm/min、电解液中 NaNO3的体积分数为 8%时，侧面间隙为 0.12 mm，棒间距为 23.42 mm，为最优工艺参数组合，加工时长为 10.9 min。最终加工结果如表 1 所示，试件如图 6 所示。由图 6 可知：试件轮廓成形良好，表面质量好，间隙值为 0.100.13 mm，棒间距满足要求。表 1最终加工结果组别侧面间隙/mm棒间距/mm电流/A10.1222.9916520.1023.0116030.1323.0916840.1123.04162图 6最终加工结果4结论本文对电压和进给速度进行了仿真，确定了参数取值范围。对不锈钢内花键进行电解试验，确定了最优参数为：电压 12 V、进给速度 3.5 mm/min、电解液