直通導葉式微型旋流管組分離效率實驗*

曾思敏，林龍沅，康菲菲，徐志勇，陳海焱

(1.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010；2.四川省煤炭設計研究院，四川 成都 610000)

0 引言

礦井井下工作面粉塵濃度較大，粉塵粒徑分布范圍為1.74～20.39 μm[1]，由于施工現場受空間限制且結構復雜，主要采用通風凈化方式進行除塵，其中局部機械通風除塵效果最好[2]。Flynn等[3-4]指出：在受空間限制情況下，局部除塵能有效降低作業空間內21%的粉塵濃度，小尺寸的可移動局部除塵裝置在空間限制情況下具有更好的靈活性和機動性，而關于適應于受限空間應用的除塵器的研究較少，因此開展受限空間的除塵機理和除塵裝置的研究具有重要的實際意義[5]。

直通導葉式旋流管是1種導葉式直流旋風分離設備，最初用于在多沙塵地區作業的機械車輛的初效過濾，從而達到延長濾清器濾芯維護保養周期和發動機使用壽命的作用，進而提高機械車輛的安全可靠性[6]。隨著機械工業發展的需要，由于直通導葉式旋流管阻力低、體積小、不改變氣流走向，因而被廣泛用于石油化工、冶金、天然氣、環保等行業[7-9]。直通導葉式旋流管作為1種離心式除塵器，具有結構簡單、無運動部件、分離效率高等特點，特別適用于含塵濃度高的環境[10]。滿曉偉等[11]為研究直通導葉式旋流管原理特性，對內徑為100 mm的直通導葉式旋流管進行了阻力特性、氣固分離、氣液分離實驗，發現旋流管排氣口方式對分離效率有較大影響；湯浩等[12]通過數值模擬研究了不同工作條件(顆粒粒徑、進氣角度及集塵管掃氣壓力)對直通導葉式旋流管分離效率的影響，發現適當的進氣角度能提高粉塵分離效率，適當地抽氣能提高小顆粒粉塵的分離效率；徐方成等[13]通過對長度約1 800 mm,內徑為D=100 mm的旋流器進行流場測試和分離性能測試，對環向、軸向和徑向速度的分布與旋流管抽氣量的關系研究發現，抽氣能減少旋流管尾部的徑向速度，提高分離效率。在直通導葉式旋流管組分離性能方面的研究方面，陳斌等[14]研發了用于循環流化床鍋爐的PZC-300型直流旋風管，長度大于1 200 mm，其通過對分離器排塵口底部適當抽氣、擴大旋風管排塵空間以減少旋風管間相互干擾引起的返混，從而達到高效低阻效果；金小漢等[15]研制了用于煤礦井下除塵的多管直流式旋風除塵器，由110個單旋流管平行排列組成，尺寸為3 000 mm×700 mm×1 200 mm，通過實驗測定其處理風量為209 m3/min，工作阻力為1 500 Pa，平均除塵效率分別為85%(干式)和92.4%(濕式)。

與傳統的工業除塵器相比，直通導葉式微型旋流管組合而成的微型旋流管組體積相對較小，更適應于粉塵濃度大的受限作業空間。目前對于受限空間的除塵方式如常見的井下濕式除塵之外，鮮少看到其他干式除塵的應用[16]，針對該現象，本文通過建立微型直通導葉式旋流管組的實驗裝置(尺寸為600 mm×495 mm×297 mm)，開展不同粉塵濃度、不同抽氣率工作條件下，直通導葉式微型旋流管組分離效率的影響研究，為其在受限空間的應用提供有效理論和實驗依據。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗采用主要成分為SiO2的未球化前的玻璃微珠粉體作為實驗原料，玻璃微珠的震實密度2.067 g/cm3(堆密度1.311 g/cm3)，中位粒徑d50為9.673 μm，其粒徑分布見表1。

表1 實驗物料粒徑分布Table 1 Particle size distribution of experimental materials

1.2 實驗裝置

直通導葉式微型旋流管組分離效率實驗研究裝置主要由直通導葉式微型旋流管組、動力系統(多翼式離心防爆風機)、測量系統(包括風速儀、電子秤、濃度儀等)、抽氣系統(包括抽塵泵和集塵袋)、加料系統(空氣壓縮機、儲氣罐、給粉機)以及通風管道系統6部分組成，整個實驗裝置處于負壓狀態。直通導葉式旋流管是由熱塑性聚酯、超高分子量聚乙烯等構成的高分子化合物，具有較高的耐高溫型和抗靜電性。整體結構能夠滿足有限空間內作業的防爆要求。實驗工藝流程如圖1所示。

圖2為直通導葉式微型旋流管組的簡易結構，尺寸為600 mm×495 mm×297 mm，由98個相同結構和尺寸直通導葉式旋流管并聯組成。

圖3為單個直通導葉式旋流管結構圖，整體長為97 mm，由進風管段、導流葉片、主體筒體、排塵口和出風管段組成。進風管段直徑為25 mm，出氣管段可與主體筒體分離，長44 mm，出風管段中有39 mm嵌入在主體筒體。

圖3 單個直通導葉式微型旋流管結構Fig.3 Single straight-through lead-led cyclone structure diagram

1.3 實驗方法

實驗以空氣為介質，以未球形前的玻璃微珠為粉體原料，給粉機通過壓縮空氣引射實驗原料形成氣固兩相流進入集塵罩內部，含粉塵氣流經集塵罩后通過直通導葉式微型旋流管組進風管段后受導流葉片的導流及壓縮，產生離心力，粉塵因離心力作用而從排塵口排出，干凈氣流則通過出風管段排出。動力系統由多翼式離心風機提供動力；抽氣系統通過使用抽塵泵對排塵口不同程度的抽氣來測試抽氣率對直通導葉式微型旋流管組的分離效率的影響，抽出粉塵用集塵袋搜集；經直通導葉式微型旋流管組分離后的干凈氣流通過通風管道后被排出；流量、重量、濃度的測量分別由風速儀、電子秤、濃度儀等儀器來完成。

為研究不同濃度、不同抽氣率對直通導葉式微型旋流管組分離效率的影響，實驗主要用電子秤通過稱重法考察其性能指標分離效率。

1.3.1 直通導葉式微型旋流管組的除塵效率

根據集塵袋中收集的粉塵質量，計算直通導葉式微型旋流管組的除塵效率。根據除塵效率公式，直通導葉式微型旋流管組除塵效率η1為：

(1)

式中：η1為微型旋流管組除塵效率，%；m1為過濾前集塵袋質量，g；m2為過濾后集塵袋質量，g；v為粉塵速率，g/min；t為給粉時間，min。

1.3.2 抽塵泵的抽風率

利用風速儀測定主風機管道以及抽塵泵管道的風速，計算管道流量Q，然后通過流量計算抽塵泵抽風率。其中管道流量Q為：

(2)

式中：Q為管道流量，m3/s；d為管道直徑，m；v為管道內平均風速，m/s。

(3)

式中：η2為抽氣率，%；Q1為主風機管道流量，m3/s；Q2為抽塵泵管道流量，m3/s。

2 實驗結果

2.1 直通導葉式微型旋流管組分離效率的研究

2.1.1 粉塵濃度對直通導葉式微型旋流管組分離效率的影響

實驗對比了直通導葉式微型旋流管組在相同條件下對于不同粉塵濃度的分離效率。圖4為直通導葉式微型旋流管組在流量為1 526.04 m3/h，抽氣率從0%～10%，粉塵濃度從200 mg/m3逐漸增大到1 400 mg/m3情況下的分離效率。從圖4可以看出，抽氣率在0%～5%條件下，當粉塵濃度從200 mg/m3增至600 mg/m3時，直通導葉式微型旋流管組除塵效率隨著粉塵濃度的增加，不同的抽氣率條件下分離效率都是逐漸增加的；當粉塵濃度大于600 mg/m3時，直通導葉式微型旋流管組除塵效率開始逐漸減小或持平，在粉塵濃度為1 000 mg/m3時直通導葉式旋流管分離效率最高。因為在粉塵濃度較低范圍內時，隨著粉塵濃度的增加，直通導葉式微型旋流管組內顆粒之間相互碰撞、團聚、夾帶作用會逐漸增強，從而使得顆粒粉塵向器壁運動的離心力增強而被排塵口捕捉；當粉塵濃度超過600 mg/m3時，顆粒之間的反彈、返混作用增強會使得直通導葉式微型旋流管組的分離效率降低或持平；當粉塵濃度從800 mg/m3逐漸增至為1 000 mg/m3時，顆粒之間的返混作用降低，同時抽氣能增強顆粒運動離心力減少了顆粒間的返混，使得直通導葉式微型旋流管組的分離效率達到最高。即在粉塵濃度低于600 mg/m3時，直通導葉式微型旋流管組分離效率隨著粉塵濃度的增加而增加，而當粉塵濃度超過600 mg/m3時，直通導葉式微型旋流管組對于1 000 mg/m3粉塵濃度的分離效率最佳。

圖4 不同濃度下直通導葉式微型旋流管組的分離效率Fig.4 Separation efficiency of the straight-through leaf micro-cyclone group at different concentrations

2.1.2 抽氣率對直通導葉式微型旋流管組分離效率的影響

實驗對比了在相同條件下，不同抽氣率對直通導葉式微型旋流管組在不同粉塵濃度下的分離效率變化趨勢，如圖5所示。當粉塵濃度小于600 mg/m3時，直通導葉式微型旋流管組的分離效率隨著抽氣率的增加而逐漸增加，當粉塵濃度大于或等于600 mg/m3時，隨著抽氣率的增加，直通導葉式微型旋流管組的分離效率逐漸增加，當抽氣率超過5%時，分離效率又逐漸減小。這是因為當粉塵在較低濃度范圍內時，顆粒運動受氣流影響較大，抽氣率越大，粉塵顆粒受抽氣氣流影響的離心力越大而被捕捉的較多；當粉塵濃度較大時，顆粒運動相對穩定而受氣流影響較小，并非抽氣率越大分離效率就越大，抽氣率過大使得顆粒之間的碰撞反彈增強、返混現象增強從而導致分離效率降低。因此，當粉塵濃度小于600 mg/m3時，直通導葉式微型旋流管組隨著抽氣率的增加分離效率逐漸增加，當粉塵濃度大于或等于600 mg/m3時，直通導葉式微型旋流管組在抽氣率為5%時分離效率可達94%。

圖5 不同抽氣率下直通導葉式微型旋流管組的分離效率Fig.5 Separation efficiency of the straight-through leaf micro-cyclone tube group at different pumping rates

2.2 粉塵粒徑與形貌分析

為了更加直觀看出直通導葉式微型旋流管組的分離效果，利用激光顆粒分析儀LS13320對直通導葉式微型旋流管組的進氣口(實驗原料玻璃微珠粒徑分布)、排塵口及氣流出口的玻璃微珠粉塵進行粒度測試，各部位的粉塵粒徑分布如圖6所示。

圖6 各部位粒徑分布Fig.6 Particle size distribution map of each part

圖6為直通導葉式旋流管組3個不同位置的體積-粒徑分布圖，縱坐標表示實驗原料粉塵中不同粒徑的顆粒所占整體粉塵體積比例為多少，橫坐標表示實驗原料粉塵中各種顆粒的粒徑是多大，圖6中3條不同曲線分別代表3個不同部位粉塵的不同粒徑所占比例分布情況，為更加直觀了解各部位的粉塵分布情況，分別標出了不同部位粉塵分布的d50值(粉塵中有50%的粉塵小于這一粒徑值)。

從圖6可以看出，直通導葉式微型旋流管組含塵氣流進氣口、氣流出口、排塵口各處粉塵粒徑分布差異明顯，進氣口曲線為實驗原料粉塵原始粒徑分布曲線d50為9.673 μm，排塵口粉塵是被直通導葉式旋流管組分離后被收集的粉塵，d50為14.34 μm，而氣流出口通過直通導葉式微型旋流管組后逃逸的粉塵，d50為5.038 μm。由此可以看出直通導葉式微型旋流管組對粒徑在14.34 μm及以上的玻璃微珠粉塵分離效果較好，而對于5.038 μm及以下的玻璃微珠粉塵分離效果不佳。

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對實驗用的玻璃微珠的形貌進行了測試分析。分別選取直通導葉式微型旋流管組的進氣口、排塵口及氣流出口的玻璃微珠進行測試，其顆粒形貌圖如圖7所示。從圖7(a)可以看出，進氣口玻璃微珠原料顆粒大小不一，非常不規則；而圖7(b)排塵口的玻璃微珠顆粒明顯比圖7(c)氣流出口的玻璃微珠顆粒大，可以看出實驗原料經過微型旋流管組后，從排塵口分離出來的皆是大顆粒，這說明微型旋流管組分離作用明顯；而對于小顆粒粉塵，微型旋流管組無法進行有效分離，從氣流出口被氣流帶出，表明了微型旋流管對大顆粒除塵效果明顯，而對于小顆粒粉塵分離效果還有待于進一步提高。

圖7 直通導葉式微型旋流管組各部位玻璃微珠顆粒形貌Fig.7 Straight-through leaf micro-cyclone group glass micro-bead particle profile map

3 結論

1)在排塵口無抽氣時，直通導葉式微型旋流管組對于200～1 400 mg/m3粉塵濃度的除塵效率最佳，可達85%；在排塵口有抽氣時直通導葉式微型旋流管組對于1 000 mg/m3粉塵濃度的除塵效率最佳，可以達到94%。

2)當粉塵濃度小于600 mg/m3時，抽氣率在0%～5%條件下，直通導葉式微型旋流管組隨著抽氣率的增加分離效率逐漸增加，當粉塵濃度大于或等于600 mg/m3時，直通導葉式微型旋流管組在抽氣率為5%時分離效率最佳，達到92%～94%。

3)通過粉塵粒度及形貌測試分析對比可知，直通導葉式微型旋流管組對粒徑在14.34 μm以上的玻璃微珠粉塵分離效果較好，而對于5.038 μm以下的玻璃微珠粉塵分離效果不佳，因此在后期的設備開發中，該微型旋流管組可與濾筒等高效除塵器進行匹配，形成一套集初效和高效一體的除塵器。