（环境工程专业论文）货运列车卸料过程开放性粉尘控制的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 环境问题同益严重，开放性粉尘以其尘粒细、分散度高、受环境影响因素大、捕集不 易等特点严重影响生活、工艺等的正常进行。以货运列车卸料过程产生的开放性粉尘为研 究对象，研究开放性粉尘的控制方法。通过综合考虑卸料工艺流程和物料特性，提出吹吸 式离子风双区电场的控制方法。建立了控制模型，理论分析推导出电场力作用下的粉尘驱 进速度公式，对比计算并验证了电场力对开放性粉尘捕集效果明显。采用c f d 模拟对吹吸 气流的控制效果进行了模拟，研究发现从污染源头进行控制，用空气幕将扩散粉尘阻隔在 物料斗内能有效的降低工作区粉尘浓度。同时发现在相同的设计参数下，对吸风罩增加气 流诱导板对控制效果基本无影响，吹吸式控制中吸风罩气流诱导板不是决定因素。合理利 用粉尘的凝并现象，增加预荷电区和凝并区能提高除尘效率。 关键词：开放性粉尘卸料电场力吹吸气流电凝并 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r c t a st h ee n v i r o n m e n tp r o b l e mb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s t h eo p e n n e s sd u s th a s s e r i o u s l ya f f e c t e dt h en o r m a ll i f ea n dt e c h n i c a lp r o c e s sw i t hi t sc h a r a c t e r i s t i c sl i k et i n ys i z e h i 曲d i s p e r s i o nd e g r e e ，e a s i l yi n f l u e n c e db ye n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，d i 伍c u l tt oc a p t u r e ，e t c t l k et h eo p e n n e s sd u s tp r o d u c e db yt h eu n l o a d i n gp r o c e s so fac a rd u m pa st h er e s e a r c ho b j e c t t os t u d yt h e c o n t r o lm e t h o do ft h eo p e n n e s sd u s t p u t t i n gf o r w a r dt h ec o n t r o lm e t h o do f p u s h p u l li o n i cw i n dg e n e r a t e db yd o u b l ed i s t r i c te l e c t r i cf i e l d g i v e nb o t hc o n s i d e r a t i o n st ot h e t h eu n l o a d i n gp r o c e s sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s ad u s te o n t r o lm o d e li ss e t t e du pa n dt h ef o r m u l a 南rt h em i g r a t i o nv e l o c i t yo fd u s tu n d e rt h ea c t i o no fe l e c t r i cf i e l df o r c ei sd e r i v e db yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s c o m p a r e d c a l c u l a t i o n sv e r i f yt h ee f f e c to fu s i n ge l e c t r i cf i e l df o r c et oc a p t u r et h e o p e n n e s sd u s ti so b v i o u s c o n t r o le f f e c to ft h ep u s h p u l lf l o wi ss i m u l a t e db yc f d t h es t u d y f i n d st h a tc o n t r o lt h eo p e n n e s sd u s tf r o mt h es o u r c eb yu s i n ga i rc u r t a i nt oo b s t r u c tt h ed i f f u s i o n d u s ti nt h em a t e r i a lf u n n e lc a ne f f e c t i v e l yr e d u c ew o r k s p a c ed u s tc o n c e n t r a t i o n ，a l s of i n d s t 1 1 a ti nt h es a m ed e s i g np a r a m e t e r s i n c r e a s i n ga i rs u e t i o nh o o dw i l ln o ti n f l u e n c et h ec o n t r o l e f f e c t ，t h a tm e a n st h ea i rs u c t i o nh o o di sn o tt h ed e c i d i n gf a c t o ri nt h ep u s h - p u l lc o n t r 0 1 u t i l i z i n gt h ed u s tc o a g u l a t i o np h e n o m e n o np r o p e r l yb yi n c r e a s i n gt h ep r e - c h a r g e da r e aa n dt h e c o a g u l a t i o na r e ac a r li m p r o v et l l ee 街c i e n c yo fd u s tc o l l e c t i o n k e yw o r d s ：o p e n n e s sd u s t ；u n l o a d i n g ；e l e c t r i cf i e l df o r c e ；p u s h - p u l lf l o w ；e l e c t r i ca g g l o m e r a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 经济高速发展的同时，环境污染的问题越来越严重，大气污染中颗粒物污染问题比较 突出。其中各种露天开放性尘源，如各种煤场，灰场，卸料场以及建筑施工现场的扬尘污 染已成为城市大气污染的主要治理对象。由于列车卸料过程产生的开放性粉尘尘粒细，分 散度高，加之地理环境、气象条件对污染物的影响，污染物会在大气中传输，因而它对周 边地区环境的污染影响很大，其危害已成为一个较为严重的公共卫生问题： ( 1 ) 卸料产生的开放性粉尘是一种严重的职业有害因素，可以导致包括尘肺、肺癌 在内的多种疾病。据卫生部的统计数字显示，至2 0 0 6 年底，中国的尘肺累计病例数为6 1 6 4 4 2 例，死亡1 4 6 1 9 5 例，2 0 0 1 2 0 0 6 年，每年新发病例数为8 0 0 0 1 0 0 0 0 侧。 ( 2 ) 飘落的粉尘附着在机电设备上，易导致设备损坏，影响其正常工作和寿命。 ( 3 ) 爆炸性粉尘浓度达到一定的值后，遇到点火源易发生粉尘爆炸。 ( 4 ) 某些开放性粉尘能影响视觉能见度，造成雾化现象，影响正常工作。 然而目前国内外对列车卸料过程产生的开放性粉尘要么没有治理，即使有其解决办法 也是湿法喷水、喷凝剂等，虽然这些方法也能够起到一定的效果，但不是费用太高就是有 些物料无法使用。国内普遍采用的喷水降尘是建立在重力沉降机理上的一种简单降尘方法， 一般喷雾降尘过程中，雾化的水滴对粉尘的捕集实际上经历了惯性碰撞和拦截接触或 扩散润湿一凝并增重一重力沉降分离4 个过程，对于不同粒度的粉尘完成这一过程的难易 程度和时间有明显差别，对于粒径小于l o 岬的可吸入颗粒特别是粒径小于2 9 m 的细粒， 使用喷水降尘难以取得显著效果。并且湿法防尘有许多缺点，虽然对皮带运输机没有较大 影响，但对某些工艺设备如振动筛、球磨机等会造成“糊网 、“粘球 等故障。在冬季， 寒冷的天气会使水力系统冻结，导致除尘系统无法工作【2 】。 有效地控制和治理卸料过程产生的开放性粉尘，对于提高我国煤矿、冶金等行业的降 尘水平，改善作业场所的劳动卫生条件以及治理大气环境污染具有十分重要的意义。 为了将卸料过程产生的开放性粉尘控制在作业场所内，应考虑在作业过程中同时进行 除尘，结合卸料工艺和产生的开放性粉尘的特点发现吹吸式离子风双区电场的粉尘控制方 法应用在此比较适宜。该方法涉及到比较重要的理论有吹吸式通风理论、静电除尘理论 和电凝聚理论。 1 2 静电除尘、粉尘凝聚和吹吸式通风概述 1 2 1 静电除尘概述 静电除尘是利用电场中静电力的作用把荷电尘粒物从气流中分离的一种方法，主要 分为四个阶段：电晕放电；粉尘荷电；尘粒捕集：积尘清除。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 电晕放电 气体在高压电场中易发生电离现象，具体如图1 1 所示： 嫣 一 _ 涵耵 脚 l | b c d e 电压 图1 1 气体的电离 ( a ) a b 段，电流与电压遵循欧姆定律，电流随电压升高而升高。 ( b ) b c 段，称为电子充能阶段，电压继续升高，电流保持不变，升高的电压用来给电 子充能，电压升到c 点，电子能量饱和，充能完毕。 ( c ) c d 段，称为碰撞游离段，随着电压的升高，获得足够能量的电子与中性气体分子 碰撞，使气体分子电离，产生新的电子和正负离子，c 点电压称为临界电离电压。 ( d ) d e 段，称为电除尘的电压工作带，电压升高到d 点时，电场中因递推碰撞产生了 大量的离子，在黑暗中可观察到在放电极( 通常是负极) 周围有一连串淡蓝色的光环，称 为电晕。电晕范围随着电压的升高而变大，当电压超过e 点时，电极间的介质发生电击 穿，产生剧烈的火花，电流增大而电压急剧下降，电除尘过程无法正常进行。电除尘是利 用d e 段电晕放电而工作的，d 点电压称为起晕电压，e 点电压称为火花放电电压。 ( 2 ) 粉尘荷电 电场中产生的大量离子受电场力作用向电极做定向运动，运动过程中与粉尘粒子碰撞 并附着在粉尘粒子上，使粉尘粒子与碰撞离子带同属性电荷。 ( 3 ) 荷电尘粒的捕集 荷电后的尘粒受电场力作用，向收尘极运动，最终在收尘极中和放电，变回不带电的 尘粒吸附于收尘板上。图1 2 为板式电除尘器( 放电极为负极，收尘极为正极) 中荷电粉 尘的运动情况。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 ( 2 - 1 6 ) 对式( 2 1 6 ) 做时间积分有： c 2 南酬荔，f e x p 一丽r 2 一等，寿d f 像 对式( 2 1 7 ) 变换有： 出舭班赤e x p ( 方u x e x p ( 参l 吲( 筹) 】 + e x p ( 一势1 + 形( 筹) 】 ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 即为层流态中连续点源的三维扩散解析式。 当t = + o o 时，扩散已达稳定状态，此时粉尘扩散解析式为： 如y ，z ) = 志e x p - u ( r z 。- x ) ( 2 - 1 9 ) 湍流状态下的空气流动才是最趋近于现实情况的卸料过程空气流动，但湍流情况复杂 多变，这里仅对单一方向的均匀流动的湍流扩散进行分析。 首先建立坐标系，假设平均风向与x 轴方向一致，z 轴垂直向上。则粉尘扩散基本方 程式( 2 3 ) 可写成： 詈+ “箜o x = 蜓等+ 巧萨0 2 c + t 窘 ( 2 珈) 式中k x 、k y 、k z 分别为x 、y 、z 方向的湍流扩散系数，均为常数。 以式( 2 1 5 ) 为基础，可得湍流瞬时点源扩散分析式： 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 如烘硝) = 赤e 卅警一谚y 2 一面z 2 】 ( 2 - 2 1 ) ( 2 万) 7 2 o i 盯，仃： _ z 仃， z 盯，z 仃： 在粉尘扩散达到稳态的时候，空间任意点的浓度c 为定值，即有竽：o 。粉尘在下 d f 风向y ，z 上浓度服从正态分布，在湍流气流中，气流输送作用大于扩散作用，式( 2 2 1 ) 可变为： “瓦a c = 巧萨8 2 c + 憋万0 2 c ( 2 - 2 2 ) “瓦2 k y 萨+ k z 万 2 2 2 ) 式( 2 2 2 ) 为湍流状态下粉尘扩散的基本微分方程，这里有边界条件： f x = y = z = o ，c = o o l x ，y ，z = 0 0 ，c = o 根据质量守恒定律有：q = m 舭 由以上各式可得湍流状态连续点源的粉尘扩散分析式： 如朋垆丽oe x p - ( 丢去) 】 ( 2 - 2 3 ) 式中：oy 为y 方向浓度分布的标准差，仃；= 2 k ，兰； 。 。1 1 o ：为z 方向浓度分布的标准差，= 2 k 兰 2 4 料仓边界对粉尘扩散的影响 尘源点与料仓有一定的高度差，当物料倾卸到料仓时，料斗会对粉尘产生全反射、不 反射和部分反射等作用。这罩用到的应h 坪方法为镑像法如图所示： 图2 6 镜像法 此时粉尘浓度分布受实际尘源和镜像尘源的共同作用： 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 1 ) 全反射： 全反射情况下，空间粉尘浓度为实际尘源和镜像尘源作用之和，此时粉尘扩散解析式 为： c c 耻南唧c 一争卅簪卅警，协2 4 ， 式中h 为实际尘源距离地面的距离。 2 ) 不反射： 不反射情况下，空间粉尘浓度受实际尘源的影响： c ( 啪耻蒜时2 - 毒y 2 ) e x p ( 一警) 】 ( 2 2 5 ) 3 ) 部分反射： 部分反射情况下，需要在镜像尘源作用前加反射系数d ( x ) ，( o d ( x ) 1 ) ，即： c ( x , y , z , h ) - 南醑虿y 2 ) 【e x p ( _ 警川( x ) e x p ( 一等) 】( 2 - 2 6 ) 2 5 本章小结 1 ) 介绍了目前常用的各类卸料设备及其相应的卸料原理。 2 ) 分析了卸料过程中的起尘原理。 3 ) 对粉尘源进行了数学分析，由简单到深入，分别得出静态流体介质下瞬时点源和 连续点源的空间粉尘浓度扩散解析式和动态流体介质下瞬时点源和连续点源的空间粉尘 浓度扩散解析式。 4 ) 采用镜像法，分三种情况讨论了物料斗反射作用对空间粉尘浓度的影响。 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章电场力作用下的理论分析 双区电场吹吸式离子风除尘，是本文研究的主要卸料除尘方法，结合翻车机房结构， 建立模型： 一接地 图3 1 双区电场吹吸式离子风除尘模型 如图3 1 所示，在吹风口布置高压负极作为放电极，粉尘在此处荷电并假设荷电完全， 荷电的粉尘在电场力的作用下会向着阳极料斗板运动，并最终附着在阳极料斗板上，然后 经过一定的除尘方式，清除阳极板上的粉尘。由于本文研究的重点是空间抑尘，而非如何 清除附着在料斗上的粉尘，因此下面的研究只讨论粉尘荷电后的空中运动情况。 3 1 粉尘荷电 要使粉尘荷电，经过前面的介绍可知，作用电压至少要加至起晕电压。对于起晕电压、 起晕电场强度，p e e k 做了大量的研究，得出了如下的经验公式： 起晕电场强度：乏= 3 ( 万+ o 0 3 形) 1 0 6 ( 3 - 1 ) 起晕电压： u c = e ：l n ( r 厂) ( 3 - 2 ) 式中：f 为极线的光滑修正系数，光滑圆极线f = - i ；当实际计算时，不知道详细参数下f 可取0 6 0 7 ； 6 为相对空气密度，可由下式算出万= r o p r p o ； 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 r 为电极线的半径，m ； r 为距离参数，在线管式电除尘器中，r 为收尘极管的半径；在线板式电除尘器中， r 受极板间距和极线间距比值的影响。 由起晕电压的经验公式分析可知，起晕电压受电极的几何尺寸影响，大小与电极线的 粗细成正比，电极线越粗，起晕电压越大，电极线越细，所需的起晕电压越小。目前应用 较多的是芒刺型、针型电极。 就目前的研究而言，普遍认为粉尘的荷电可以分成两部分：电场荷电与离子扩散荷电。 对于不同粒径的粉尘，其荷电机理是不同的，荷电方式可参照下表： 表3 1 粒径荷电关系表 粉尘粒径d ，( i m )荷电方式 o d ， 0 1 5扩散荷电为主 0 1 5 d p 1电场荷电为主 电场荷电 离子在电场力的作用下沿着电场线运动，与空间粉尘粒子碰撞后附着在粉尘粒子上面， 使粉尘粒子带电的过程叫做电场荷电。电场荷电的荷电量可用下式表示： q ：塾堕丝上 ) c2 育卉( 3 - 3 ) f ：! 生( 3 4 ) n e k , 式中：为粉尘粒子的相对介电常数； o 为粉尘粒子的真空介电常数，e 0 = 8 8 5x1 0 也c v m ； e o 为粉尘粒子荷电时的电场强度，v m 如为粉尘粒子的直径，m ； t c 为粉尘粒子的荷电时间，s ； t 为粉尘粒子荷电的时间常数，s ； n 为空间离子数，个m 3 ； e 为单个电子所带的电量，e = 1 6 1 0 棚c ； k 为离子的空间迁移速率，m 2 s 。1 x r l 。 当t e 趋向于时，即电场荷电充分完全，粉尘粒子在电场作用下能荷电量的最大值q n 砒 为： g ：3 e e o x e 0 a ；( 3 - 5 ) g 一2 万 歹 由式( 3 5 ) 可看出，粉尘粒子在电场荷电作用下饱和电量的大小仅与电场强度、粉 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 尘粒子的介电常数及粒径有关，饱和电量的大小与电场强度、粉尘粒子的表面积成正比； 空间离子数与离子迁移速率的作用是影响粒子荷电的时问，两者数值越大，粒子荷电所需 的时间越短，荷电越快。 扩散荷电 扩散荷电是因为空间离子在温度的作用下无规则的运动，与粉尘粒子碰撞依附在粒子 上面使其荷电的。其荷电量可由下式计算： q a ：& r e 。k b t d pl n ( 14 u d p p e e t1 ( 3 - 6 p l e - - ) e 。瓦万 ) 萏、庀。l 式中：k b 为玻耳兹曼常数，k b = 1 3 8x1 0 彩j k 。 t 为绝对温度，k ；其它符合物理量同前。 由扩散荷电的机理和公式( 3 6 ) 可看出，扩散荷电量无上限值，其值大小主要受离 子热运动的动能、粒径大小、荷电时间等因素的影响。对于式( 3 6 ) ，h e i n r i c h 建议用下 式经行简化计算： q d = d p e x l 0 8 ( 3 - 7 ) 即由扩散荷电的荷电量大小主要受粉尘粒径影响，并与粒径大小成正比。 电场荷电与扩散荷电同时作用 对于两者的共同作用，c o c h e t 做了相应的分析和实验，得出以下计算式： g = 砥嘲【( 蓦) ( 去) + ( 1 + 2 形吒) 2 】 ( 3 - 8 ) 式中：九为平均自由程，其它符合物理量同前。 3 2 荷电粉尘的运动分析 研究单个粒子的运动情况，建立如下图的坐标系： y ，、 粉尘粒子 ， ， 一 n = ， 一、 p l ，粒子加速时间相对于粒 子运动最终的沉降时间也小得多，因此可其运动速度即可认为就是最终沉降速度，解式 ( 3 1 3 ) 可得粒子在y 轴方向的运动速度，即最终沉降速度v v ： 第2 2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 ，产丝c ( 3 - 1 4 ) 哆2 嵩c 式中：为空气的动力粘滞系数； c 为肯宁汉修正系数。 在一个大气压下，空气的动力粘滞系剡3 8 1 可参照表3 2 ： 表3 2 一个大气压下的空气的粘滞系数 t ( )肛( 1 0 一p 。s ) 0 0 0 1 7 2 1 0 0 0 1 7 8 2 0o 0 1 8 3 3 00 0 1 8 7 4 00 0 1 9 2 在一个大气压下，肯宁汉修正系数可参照表3 3 ： 表3 3 一个大气压下的肯宁汉修正系数 粒径d p ( 岬) c 粒径d p ( 岫) c o 0 11 8 2 0o 81 2 1 l o 12 7 4 00 9 1 1 9 5 0 21 6 2 01 0 1 1 7 4 o 31 5 5 62 0 1 0 9 5 0 41 4 8 7 3 o1 0 6 8 0 51 3 2 24 o1 0 4 6 o 6 1 2 8 65 01 0 3 l o 7 1 2 2 51 0 o1 0 1 5 工业颗粒物常见颗粒物的真密度和堆积密度 4 1 可参见表3 4 ，其中颗粒的真密度用于 研究粒子的运动行为等方面，堆积密度用于存仓或灰斗的容积确定等方面。 表3 4 常见工业颗粒物的真密度和堆积密度 真密度堆积密度 真密度堆积密度 名称名称 ( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 ) ( k g m 3 ) 滑石粉 2 7 5 0 5 9 0 7 l o水泥( 0 7 9 11 1 m )3 1 2 01 5 0 0 烟尘2 1 5 01 2 0 0 石墨2 0 0 0约3 0 0 炭黑1 8 5 04 0铸造砂2 7 0 01 0 0 0 锅炉炭末2 1 0 06 0 0石灰粉尘 2 7 0 0 1 1 0 0 烟灰2 2 0 07 0 硅砂粉( o 5 7 2um )2 6 3 02 6 0 由表3 4 可看出，工业常见颗粒物的真密度在2 5 0 0 k g m 3 上下波动，因此做计算时取 p = 2 5 0 0k g m 3 。 武汉科技大学硕士学位论文 第2 3 页 根据式( 3 1 4 ) 计算常温2 0 c - f ，密度1 = 2 5 0 0k g m 3 的粉尘颗粒物在不同粒径d p 下 ( o 0 l 岬一1 0 0 岬) y 轴方向的最终沉降速度v y ，并将计算结果列于表3 5 表3 5 不同粒径粉尘颗粒的沉降速度 粒径d p ( o r e ) v v ( m s ) 粒径d p ( 1 t m ) v y ( m s ) 粒径d p ( p a n )v y ( m s ) o o l1 3 5 4 1 0 。7 o 9 7 2 0 2 1 0 5 4 0 0o 1 2 o 12 0 3 9 1 0 r 61 08 7 3 5 1 0 - 5 5 0 oo 1 8 0 24 8 2 1 l 矿 2 0 3 2 5 9 1 0 _ 4 6 0 oo 2 7 0 31 0 4 2 x1 0 - s3 o7 1 5 1 1 0 4 7 0 oo 3 6 0 41 7 7 0 x1 0 5 4 o 1 2 4 5 1 0 - 3 8 0 o0 4 7 0 52 4 5 9 x1 0 55 o1 9 1 8 1 0 - 39 0 o o 6 0 63 4 4 4 1 0 51 0 07 5 5 2 x1 0 - s 1 0 0 o0 7 4 0 74 4 6 6 1 0 52 0 02 9 7 6 1 0 - 23 0 0 0 6 6 9 6 o 85 7 6 6 1 0 - 53 0 06 6 9 6 1 0 - 25 0 0 01 8 6 由表3 5 的计算结果可以看出，粒径在1 0 0 “m 以下的粉尘颗粒，特别是粒径在1 0 岬 以下的粉尘颗粒，y 轴方向的沉降速度非常小，也即表明粉尘粒径在1 0 0 p m 以下的粉尘 颗粒会长时间飘浮在空气中，在模型3 米高的垂直降落距离下，不同粒径在空中的运动时 间可计算出来并将结果列于表3 6 表3 6 不同粒径粉尘颗粒的沉降时间 粒径d p ( 岬) t ( s ) 粒径d p ( 1 m a ) t ( s ) 粒径d p ( o r e ) t ( 8 ) 0 0 12 2 1 6 1 0 70 94 1 6 6 1 0 44 0 02 5 2 o 11 4 7 1 1 0 6 1 03 4 3 4 1 0 45 0 01 6 1 o 26 2 2 3 x1 0 5 2 o9 2 0 5 x1 0 36 0 o1 1 2 o 32 8 7 9 1 0 5 3 o4 1 9 5 1 0 37 0 08 2 2 8 0 4 1 6 9 5 1 0 5 4 o2 4 1 0 ) l o o g m 时，其扩散距离一般在2 0 米范围内，特别是粉尘粒径 d p 5 0 0 9 m 后，扩散距离基本在1 米距离内；粉尘粒径d p 在l o p , m l o o m m 范围内时，粉 尘的扩散距离由几十米到两千米不等；当粉尘粒径d p 5 0 9 m ，重力作用还是占主导地位的，重力沉降室就是根据重力作用收 集颗粒粒径大于5 0 p m 的粉尘的；对于5 0 m m 以下的粉尘，特别是粒径d p 3 p r o ， 第2 8 页武汉科技大学硕士学位论文 则无论放电极是正极还是负极，2 0 k v 就已经足够。下表给出了静电除尘器的常规运行参 数【4 】 表3 9 静电除尘器一般运行数据 运行参数符号单位一般范围 每台点源负担收尘板面积am 2 台4 5 0 7 0 0 0 二次电压ul c v 5 0 7 2 ( 非宽极距) 电晕电流线密度 i = a mm a mo 0 7 旬3 电晕电流面密度 j = i a m a m 20 0 5 d 5 平均电场强度 e = u bk v e m3 5 单位体积烟气能耗 p qk w h ( 10 0 0 m 3 h ) 0 0 5 l 单位体积烟气电晕功率 p c qw ( 10 0 0 m 3 h ) 3 0 - - 3 0 0 单位面积收尘板电晕功率 p l a w m 23 2 3 2 为了计算方便，取e o = 5 k v e m ，e l = 3 k v c m ，e = 5 根据式( 3 - 2 1 ) 可算出不同粒径( d p l l x m ) 粉尘的驱进速度，现将计算结果列于表3 1 0 ： 表3 1 0 粉尘驱进速度 粒径d p ( 岬) v r ( m s ) 粒径d p ( g i n ) v y ( m s ) 10 0 6 1 ， 5 02 6 2o 1 26 03 1 2 3o 1 77 03 6 4 4 0 2 28 04 1 6 50 2 7 9 04 6 8 1 0o 5 3 1 0 05 2 2 01 0 4 3 0 01 5 6 3 0 1 5 65 0 02 6 4 0 2 0 8 在电场牵引力的作用下，粉尘颗粒在y 轴方向的速度明显增大，导致粉尘空间运动 时间相对缩短，但是对于大粒径的粉尘颗粒( d p 1 0 0 i j t m ) ，电场力起的作用与重力作用 相当，基本上这类粉尘很难随风运动对环境造成影响，重点研究对象是粒径在1 0 0 j t m 以 下的粉尘颗粒，在模型所示的3 m 的垂直高度下，粉尘粒径在1 i _ t m 一1 0 0 9 m 的粉尘扩散时 间t 见表3 1 l ： 表3 1 1 电场力作用下粉尘飘移时间 粒径d p ( 1 a m ) t ( s ) 粒径d p ( 岬) t ( s ) l4 94 01 4 22 55 0 1 1 31 7 6 00 9 武汉科技大学硕士学位论文第2 9 页 41 37 00 8 51 18 00 7 1 059 00 6 4 2 02 81 0 00 5 7 3 0 1 9 套用式( 3 1 5 ) ，各参数设置与之前一样，计算在不同来流风速下粉尘颗粒的水平扩 散距离，将计算结果列于表3 1 2 有( 表中各数值的单位如下：d p ，岬：v x ，m ml 】【，m 。) ： 表3 1 2 电场力作用下粉尘飘移距离 讳 珞l 【v xk吩ky xl ) 【略k 17 3 59 81 4 71 9 62 4 5 23 7 55 07 51 0 01 2 5 32 5 53 45 16 88 5 41 9 52 63 95 26 5 51 6 52 23 34 45 5 l o7 51 01 52 02 5 2 04 25 68 41 1 21 4 3 01 52 823 835 747 659 5 4 02 12 84 25 67 5 01 6 52 23 34 45 5 6 01 3 51 82 73 64 5 7 0 1 2 1 62 43 24 8 01 0 51 42 12 83 5 9 0o 9 61 2 81 9 22 5 63 2 1 0 00 8 51 1 41 7 l2 2 82 8 5 两者数据对比分析： 将两种情况下计算得到的数据进行对比，可得到时间一粒径坐标图： 图3 6 时间粒径坐标图 第3 0 页武汉科技大学硕士学位论文 根据图中曲线的运动趋势，可分别计算出时间粒径的函数公式： = 4 9 5 8 x - o 9 7 ；厶= 3 6 3 7 8 x 一1 9 7 式中：x 为粉尘粒径d p ，p r o ； t l ；t 2 分别为有电场力作用和纯重力作用下粉尘的飘移时问，s 。 由图3 6 可以看出，用荷电方式能显著缩短开放性粉尘的飘移时间，电场力的作用非 常明显，较纯重力作用而言，粉尘粒子空间飘移时间更短，粉尘粒子在l o 秒左右的时间 内就会被积尘料斗捕集。飘移时间短，捕集迅速，从而缩小污染范围，降低了污染能力。 粉尘的扩散距离受来流风速的影响很大，下图为某地全年风速图【3 9 1 ，对该地区而言， 全年平均风速在2 m s 范围内波动。 5 4 麦； i 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 目 。 1 0 0 0 h j 键 1 0 0 嚣 1 0 * 1 o 1 粉尘粒径d p ( | i m ) 01 02 0 3 04 05 06 07 08 09 01 0 0 + 电场力作用下l x l - i - - 重力作用下l x 2 图3 8 风力作用下粉尘扩散距离粒径对比坐标图 根据图中曲线的运动趋势，同样可分别计算出时间距离的函数公式： 禹= 9 9 1 6 x - o 。9 7 ；厶，= 7 3 0 6 9 x 。1 9 7 式中：x 为粉尘粒径d p ，岬； l x l 、l x 2 分别为有电场力作用和纯重力作用下粉尘在2 m s 的水平风速下的飘 移距离，m 。 电场力的作用明显限制了细小粉尘粒子的飘移，缩短了其扩散距离，对环境保护，人 的身心健康都有非常大的作用。 武汉科技大学硕士学位论文第3 1 页 3 3 作用效果分析 由之前的分析可知，粉尘的控制、收集是受很多因素影响的。为了研究除尘效率的影 响因素，得到除尘效率公式，可做出以下几点假设【删： 除尘器里面的粉尘粒子已经荷电完全，所带电量都已饱和； 气流方向任一断面的情况均匀一致，即某断面的任意点气流分布均匀，粉尘浓度 一致； 忽略离子风对粉尘的影响，且粉尘被捕集后立即移除，无二次扬尘现象发生。 q 图3 9 除尘效率方程式推导示意图 如图所示，有一流量为q 的含尘气流经过电除尘器，粉尘浓度为c ，粉尘与气流无相 对滑动，气流速度为v ，单位收尘面积为a ，电场长度为l ，总收尘面积为a ，流动方向断 面积为f ，粉尘驱进速度为。 综合以上参数，求出在d t 时间内d x 空间内捕集的粉尘质量，即： d m = a o c d x d t = - f d x d c 又d x ：v d t ，带入上式有： a o a c 一a x = f vc 对上式积分并代人边界条件：入口粉尘浓度为c 1 ，出口粉尘浓度为c 2 ，则有： 一生 刀= l 一生= l e q ( 3 2 0 ) 。 c l 式中：6 0 为驱进速度( 州s ) ； a 为收尘极面积( m 2 ) ； q 为处理风量( m 3 s ) 。 式( 3 2 0 ) 也称为多依奇除尘公式，简单地描述了各因素对除尘效率的影响，由该公 式可以看出，对于在收尘极面积和处理风量一定的情况下，要想提高除尘效率，可以通过 提高荷电粉尘的驱进速度来完成。 第3 2 页武汉科技大学硕士学位论文 电场力的作用效果可通过扩散距离的缩短来体现，下表为1 1 0 0 1 t m 不同粒径粉尘在 常规风力作用下扩散距离对比表： 表3 1 3 扩散距离对比表 粒径 有电场力控制扩散距离( m )无控制扩散距离( m )受保护区域( m ) l 9 87 0 0 0 06 9 9 0 2 25 0 1 8 6 0 01 8 5 5 0 33 48 4 0 08 3 6 6 4 2 64 8 0 04 7 7 4 52 23 0 0 02 9 7 8 1 01 08 0 0 7 9 0 2 05 62 0 0 1 9 4 4 3 03 89 08 6 2 4 02 8 5 04 7 2 5 02 2 3 22 9 8 6 0 1 82 22 0 2 7 01 61 61 4 4 8 01 41 2 61 1 2 9 01 2 81 08 7 2 1 0 01 1 486 8 6 参照上表，可绘出l 1 0 0 l , tm 不同粒径粉尘电场力作用下的控制效率图： 图3 1 0 控制效率 由上图可知，如果能使所有粉尘都荷电完全，且收尘场范围足够大，则理论上8 0 以上的粉尘都得到了控制。 本模型中物料斗距离为4 m ，由以上分析可知，无电场力作用下，d p 3 0 1 t m 的粉尘颗粒都能被控制在料斗范围内。 对于本模型特定的控制范围，要想将大部分粉尘颗粒( 粒径d p l g m ) 控制在物料斗 距离范围内( 4 m ) ，可通过公式反推求得需要的理论下的收尘极电场强度e l 以l l , t m 粉尘为研究对象，有： 武汉科技大学硕士学位论文第3 3 页 2 t = l x = 4 ； 3 y 爿； ， - 旦塑c 3 七2 t 代入各数值解上述方程得：收尘场强e l = 7 4k v c m ，即在本模型中想通过电场力作用将 1 1 t m 以上粉尘全部控制在物料斗范围内，收尘场强必须达到7 4k v e m 。 3 4 本章小结 1 ) 结合翻车机房现场结构特点，建立了卸料过程开放性粉尘控制模型。 2 ) 以粉尘荷电为突破点，研究饱和荷电粉尘在电场力作用下的运动情况，推导出该 模型电场力作用下粉尘的驱进速度公式。研究发现驱进速度大小与荷电场强、收尘场强、 粉尘粒径等因素成线性关系。 3 ) 对比分析了有无水平气流影响的重力作用和电场力作用下非荷电粉尘和荷电粉尘 的飘移时间和飘移距离。研究发现粉尘粒径小于5 0l ar n 时，重力作用可忽略不计，可认 为该粒径的粉尘为重力不可控粉尘；电场力捕集开放性荷电粉尘效果明显，粉尘飘移时间 明显缩短，1 0 秒左右粉尘被积尘料斗捕集，电场力的作用使本模型可控粉尘粒径由1 0 0 p r o 提升至3 0 p r o 4 ) 给出除尘效率公式，分析发现提高荷电粉尘的驱进速度能提高除尘效率。通过比 较各粒径粉尘扩散距离的改变分析了电场力的作用效果，并计算得出要使1 1 t m 粉尘全 部控制在模型物料斗内的理论收尘场强大小。 第3 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第四章吹吸控制的模拟研究 在第三章中，通过计算，分析出模型中电场力的作用，但是对吹吸气流的作用没有表 述，本章结合模型，用c f d 模拟软件，来分析吹吸气流的作用。由于翻车机室沿铁路的 纵向长度为1 5 m 左右，远大于横向和高度方向的长度，故可将其适当简化为二维模型。 4 1 模型建立 模拟为二维模型，为体现吹吸气流对反冲尘流的作用，建立两组模型，模型a 和模型 b ，模型a 是无控制的基本扩散模型，模型b 是在a 模型的基础上增加了吹吸风口。如 图所示： 图4 2 图形域为2 0 1 0 m 四周丌敞的大空间， 模型b 空间正中间为物料斗，物料斗位于地下物料 武汉科技大学硕士学位论文第3 5 页 槽坑中，整个槽坑6 米宽，2 8 米高，物料斗底部宽2 米，左右斗臂长2 米，与坑底成6 0 度角。模型b 中吹吸风口位于料斗壁端的正上方，左边为吸风口，右边为吹风口。吹吸 气流的作用是把反冲颗粒物阻隔在物料斗内，防止其溢出到2 8 m 的地面高度污染工作区， 为了能体现吹吸风管的作用，对槽坑做了部分修改。 为使稀气固两相流模拟顺利进行，需做以下几点假设： 流体为不可压缩流体； 粉尘颗粒随气流运动，与气流无相对滑动； 粉尘颗粒粒径统一大小，且都为球型标准颗粒； 卸料机和物料斗内的粘性摩擦热量可以忽略，空气、边界面、粉尘颗粒的温度均为 恒温2 0 ，模拟可不考虑能量方程，温度变化不为模拟研究内容。 4 2 边界条件参数设置 边界条件的设置影响着整个模拟的结果，边界参数很关键，这里重要的参数有：固相 颗粒的粒径、体积分数、反冲气流的上升速度，也即是污染气流的速度；污染气流的污染 物发生量；吹、吸风口的风速等。 粒径和体积分数的确定 由于p h o e n i c s 模拟过程中只能对单一固相粒径进行计算，而实际反冲气流中，各 种粒径的粉尘颗粒都会有，因此选择一个有代表性的颗粒粒径进行计算是必要的。激光粒 度分析仪能很好的反映反冲气流中各粒径的分布情况。通过激光粒度分析仪对反冲气流检 测分析能得到各粒径所占比例，如表4 1 所示【4 l 】： 表4 1 粒径分布情况 粒径d p ( 岬) 质量分数比例 粒径d p ( i t m ) 质量分数比例 o 1 o 0 5 1 啦! 5o 1 9 1 3o 1 11 5 2 0o 1 5 3 6o 1 32 0 2 50 1 2 d 1 00 2 0 2 5 以上 0 0 5 由表4 1 可计算出反冲气流的平均粒径舻1 2 1 a m 。模拟中固相颗粒粒径均取1 2 1 t m ， 密度取第三章所示的2 5 0 0 k g m 3 。 普遍认为反冲气流属于稀气固两相流，固体颗粒相占整个气流的体积分数在1 0 左右， 这里取固体颗粒相体积分数为10 ，空气体积分数为9 0 。 反冲气流的上升速度 反冲气流的上升速度，代表着粉尘颗粒反冲的运动能力，是一个需要实测的量。东华 大学的郭配山等对港口的抓料式卸料机的反冲气流进行过实测和模拟计算，并且其模拟的 计算结果和实测情况基本一致，其研究成果有很好的参考价值 4 2 】 4 3 】。这里可以参照他 们的实测值，反冲气流的上升速度v o = o 8 m s 。 污染气流的污染发生量 第3 6 页武汉科技大学硕士学位论文 粉尘反冲浓度值，具体数值受很多条件的影响，因此为了取得更具代表性的研究成果， 以相对浓度来表示空间各点的浓度情况，此时，将反冲出口处的浓度值设为1 ，之后空间 某点显示的浓度值均为该点的浓度实际值与反冲出口浓度的比值。 吹、吸风口的高度及风速取值 对于吹吸式通风的计算，目前比较流行的是苏联学者巴杜林提出的控制流速法和日本 学者林太郎提出的流量比法【5 】。 控制流速法：控制吹风气流的速度，保证其射流末端，也即是吸风口前的气流平均 速度在0 7 5 m s , v l m s 以上，则认为污染气流被控制完全。 流量比法：综合考虑吹风气流、污染气流、吸风气流三者的流量关系，以一定的比 例控制吹、吸风流量，达到控制污染气流的目的。 流量比法实际上是控制流速法的改进。控制流速法忽略吸风口的作用，单考虑吹风 气流的作用，吸风口只作为安全因素，出口风速一般在l o m s 以上，流速大，气流抗扰 能力差，易受到侧流、侧压等因素的影响而导致污染气流控制能力下降。流量比法综合 考虑三者关系，合理分配流量，以射流动量代替射流流速，出口风速较流量比法低，整 体耗能少，污染气流控制效果好。 本模型采用流量比法来计算吹吸通风的各参数值。 。嘭 图4 3 吹、吸风口计算模型 如图所示，下方为反冲尘流源，v 0 为反冲尘源的上升速度，q o 为上升尘源的流量。 右方为吹风口，l l 为吹风e l 高度，h i 为吹风法兰高度，吹风气流速度为v l ，流量为q l ； 左方为吸风口，k 为吸风口高度，h 2 为吸风法兰高度，吸风气流速度为v 2 ，流量为q 2 ， w 为料斗口宽度，也即是两风1 2 1 的水平距离。q 3 为吸风1 2 1 从周围空气吸入的量。速度单 位均为m s ，流量单位均为m