多孔介質濕式除塵器收集細顆粒物性能研究

朱能天 陳旺生 黃董平 范一凡

（1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.湖北省工業安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430081）

金屬礦山在生產過程中會產生大量粉塵，污染礦山環境、危害人體健康、影響金屬礦山安全生產，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病發病總數的90%［1］。濕式除塵器由于除塵效率高、結構簡單、可處理高濕粉塵，因此在礦山系統得到了廣泛的應用［2-5］。近年來，我國礦用高效濕式除塵器研究進展顯著，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［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］。當前礦山使用的濕式除塵器對高濃度的細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的要求。而且濕式除塵器的除塵效率與噴嘴霧化效果有關，霧滴粒徑越小，除塵效率越高［9］，因此濕式除塵器在實際應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，基于多孔介質對捕集細顆粒物的增強效應，將多孔介質除塵機理和沖擊水浴除塵機理相結合，提出一種多孔介質濕式除塵器，該多孔介質濕式除塵器對高濃度的細顆粒物除塵效率高、阻力小、噴嘴不易堵塞、結構簡單，具有較好的應用前景。

1 多孔介質濕式除塵器的結構

多孔介質濕式除塵器由進氣箱、噴淋裝置、除塵管、多孔介質、液面穩定器、灰斗、排氣箱等組成，結構如圖1所示。

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

以氧化鋁微粉、造孔劑和結合劑為主要原料，通過高溫煅燒法制備多孔介質。如圖2所示，多孔介質由固體骨架和相互貫通、彎曲的不規則孔道構成，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，彎曲的不規則孔道增強了粉塵與液膜的慣性碰撞、攔截及擴散作用?？椎乐g相互貫通，部分含塵氣流和液滴在原孔道中進入相鄰孔道，與相鄰孔道中的氣流和液滴形成湍流，加強了粉塵與液滴的混合、碰撞效果，增強了細顆粒物的凝并作用，提高了對細顆粒物的捕集效率。同時多孔介質具有耐腐蝕、耐高溫、密度小、強度高等特點。

在噴淋裝置作用下，多孔介質中形成液膜和液滴，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，對水質和水壓要求較低，噴嘴不易堵塞、能耗低。柵格式液面穩定器將整個液面劃分為多個單元，在液面穩定器內部相互作用力的抵消作用下減弱水面振蕩程度，增強除塵器的穩定性，減少水面振蕩造成的液滴二次夾帶。

2 工作原理及除塵機理

多孔介質濕式除塵器綜合運用多孔介質除塵理論和沖擊水浴除塵理論，通過液滴、液膜捕捉粉塵，除塵機理主要有慣性碰撞、截留、擴散等，除塵機理如圖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，多孔介質表面以及內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。多孔介質中的孔道為內外貫通、彎曲的不規則通孔，含塵氣流在通過多孔介質時，氣流沿孔道多次改變運動方向，粒徑較大的粉塵在慣性碰撞的作用下被多孔介質中的液膜捕集，粒徑較小的粉塵通過截留和擴散作用被多孔介質中的液膜捕集。部分含塵氣流和液滴在原孔道中進入相鄰孔道，與相鄰孔道中的氣流和液滴發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入灰斗，在噴淋水的連續沖洗作用下可以實現多孔介質自凈化。含塵氣流在經過多孔介質凈化后，在多孔介質的分散作用下，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濕式除塵器、噴淋系統、通風系統和測試系統組成。在多孔介質濕式除塵器的進、出口分別設有測試孔和采樣孔。噴淋系統主要由水泵、流量計、變頻器、壓力表和噴嘴組成，通過變頻器和流量計調節噴淋量，通過水泵實現水循環；通風系統主要由離心風機和變頻器組成，通過變頻器和調節閥調節風量；測試系統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、出口的全壓差即為除塵器的壓力損失。通過KA23型風速儀測定除塵器進、出口風速，使用等速采樣法采樣，稱重前后干燥濾筒，除塵器進、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 實驗結果及分析

4.1 多孔介質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，除塵器入口風速為8、10、12、14、16 m/s時，考察無多孔介質及不同多孔介質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，結果如圖6和圖7所示。

由圖6可知：多孔介質厚度越大，除塵效率越高。在無多孔介質時，入口風速由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%；在多孔介質厚度為15 mm時，入口風速由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%。無多孔介質時，僅依靠沖擊水浴作用無法實現對細顆粒物的高效捕集。有多孔介質時，含塵氣流在通過多孔介質的過程中，細顆粒物在慣性碰撞、截留和擴散的共同作用下被高效捕集，經過多孔介質凈化后的氣流沖擊液面形成氣泡、液滴混合捕集體，對粉塵進行二次捕集。因此，有多孔介質時除塵效率相比于無多孔介質時有較大提升。由圖7可知，多孔介質厚度越大，壓力損失越大。在多孔介質厚度為15 mm時，入口風速由8 m/s增大到16 m/s，壓力損失由495 Pa增加到1 039 Pa。

在入口風速為14 m/s時，多孔介質厚度由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，選擇多孔介質厚度為15 mm。

4.2 液氣比對除塵性能的影響

在多孔介質厚度為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%，此時多孔介質中形成的液膜和液滴數量較少，除塵效率較低。當液氣比為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。當液氣比為1.32L/m3時，壓力損失為666 Pa。當液氣比為4.69L/m3時，壓力損失為833 Pa。若繼續增大液氣比，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，對水質和水壓要求較低，噴嘴不易堵塞，通過水循環系統可實現水資源的高效利用。

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行研究，結果如圖10和圖11所示。以多孔介質底部為基準面，水位高度為正值表示水面高于基準面。

由圖10可知：水位高度越高，除塵效率越高。當水位高度由-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%。多孔介質底部在水面以上時，捕集粉塵主要發生在多孔介質內部；多孔介質底部在水面以下時，氣流通過多孔介質后沖擊水面形成氣泡、液滴混合捕集體，多孔介質插入水面深度越深，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。隨著多孔介質插入深度加深，多孔介質出口處水壓越大，氣相向下沖擊水體的阻力越大。

當水位高度由0繼續增加時，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 結論

針對目前濕式除塵器對高濃度細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，提出一種多孔介質濕式除塵器，并對其除塵性能進行了實驗研究，結論如下：

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

（2）在其它實驗條件相同時，多孔介質濕式除塵器的除塵效率隨多孔介質厚度、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，當入口粉塵濃度為2 500mg/m3、多孔介質厚度為15 mm、液氣比為4.69L/m3、水位高度為0 mm、入口風速小于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濕式除塵器噴嘴對噴霧粒徑要求較低，對水質和水壓要求較低，噴嘴不易堵塞、能耗低，通過水循環系統可實現水資源的高效利用。