濕式嵌入可調文丘里—纖維柵復式除塵裝置試驗研究

徐洪建 趙恒鋒 馮自琴 李治國 陳宜華

(1.安徽工業大學能源與環境學院,安徽 馬鞍山 243002;2.臨渙焦化股份有限公司,安徽 淮北 235141)

金屬礦山井下礦石溜破是產塵較大的系統之一,也是污染防治重點和難點[1-5]。 由于井下礦石破碎、轉運過程中會導致大量粉塵產生,使破碎硐室內環境空氣質量下降,產生大量的微細粉塵顆粒,極易通過呼吸道進入人體肺部沉積下來,嚴重危害人體健康,同時金屬氧化物粉塵還會令現場電子設備的使用壽命縮短[6-10]。 此外,井下破碎作業環境粉塵濃度波動大且環境濕度大等增加了粉塵治理難度[11-13]。

井下破碎除塵常用的方式包括噴霧降塵、電除塵器、袋式除塵器、濕式除塵器等[14-15]。 噴霧降塵應用于含有黏土的礦石時,但會造成溜井和料斗以及排塵管道堵塞;電除塵器對粉塵顆粒的比電阻有特殊要求,且前期投資高,安裝難度大;袋式除塵器雖然對粉塵的捕集效率較高,但去除潮濕粉塵時易造成糊袋、維修量大、運行費用高;濕式除塵器在金屬礦山粉塵治理方面得到了廣泛應用,但存在除塵效果不佳、經濟性不合理等不足,如濕式文丘里除塵器對粉塵的去除效率高,投資相對較少,但運行阻力大、能耗高;濕式纖維柵除塵器運行阻力小、結構簡單,但對于微細粉塵去除效果不夠理想[4]。 因此,對現有的濕式除塵裝置進行技術升級改造或研制出多機理高效復合除塵裝置很有必要。

本研究對文丘里除塵器進行結構優化,設計了嵌入式可調文丘里除塵器,并引入濕式密集纖維柵除塵技術,構成復合濕式除塵裝置,通過對其影響因素進行結構參數優化設計,提出文氏管—纖維柵濕式復合除塵裝置,以達到高效低阻的目的,滿足井下破碎硐室除塵需求。

1 濕式復合除塵器凈化機理

文氏管—纖維柵濕式復合除塵裝置的工作原理可闡述為:將含塵氣流送至收縮管中,流速逐漸增加,壓力能轉換為動能,并在文氏管喉管處氣流速度達到最大值。 通過調節喉部嵌入的柱體大小,可改變喉管環縫間距及風速,高速氣流使噴嘴的洗滌液高速霧化后,與漸縮管尾端或喉管前端的含塵氣體充分接觸,使粉塵顆粒黏附性增大,更易在碰撞中凝聚成粒徑較大的顆粒,之后進入擴散管中實現對微細粉塵顆粒的捕集[5]。 在氣流作用下,含塵霧滴運動到達纖維柵過濾階段,由于慣性碰撞和纖維柵攔截效應等作用,纖維絲之間形成水膜,含塵霧滴顆粒黏附在纖維柵表面,透過纖維柵板的微細顆粒之間發生凝聚作用,纖維絲在高速氣流的沖擊作用下進行自激振動,當相鄰纖維絲的固有頻率與漩渦脫落頻率保持相同時,會引發共振現象,造成鄰近纖維絲之間形成“壁”效應,增大有效過濾面積[6-7],從而捕集并凝聚更多的大顆粒粉塵顆粒物,隨水流進入灰斗而被收集。

2 試驗分析

2.1 試驗裝置

本研究選擇以標準滑石粉作為試驗粉塵,選取螺旋發塵器均勻向管道內發塵,通過調節變頻器轉速來控制單位時間內發塵量。 離心風機、粉塵及阻力檢測儀、控制柜及內徑220 mm 圓形管道組成除塵試驗系統(圖1)。 噴霧循環系統包含自吸水泵、過濾元件、水箱和轉子流量計等部件。 水箱內洗滌液由自吸水泵抽出,經轉子流量計和過濾器過濾后從嵌入可調文丘里噴嘴引入到過濾單元,之后,均勻地噴灑在密集纖維柵上,捕塵后的洗滌液經過濾后通過排水孔流至循環水箱。

圖1 濕式復合除塵裝置示意Fig.1 Schematic of wet composite dust removal device

凈化主體由嵌入可調文丘里和濕式密集纖維柵板兩部分組成。 嵌入可調文丘里包含收縮管、可調式喉管、擴散管等元件,通過法蘭連接組成,在喉管壁面兩側設置引射孔,通過硅膠管與恒液位供水箱連接,擴散管與纖維柵過濾單元通過法蘭連接。 纖維柵過濾單元由1 mm 厚的鍍鋅鐵皮制成,采用嵌入插板式,上蓋采用法蘭連接,以便于更換與清潔纖維柵板,管道中心內安裝4 分超細霧化噴頭,兩側有測壓孔以及排水孔,在主體出口安裝折流板除霧器,防止水霧被帶入風機內部。

通過測試采樣系統可以對濕式復合凈化裝置兩側的粉塵濃度、阻力進行采樣和測定。 采用微電腦粉塵采樣儀(LD-5)、采樣孔、橡膠管測量管道內粉塵濃度。 通過橡膠管將凈化主體兩側等直徑管道上的采樣孔連接至微電腦數字壓力計測量凈化裝置阻力。

試驗中濕式復合機理除塵器設定的風量大小為1 650 m3/h。 除塵裝置設計嚴密,未出現漏風,入口風量與出口風量相同,故本研究選用濃度法計算粉塵捕集效率,公式為

式中,η為除塵效率,%;Cin為除塵器入口粉塵濃度,g/m3;Cout為除塵器出口粉塵濃度,g/m3。

2.2 試驗方法

本研究對濕式復合除塵裝置進行7 因素(3 水平)的正交試驗,主要影響因素包括喉管風速、文氏管擴散管角度、纖維柵纖維直徑、纖維板間距、纖維板層數、液氣比,采用直觀分析法進行分析,得出最佳參數組合,并運用單因素分析法研究各項參數對復合除塵裝置除塵效率和運行阻力的影響。

2.3 粉塵粒徑分布測定

相關研究表明,粉塵中呼吸性粉塵(呼塵)對人體健康影響較大,評價新型濕式除塵器性能時要考慮對呼塵的去除效率。 為此,依據《濕式除塵器性能測定方法》(GB/T 15187—2017),試驗選取標準325 目球形滑石粉作為測試樣品,并進行粒徑測試,從而獲得粉塵樣品粒徑的累積頻率分布圖(圖2),便于對除塵器進行分級效率分析。

圖2 粉塵粒徑累積頻率分布Fig.2 Distribution of dust particle size accumulation frequency

由圖2 可知:當粉塵樣品累積頻率達到50%時,對應的中位徑D50=8.9 μm,10 μm 以下呼吸性粉塵顆粒累積頻率達56.7%。

3 結果分析與討論

3.1 不同工況參數對濕式復合除塵器過濾性能的影響

3.1.1 文氏管喉管風速對過濾性能的影響

在濕式纖維柵纖維直徑0.4 mm、纖維板間距4 cm、3 層纖維板、液氣比0.4 L/m3、文氏管擴散管角度6°的條件下,探究不同喉管風速對濕式復合除塵器除塵性能的影響,結果如圖3 和圖4 所示。

圖3 喉管風速對過濾效果的影響Fig.3 Effect of throat wind speed on filtration effect

圖4 喉管風速對凈化阻力的影響Fig.4 Effect of throat wind speed on purification resistance

由圖3 可知:過濾效率隨著文氏管喉管風速增加而增大,且當文氏管喉管風速增加至33.6 m/s 時,增加幅度逐漸減緩,是因為喉管風速不斷增大,在一定程度上加劇了含塵氣流與霧滴之間的碰撞和凝聚效果,使含塵粒子到達纖維板過濾段時被捕集、沉降。分析圖4 可知:喉管風速越大,運行阻力越大,且速度增大至33.6 m/s 時,增加幅度逐漸拉大。 從除塵裝置“高效、低阻、節能”的角度出發,不宜盲目增大喉管風速而追求更高的效率,還要考慮阻力和能耗問題,故而選取的最佳喉管風速為22.7～33.6 m/s。

3.1.2 纖維柵纖維直徑對過濾性能的影響

在3 層間距為4 cm 的纖維濾板、液氣比0. 4 L/m3、文氏管擴散管角度為6°的條件下,通過改變纖維柵纖維直徑,研究不同纖維直徑對濕式復合除塵器過濾性能的影響,結果如圖5 和圖6 所示。

圖5 纖維直徑對過濾效率的影響Fig.5 Effect of fiber diameter on filtration efficiency

圖6 纖維直徑對凈化阻力的影響Fig.6 Effect of fiber diameter on purificati resistance

綜合分析圖5 和圖6 可知:在相同喉管風速條件下,纖維直徑越小,對粉塵粒子的捕集效率越高,最高可達99.1%。 這是由于不銹鋼絲越細,纖維板內充填率越高;通過提高風速,使含塵氣流與霧滴的碰撞次數增加,形成更大的含塵液滴并黏附在纖維柵,使濕潤的纖維在重力作用下形成多層“水膜”,從而捕集更多的粉塵顆粒。 在相同風速條件下,不同纖維直徑對濕式復合除塵器的凈化阻力影響較小,但纖維直徑越細時,噴嘴噴出的霧滴隨氣流高速流動,易在纖維柵板上形成“過濾面”,阻礙粉塵粒子穿過纖維柵板,導致整體運行阻力增大。 本研究在綜合考慮過濾效率和凈化阻力后,確定的最佳纖維直徑為0.3 mm。

3.1.3 纖維柵間距對過濾性能的影響

在纖維直徑0. 2 mm、3 層纖維板、液氣比0. 4 L/m3、文氏管擴散管角度為6°的參數條件下,通過調節纖維板間距,分析不同纖維板間距對濕式復合除塵裝置過濾性能(效率、阻力)的影響,結果如圖7 和圖8 所示。

圖7 纖維板間距對過濾效率的影響Fig.7 Effect of fiber board spacing on filtration efficiency

圖8 纖維板間距對凈化阻力的影響Fig.8 Effect of fiberboard spacing on purification resistance

保持喉管風速不變(v喉=28.80 m/s),纖維板間距逐漸變大,對含塵粒子的去除效率越低,除塵裝置阻力越小。 當間距為5 cm 時,阻力下降坡度逐漸減緩,這是由于在相同體積下纖維柵板數相對減小,隔板對風流的阻力減小;保持纖維板間距不變,增大喉管風速,過濾效率呈先增大后減小的趨勢,在28. 8 m/s 處過濾效率達到最大值,除塵裝置凈化阻力呈增大趨勢,其中纖維板間距為2 cm 時阻力值最大。 綜合考慮除塵效率和運行阻力,確定的最佳纖維板間距為3～5 cm。

3.1.4 纖維柵層數對過濾性能的影響

在纖維直徑為0.3 mm、纖維板間距為4 cm、液氣比0.4 L/m3、擴散管角度為6°的條件下,通過改變纖維板層數,分析不同纖維板層數對濕式復合除塵器過濾效果的影響,結果如圖9 和圖10 所示。

圖9 纖維板層數對過濾效率的影響Fig.9 Effect of fiber sheet number on filtration efficiency

保持喉管風速不變,不斷增加纖維板層數,對粉塵的過濾效率呈上升趨勢,凈化阻力增大,但增加幅度較小;當纖維板層數相同時,增大喉管風速,過濾效果也逐漸提升,凈化阻力呈線性增加。 這是由于纖維柵層數逐漸增加時,過濾總厚度增加,延長穿過過濾段的捕集時間,使含塵粒子與霧滴在纖維柵過濾段碰撞次數增加,從而增強了粉塵顆粒的捕集效果。 隨著纖維柵板層數增多,柵體間隙對流體的緩沖作用愈發明顯,凈化阻力急速增加。 通過對比分析圖9 和圖10,本研究確定的最佳纖維柵板層數為2～4 層。

3.1.5 液氣比對過濾性能的影響

在纖維直徑0.3 mm、纖維板間距4 cm、3 層纖維板、擴散管角度6°的條件下,分析不同喉管風速下液氣比對濕式復合除塵裝置過濾性能的影響,結果如圖11 和圖12 所示。

圖11 液氣比對過濾效率的影響Fig.11 Effect of liquid gas ratio on filtration efficiency

圖12 液氣比對凈化阻力的影響Fig.12 Effect of liquid gas ratio on purification resistance

同一風速條件下,隨著液氣比增大,裝置對粉塵的過濾效率先逐漸增大后趨于穩定,凈化阻力則不斷增大;保持液氣比相同,喉管風速越大,除塵效率越高,運行阻力越大,不同風速對應的凈化阻力值差距較明顯。 液氣比增大,相當于增加噴霧量,霧滴與含塵顆粒在擴散管與纖維柵過濾段內碰撞次數增多,凝并效果顯著,且纖維柵板上附著的霧滴多,易形成水膜,增強了纖維板慣性捕集和攔截作用,但同時導致凈化阻力增大。 當液氣比≥0.5 L/m3時,霧滴與粉塵粒子的凝并逐步趨于飽和,再增加液氣比,捕集效率增幅不明顯,因此最佳液氣比范圍為0.3～0.6 L/m3。

3.1.6 文氏管擴散管角度對過濾性能的影響

在纖維直徑0.2 mm、纖維板間距4 cm、3 層纖維板、液氣比0.4 L/m3的條件下,通過改變喉管風速,探究不同擴散管角度對濕式復合除塵器過濾性能的影響,結果如圖13 和圖14 所示。

圖13 擴散管角度對過濾效率的影響Fig.13 Effect of diffuser angle on filtration efficiency

圖14 擴散管角度對凈化阻力的影響Fig.14 Influence of diffuser angle on purificati resistance

在相同風速條件下,角度越小,擴散管越長,對粉塵的去除效果越好,凈化阻力越低;當擴散管角度相同時,隨著喉管風速增大,去除效率先增大后逐步趨于平穩,凈化阻力與風速呈線性關系依次遞增。 因擴散管出口直徑已確定,擴散管越長,粉塵顆粒與霧滴在擴散管內碰撞機會越多,且擴散管具有一定的凝聚和壓力恢復功效,因此擴散管角度越小,去除效率越高,凈化阻力越小。 對比圖13 和圖14 可知,擴散管角度為7°時,對粉塵的去除效率最小,且凈化阻力最大,故確定最佳擴散管角度為5°～6°。

3.2 分級效率

為了考察濕式復合除塵器對井下破碎硐室生產過程中粉塵顆粒物的捕集效果,在正交試驗獲得的最優參數組合(喉管風速22.73 m/s、纖維柵纖維直徑0.3 mm、4 層間距為5 cm 的不銹鋼絲纖維柵板、液氣比0.6 L/m3、擴散管角度6°)條件下,對濕式復合除塵器進行分級效率測定,并與嵌入可調文丘里、濕式密集纖維柵兩種除塵器的分級效率進行比較,結果如圖15 所示。

圖15 分級效率對比Fig.15 Comparison of the classification efficiency

當喉管風速、入口風速保持不變時,粉塵粒徑越大,捕集效果越好,在某一粒徑范圍內去除率可接近100%,對PM10(呼塵)的去除率達98.5%。 當粉塵粒徑大于15 μm 時,去除率增加趨勢逐漸變緩后趨于平穩。 對比3 種除塵結構性能可知,文氏管—纖維柵復合除塵器對粒徑小于10 μm 的呼塵去除效率比單一嵌入可調文丘里除塵器和單一濕式密集纖維柵除塵器的去除效率分別提高2. 1%、3. 3%;對3 μm粉塵去除率分別提高5.4%、6.6%,粒徑越細提高幅度越大,說明微細塵的凈化效果越好。

4 結 論

(1)對嵌入可調文氏管—纖維柵濕式復合除塵裝置的主要影響因素進行了分析和試驗研究,得到其與過濾效率、凈化阻力之間的變化規律,并從“高效低阻、節能減排”的角度,確定了各影響因素的最佳參數范圍,即文氏管最優喉管風速為22. 7～33. 6 m/s,最優擴散管角度為5°～6°,纖維柵最優纖維直徑為0.3 mm,最優纖維板間距為3～5 cm,最優纖維板層數為2～4 層,最優液氣比為0.3～0.6 L/m3。

(2)在最優參數組合下,選取不同粒徑的粉塵對嵌入可調文氏管—纖維柵濕式復合除塵裝置進行分級效率測定,并與單一嵌入可調文丘里除塵和單一濕式密集纖維柵除塵裝置進行了性能對比。 經試驗分析,嵌入可調文氏管—纖維柵濕式復合除塵器對PM10 的去除率達98.5%,比單一嵌入可調文丘里除塵器和單一濕式密集纖維柵除塵器的去除效率分別提高2. 1%、3. 3%,對3 μm 粉塵去除率分別提高5.4%、6.6%,對微細粉塵顆粒的去除效果良好。

(3)嵌入可調文氏管—纖維柵濕式復合除塵裝置對礦井破碎硐室潮濕粉塵去除適用性較好,濕式纖維柵過濾水膜對粉塵清灰效果良好,無糊袋堵塞問題。