（环境工程专业论文）湿式旋流除尘器的研究及应用.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 尘害在大多数工业领域都不同程度地存在。在非煤行业粉尘对环境、人体和 生产都造成重大危害，带来巨大的经济损失。在煤炭行业，粉尘的扩散不仅导致 大量人员患上尘肺病，而且煤尘爆炸事故的发生造成大量工人的伤亡，给煤炭企 业带来巨大的经济负担和不良影响。 湿式除尘器与其它除尘器比较具有结构简单，造价低，适应于湿度较大且含 有粘性粉尘气体净化的特点，因而应用较广。在煤炭行业，卣于煤矿井下作业环 境的特殊性，静电除尘器和袋式除尘器的应用受到极大限制，因而普遍采用湿式 除尘器除尘。但是，由于技术上的原因，目前使用的普通湿式除尘器除尘效率特 别是呼吸性粉尘除尘效率较低，使粉尘治理效果并不理想。因此，开展湿式除尘 器的研究，在保障其总粉尘除尘效率的同时，提高其呼吸性粉尘除尘效率具有重 要意义。 本文详细论述了粉尘的性质和危害、粉尘的运动特性和国内外湿式除尘器的 现状及技术水平，在湿式除尘机理、旋转流场理论和前人对湿式旋流除尘器各主 要部件的相似模拟试验结果的基础上，成功地研制出各项性能指标均达到要求的 湿式旋流除尘器，并在四川i 省长运水泥厂进行了现场应用，取得了良好的效果。 该湿式旋流除尘器集旋转雾化除尘和旋流脱水除尘于一体，主要由转盘式雾 化器、风流导向装置、脱水器、风机和循环水处理系统组成。 影响湿式旋流除尘器除尘效率的因素较多，本文主要对其中的液气比、风速 对除尘效率和脱水效率的影响进行了系统的试验研究，试验结果表明：除尘效率 与液气比成线性增大关系，湿式旋流除尘器在液气比为1 3 3 l m 3 ，入口风速大于或 等于1 0 6 m s + 于1 4 7 m s ，或者入口风速小于5 3 m s ，雾化器转速在2 9 0 0 r p m 2 生右 的条件下，其总粉尘除尘效率可达至i j 9 9 8 以上，呼吸性粉尘除尘效率高达9 8 以 上。实际工程中湿式旋流除尘器可选择的风速范围为：1 0 6 m s v 1 4 7 m s 。 试验结果还表明：湿式旋流除尘器的脱水效率和除尘效率成正比关系，而脱 水效率与风速和脱水器长度存在一个最佳匹配关系，当风速为1 4 ? m s ，脱水器 长度为8 3 d ( 除尘器直径) 时，除尘器的除尘效率达到最高。 经国家授权的质检中心检验，湿式旋流除尘器的各项性能指标均符合煤矿井 下的防尘要求。经现场应用证明，该产品质量稳定，性能可靠，经该除尘器处理 后的含尘废气能够实现稳定达标排放。 本文的创新之处在于通过试验研究，探索出湿式旋流除尘器风速在1 8 m s 以下 的前提下，液气比为1 3 3 l m 3 时除尘效率最高，达至r 9 9 8 8 ，呼吸性粉尘除尘效率 重庆大学硕士学位论文中文摘要 达到9 8 ，湿式旋流除尘器的脱水效率和除尘效率成正比关系，而脱水效率与风 速和脱水器长度存在一个最佳匹配关系，当风速为1 4 7 m s ，脱水器长度为8 3 d ( 除 尘器直径) 时，除尘器的除尘效率达到最高。这些研究结果为湿式旋流除尘器的设 计提供了重要依据。 关键词：湿式旋流除尘器，除尘效率，旋转流场，脱水效率，脱水器，液气比 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t d u s th a z a r de x i s t si nm o s ti n d u s t r i a lf i e l d si n v a r y i n gd e g r e e s i nn o n - c o a l i n d u s t r i e s ，d u s th a ss e r i o u s l ye n d a n g e r e de n v i r o n m e n t ，w o r k e r s h e a l t ha n dp r o d u c t i o n a n dl e dt ot r e m e n d o u se c o n o m i cl o s s i nc o a li n d u s t r y , n o to n l yt h ed i s p e r s i o no fd u s t c a l lc a u s e san u m b e ro fw o r k e r st os u f f e rf r o mp n e u m o c o n i s i sb u ta l s oc o a l d u s t e x p l o s i o ne & nl e a dn u m e r o u sw o r k e r st oi n j u r ya n dd e a t h ，w i t c hw i l lb r i n gt r e m e n d o u s e c o n o m i cl o a da n da d v e r s ee f f e c t so nc o a le n t e r p r i s e s 、 a sc o m p a r e dt oo t h e rd u s tc o l l e c t o r s ，w e td u s tc o l l e c t o ri ss i m p l ei ns t r u c t u r e ，l o w i nc o s ta n ds u i t st h ep u r i f i c a t i o no fa i ri n 址g h e rh u m i d i t ya n dc o n t a i n i n ga d h e s i v ed u s t , s oi th a sb e e nf o u n dw i d e ra p p l i c a t i o n i nc o a li n d u s t r y , t h ea p p l i c a t i o no fb o t ht h e e l e c t r o s t a t i ca n db a g - t y p ed u s tc o l l e c t o r si se x t r e m e l yl i m i t e dd u et o s p e c i a l u n d e r g r o u n de n v i r o n m e n to f c o a lm i n e s ，s ow e td u s tc o l l e c t o r sa r eg e n e r a l l yu s e di nt h e m i n e s h o w e v e r , t h eo r d i n a r yw e td u s tc o l l e c t o r sb e i n gu s e da tp r e s e n th a v el o w e r r e m o v a le f f i c i e n c yf o rd u s t , e s p e c i a l l yf o rr e s p i r a b l ed u s td u et ot e c h n o l o g y , d u s tc a n t b ee f f e c f i v e l yu n d e rc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et oc o n d u c tt h er e s e a r c h o nw e td u s tc o l l e c t o ra n dr a i s ei t sr e m o v a le f f i c i e n c yf o rr e s p i r a b l ed u s tw h i l ee n s u r i n g i t sr e m o v a le f f i c i e n c yf o rt o t a ld u s t t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p f i o o ft h ep r o p e r t i e sa n dh a r m f u l n e s so fd u s t , t h ek i n e m a t i cf e a t u r e so fd u s ta n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt e c h n i c a ll e v e lo fw e td u s t c o l l e c t o r sb o t ha th o m ea n da b r o a d ，an e wt y p eo fw e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o rh a sb e e n s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h em e c h a n i s mo fw e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t i o n ， t h et h e o r yo fr o t a r ya i r f l o wf i e l da n dt h es i m i l a rm o d e lt e s tr e s u l t so ft h em a i n c o m p o n e n t so f w e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o r sb yt h ep r e d e c e s s o r s ，a l lp e r f o r m a n c ei n d e x e s o ft h i sn e wd u s tc o l l e c t o rc o n f o r m 、i t l lr e q u i r e m e n t s i th a sb e e na p p l i e di ns i c h u a n c h a n g y u nc e m e n tp l a n ta n db e t t e rr e s u l t sh a v e b e e no b t a i n e d t h i sw e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o ri n t e g r a t e sd u s tr e m o v a lb yr o t a r ya t o m i z i n ga n d d u s tr e m o v a lb yc y c l o n ed e w a t e r i n gi n t oaw h o l ea n dm a i n l yc o n s i s t so fd i s c - t y p e a t o m i z e r , g u i d ed e v i c e o fa i rf l o w , d e w a t e r i n gd e v i c e ，f a na n dc i r c u l a t i n gw a t e r t r e a t m e n ts y s t e m m o r ef a c t o r sw i l lh a v ei n f l u e n c eu p o nr e m o v a le f f i c i e n c yo fw e tc y c l o n ed u s t c o l l e c t o r i nt h i sp a p e r , s y s t e m a t i ct e s tr e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ei n f l u e n c eo fl i q u i d - a i r r a t i oa n da i rv e l o c i t yu p o nt h ee f f i c i e n c yo fd u s tr e m o v a la n dd e w a t e r i n ge f f i c i e n c y i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 i b s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f i c i e n c yo fd u s tr e m o v a li n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h e l i q u i d - a i rr a t i o ，t h el i q u i d a i rr a t i oo ft h ew e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o ri s1 3 3 l m 3 ，n l ea i r v e l o c i t ya te n t r a n c ei sl a r g e rt h a no re q u a lt ot 0 6 m sa n dl e s st h a n1 4 7 r r d s ，a n dw h e n t h er o t a r ys p e e do f a t o m i z e ri sa b o u t2 9 0 0 r p m ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft o t a ld u s tc a l l r e a c h9 9 8 o rm o r ea n dt h a to fr e s p i r a b l ed u s tc a nr e a c h9 8 o rm o r e i np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h er a n g eo fs e l e c t a b l ea i rv e l o c i t yo ft h ew e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o ri s 1 0 6 m s v 1 4 7 r r d s t e s tr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ed u s tr e m o v a le f f i c i e n c ya n dd e w a t e r i n ge f f i c i e n c yo f t h ew e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o ra r ei nd i r e c tp r o p o r t i o na n da no p t i m u mm a t c h i n g r e l a t i o ne x i s t sb e t w e e nt h ed e w a t e r i n ge f f i c i e n c ya n da i rv e l o c i t ya n dt h el e n g t ho f d e w a t e r i n gd e v i c e ，w h e na i rv e l o c i t yi s1 4 7 m s ，t h el e n g t ho fd e w a t e r i n gd e v i c ei s8 3 d ( d i a m e t e ro f d u s tc o l l e c t o r ) a n dt h ee f f i c i e n c yo f d u s tc o l l e c t o rr e a c h e st h eh i g h e s t t h r o u g ht h et e s tb yt h en a t i o n a lq u a l i t ys u p e r v i s i o na n dt e s tc e n t e rf o rc o a lm i n e d u s tc o n t r o l ，v e n t i l a t i o na n ds a f e t yp r o d u c t s ，t h ep e r f o r m a n c ei n d e x e so ft h ew e t c y c l o n ed u s tc o l l e c t o ra l lc o n f o r mt ot h er e q u i r e m e n t sf o rd u s tc o n t r o li nc o a lm i n e s s i t ea p p l i c a t i o nd e m o n s t r a t e dt h a tt h i sd u s tc o l l e c t o ri ss t a b l ei nq u a l i t ya n dr e l i a b l ei n p e r f o r m a n c ea n dt h ed u s t l a d e na i rc a r ls t e a d i l yr e a c ht h es t a n d a r do f d i s c h a r g ea f t e ri ti s t r e a t e db yt h i sw e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o r t h et e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o ni nt h i sp a p e ri st h a tt h ea u t h o rh a se x p l o r e dt h a tt h e e f f i c i e n c yo fd u s tr e m o v a li st h eh i g h e s t ，u pt o9 9 8 8 ，a n dt h ee f f i c i e n c yo fr e s p i r a b l e d u c tr e a c h e s9 8 w h e na i rv e l o c i t yi nl e s st h a n1 8 m sa n dl i q u i d a i rr a t i oi s1 3 3 l m 3 ， t h ed u s tr e m o v a le f f i c i e n c ya n dd e w a t e r i n ge f f i c i e n c yo ft h ew e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o r a r ei nd i r e c tp r o p o r t i o na n da no p t i m u mm a t c h i n gr e l a t i o ne x i s t sb e t w e e nt h e d e w a t e r i n ge f f i c i e n c ya n da i rv e l o c i t ya n dt h el e n g t ho fd e w a t e r i n gd e v i c e ，w h e na i r v e l o c i t yi s1 4 7 r r d s t h el e n g t ho fd e w a t e f i n gd e v i c ei s8 3 d ( d i a m e t e ro fd u s tc o l l e c t o r ) a n dt h ee f f i c i e n c yo fd u s tc o l l e c t o rr e a c h e st h eh i g h e s t t h e s er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d e i m p o r t a n t b a s i sf o rt h ed e s i g no f h ew e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o r k e y w o r d s ：w e tc y c l o n ed u s tc o l l e c t o r , e f f i c i e n c yo f d u s tr e m o v a lr o t a r yf l o w , f i e l d ，d e w a t e r i n ge f f i c i e n c y , d e w t e r i n gd e v i c e ，l i q u i d - a i rr a t i o i v 重庆大学硕士学位论文1 绪纶 1绪论 1 1 引言 粉尘是指在生产过程中产生并能较长时间悬浮在空气中的固体颗粒。粉尘从 卫生学角度可分为呼吸性粉尘和总粉尘。 粉尘的危害主要表现在两个方面：对人体的危害及发生粉尘爆炸事故。粉尘 对人体的危害主要是引起诸如尘肺等呼吸系统疾病，还可引起眼睛及皮肤的病变； 粉尘的爆炸事故是指具有爆炸危险性的粉尘悬浮在空气中，达到爆炸浓度，当温 度达到最小着火温度时发生爆炸的情况。 煤矿粉尘是煤矿生产中的重大灾害之一，不仅严重威胁着矿井的安全生产， 也严重危及作业人员的身体健康。解放以来，死亡人数超过百人的纯煤尘恶性爆 炸事故就达4 次，死亡人数超过千人“3 。煤尘还参与瓦斯爆炸，形成瓦斯煤尘爆炸， 使灾害范围扩大，造成更为严重的人员伤亡和巨大的经济损失；患尘肺病的情况 更为严重，据统计，截止1 9 9 2 年底，全国1 2 1 个部属重点煤矿和各省、自治区、直 辖市县以上地方煤矿的总接尘人数近1 8 4 万人，尘肺病患者近1 2 万人，尘肺患病率 6 4 9 ，仅1 9 9 2 年内全国就新发生煤矿尘肺5 3 6 9 例，发病率高达2 9 2 ，死亡率达 2 4 2 。1 。这样高的尘肺病患病人数，给国家和煤矿企业造成了巨大的经济损失， 也给企业带来沉重的负担。 煤矿尘肺发病率居高不下的主要原因，是我国大多数煤矿未能采取有效的防 尘措施或根本就没有防尘措施，致使作业场所的呼吸性粉尘浓度未能得到有效降 低，特别是采掘工作面粉尘浓度高的问题未能得到很好解决。据1 9 8 8 年对原统配 煤矿总公司所属的3 3 7 个煤矿的调查表明：1 9 8 4 1 9 8 8 年期间，采煤机司机处的粉 尘浓度最高达1 9 9 0 5 1 7 4 m g m 3 ，平均为3 5 7 3 m g m 3 ，呼吸性粉尘浓度则高达几百毫 克；粉尘浓度为1 0 0 2 0 0 m g m 3 的煤矿占调查总数的5 5 ，超过允许浓度标准的几十 至几百倍；掘进机司机处的粉尘浓度也高达1 0 0 1 0 0 0 g 3 ，呼吸性粉尘浓度则高 达1 0 1 0 0m g m 3 ，也严重超过允许浓度标准。1 。随着机械化程度的提高和放顶煤 综采的迅速发展，煤矿井下作业场所的总粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度越来越高， 呼吸性粉尘的危害问题将会越来越突出。为此我国已开展了大量的研究工作，研 究出适合于我国煤矿各种尘源降( 除) 尘的技术和装备，这些装备大多数对总粉 尘的降( 除) 尘效率较高，但对呼吸性粉尘的降( 除) 尘效率并不是都高，如机 掘湿式除尘器的呼吸性粉尘除尘效率只有8 0 左右，采用该除尘器虽然能使总粉尘 浓度降低到煤矿安全规程以下，但很难使呼吸性粉尘的浓度降低到该规程的 规定浓度，因此，我国目前防尘工作的重点是在保证总粉尘除尘效率的同时，大 重庆大学硕士学位论文l 绪纶 力提高呼吸性粉尘的除尘效率。 波兰于9 6 年相继开发出处理风量为1 5 0 一8 0 0 m 3 m i n 、功率为1 8 5 - 9 0 k w ，由6 种 型号组成的湿式旋流除尘器系列，其除尘效率一般为9 7 一9 9 ，目前已开发出对呼 吸性粉尘除尘效率达9 9 8 的最先进的湿式旋流除尘器“1 。这种除尘器的内部循环 水量为4 0 0 l m i n ，实际耗用新鲜水量约为1 5l m i n ，通过一个水位传感器监测水 箱水位，由水管自动向水箱供水。该除尘器通过一个转速达3 0 0 0 r p m 的高速转盘将 水流雾化成沿圆周均匀分布的水幕，拦截通过除尘器污风的粉尘，使其沉降下来， 这种除尘器的最大优点是对呼吸性粉尘的除尘效率高，不需要喷雾器而不存在喷 雾器堵塞问题。 我国从9 7 年开始引进一种这种除尘器，并已生产出样机用于煤矿进行除尘试 验，其处理风量为2 6 0 3 2 0m 3 m i n 、电机功率为2 1 8 5 k w ，除尘效率达到：对总粉 尘为9 9 ，对呼吸性粉尘达n 9 4 。其技术水平处于国内湿式除尘器的领先地位。 2 0 0 0 年又在此基础上采用相似原理自行研制成功处理风量达8 0 0m 3 m i n 的湿式旋 流除尘器，但由于对引进的除尘器的旋转雾化除尘、湿式旋流脱水除尘的机理掌 握不够，使其除尘效率相对较低( 9 5 ) ，脱水效果也明显不如引进的除尘器。 但是，到目前为止，国内外尚缺乏对这种除尘器除尘机理进行深入研究。因 此，对该旋流除尘器的除尘机理进行全面深入的研究，对于研制我国自己的湿式 旋流除尘器，提高该除尘器的除尘、脱水效果，进而提高我国煤矿及其它行业的 粉尘、烟尘治理技术水平具有重要意义。本研究将旋转雾化除尘与湿式水膜旋流 除尘有机地结合起来，既有效地提高了除尘器的除尘效率( 特别是呼吸性粉尘的 除尘效率) ，又彻底解决了湿式除尘器长期以来存在的喷嘴堵塞问题和脱水效果差 的问题，在试验中取得了成功。目前已在我国煤炭行业和水泥行业推广应用，使 这些尘源点的粉尘浓度控制在国家标准允许的范围之内。 1 2 粉尘的基本性质 粉尘的几何、物理及化学性质主要有粒径、密度、吸湿性、粘附性、爆炸性 及荷电性等。 粒径是粉尘大小的度量。粉尘的大小不仅是影响粉尘作业场所作业工人身体 健康的主要因素，也是影响除( 降) 尘效果的最重要因素，只有空气动力学直径 小于7 1ui i l 的粉尘才能进入人体肺部，对人体健康造成危害，特别是2 “m 左右的 粉尘危害最大，且这部分粉尘也最难捕集，因此，测量粉尘粒径十分重要。由于 粉尘颗粒一般是不规则的，因此，通常采用物理当量径来表示。物理当量径是指 与粉尘的某一物理量相同时的球形粒子的直径。物理当量径有多种，如阻力直径、 自由沉降直径、空气动力学直径、斯托克斯直径等。由于粉尘治理的目的主要是 重庆大学硕士学位论文l 绪纶 预防作业工人患尘肺病，而按“b m r c ”曲线的要求需要降低粉尘的空气动力学直径， 因此，采用空气动力学直径来度量粉尘的大小是最适合的。 所谓空气动力学直径，是指静止空气中粉尘颗粒的沉降速度与密度为l g c m 3 的圆球的沉降速度相同时的圆球直径，一般以微米表示。空气动力学直径不能直 接测出，需要测定斯托克斯直径后才能计算出其值。二者的换算关系如下： d a = d “、，p p r 11 ) 式中p p 一粉尘的真密度，g c m 3 ： “一粉尘的斯托克斯直径，um ； “a 一粉尘的空气动力学直径，1 tm 。 因此，只要测出粉尘的斯托克斯直径d 。，就能得到粉尘的空气动力学直径以。 目前，测定o n 主要是采用从日本进口的s a c p 2 2 0 型粉尘粒度分析仪在实验室测定 粉尘的粒度分布，或采用煤炭科学研究总院重庆分院研制的a l n 一9 5 型粒度分布及 浓度测定仪“1 。 粉尘群的粉尘粒径大小是不一样的。粒径分布越窄，表明粉尘粒子越均匀。 粉尘的粒径分布的表示方法很多，常用的除列表法外，还有粒度分布曲线及粒度 分布函数等。大量实践表明，粉尘的粒度分布一般是符合罗辛一拉姆勒分布 ( r o s i n - r a m m l e r 分布，简称r - r 分布) 或对数上限分布的。为了计算简便，一般 采用肛r 分布较多，通过计算其相关系数最终确定相关性的好坏，如果相关系数大 于规定值，表明相关性好，才能使用r r 分布，否则要试用其他分布，判断其是否 相关。 r - r 分布函数公式如下： d p ) = 1 一e x p 【_ k j _ ) n j 1 0 0 ，。 l 1 ， 式中尉d p ) - - n , - j - d 、于d p 的颗粒的重量百分比，； n 一非均匀性指数，其值越高，粉尘的粒径越均匀； d 一特征尺寸，um 。其值越小，尘粒越细。 妇与d 均由实验确定。 为了综合评价粉尘群的细度，仅求出尉d ，) 是不够的，还应求出粉尘群的平均 直径。粉尘群的平均直径很多，常用的是质量中间直径m m d 。其定义为：在该直 径以上或以下，粒子的累计质量百分数相等( 即各占5 0 ) 。当粉尘群的粒径服从 r r 分布时，其质量中间直径脚( 单位，um ) 按下式计算”1 l m m d = o 6 9 3 。d ( 1 - 3 ) 尘粒附着在固体表面上，或尘粒彼此相互附着的现象称为粉尘的粘附性。粉 尘的粘附性是影响除尘器选型的重要因素。对于粘附性大的粉尘，采用袋式除尘 重庆大学硕士学位论文1 绪纶 器除尘容易糊袋，增加清灰难度，导致除尘器阻力增大；采用电除尘器时，极板 的清灰就需要较高的振打强度，影响除尘器使用寿命。 粉尘的吸湿性是指粉尘能够吸湿空气中水分的能力。吸湿性粉尘在其相对湿 度增加以后，粉尘粒子的凝聚力、粘附力也随之增加，但流动性及荷电性减小。 在使用袋式除尘器除尘时，当吸湿性粉尘的湿度增加时，容易使除尘器糊袋；在 使用静电除尘器除尘时，需要增大清灰振打的强度；在使用喷雾降尘或湿式除尘 器除尘时，粉尘的吸湿性越好降( 除) 尘效率越高。因此，粉尘的吸湿性也是选 择除尘设备应该考虑的因素。 粉尘的荷电性是指空气中的粉尘大多数带有静电荷。粉尘的静电荷有3 个来 源：1 、由于磨擦而带上正电荷或负电荷；2 、近地面的空气中通常带有3 0 0 5 0 0 个e c m 3 ，正离子的浓度比负离子的浓度约高2 0 。空气中的粉尘粒子吸附了这些离 子而带有电荷；3 、粉尘离子在外加电场作用下获得电荷。可吸入的带电粉尘受到 的静电力比重力大得多，因此静电荷会增加粒子的沉积，电荷越多、粒子越小， 则影响越大。实验表明，荷电粉尘的沉积显著增加，人们常常利用这个性质来净 化含尘空气的粉尘，如荷电水雾降尘和静电除尘器就是典型的例子。 在粉尘爆炸方面，世界各国研究较多，取得了许多研究成果。粉尘爆炸只有 在同时具备三个条件时才可能发生，即粉尘本身具有爆炸性、粉尘具有一定的浓 度和具有超过粉尘最小能量的火源。当然，并不是所有的粉尘都具有爆炸性，我 国大约有2 3 的煤矿的煤尘具有煤尘爆炸性；粉尘爆炸的下限浓度为3 0 0 9 m 3 4 0 0 9 m 3 ，上限可达1 2 k g m 3 ，由于粉尘具有一定的粒度和沉降性，其爆炸的上限 很少能达到，故从安全方面考虑，重点是要求不达到爆炸浓度的下限。3 。 1 3 国内外除尘器现状及各类除尘器的性能比较 除尘器的发展已有一百多年的历史，早期的除尘器主要用于回收物料，因而 除尘效率不高。二十世纪六十年代末以来，随着工业的发展，工业界向大气排放 了大量的工业粉尘，使环境污染日趋严重，而人们对环境保护的要求又日益严格， 各国都制订了粉尘排放标准，从而促进了除尘设各的发展。对于煤炭行业来说， 为了取得理想的除尘效果，针对自己国家的特点，许多国家研究出了不同的除尘 方法和除尘设备。如德国根据其巷道断面积大、生产自动化程度高的条件，研究 出袋式除尘器及其配套工艺用于煤矿井下各尘源点的除尘，其除尘效率达到 9 9 9 ”3 ；波兰根据本国煤矿巷道断面小的条件，研究成功湿式旋流除尘器，该除 尘器对呼吸性粉尘的降尘效率达塑j 9 6 。 我国煤炭科学研究总院重庆分院经过长期的研究和攻关，相继开发出k g c 系列 湿式过滤除尘器、旋转栅除尘器及袋式除尘器系列，这些除尘器在煤矿的应用取 4 重庆大学硕士学位论文1 绪纶 得了良好的除尘效果。其中袋式除尘器的除尘效率达到9 9 5 ，但由于体积较大只 能用于1 0 m 2 以上的大断面巷道。普通湿式除尘器的适用范围较大，但对呼吸性粉尘 的除尘效率未超过9 0 。9 6 年以来，重庆分院与波兰合作，对湿式旋流除尘器进行 深入研究，使其对呼吸性粉尘的降尘效率达到9 5 以上，同时体积小，投资少，使 其适合中国煤矿井下的实际应用状况。 各类除尘器的除尘机理各不相同，习惯上将除尘器分为机械式除尘器、过滤 式除尘器和湿式除尘器三大类“”1 。这三大类除尘器的优缺点见表1 1 。 表i 1 各类除尘器性能表 t h b l e1 1p e r f o r m a n c e so f v a r i o u sk i n do f d u s tc o l l e c t o r s 1 4 湿式除尘器的国内外现状 湿式除尘器也称洗涤器，它是利用液体来净化气体的装置，水与含尘气流的 接触方式大致有水滴、水膜和气泡三种形式3 。在实际应用的湿式除尘器中可能 兼有二种，甚至三种方式。湿式除尘器具有结构简单，造价低，适应于湿度较大 且含有粘性粉尘气体净化的特点，因而应用较广 1 8 9 2 年g z s c h o h e 取得了一种湿法网格式除尘器的专利权，虽然这种除尘器 是很原始的设计，但在当时是最有效的粉尘分离设备。随着工业发展和环保的需 要，各种高效湿式除尘器被相继研制出来，比较典型的类型主要有：喷淋式除尘 器、卧式旋风除尘器、冲击式水浴除尘器、自激式除尘器、文丘里除尘器( 包括 高、中、低压) 、湿式离心除尘器、立式旋风除尘器、泡沫除尘器、填料式除尘器 和湿式过滤除尘器“。不同类型的湿式除尘器主要区别在于分散液体的方式不同 和脱水方式不同，有多少种气液接触方式就有多少种结构形式的除尘器，几种典 型的湿式除尘器性能比较见表1 - 2 “3 1 “15 ”1 。 重庆大学硕士学位论文1 绪纶 表1 2 几种典型的湿式除尘器性能比较 ! ! ! ! ! ! ：! ! ! 生! 罂翌! ! 竺磐玺! ! ! ! ! ! 唑! 业i 型兰垡! 竺! ! ! ! ! 业坚 除尘器名称笛茅最袭蕊粒阻加a 能枞皿3 茺磐薏警 从表中可以看出，文丘里除尘器有很高的除尘效率，但它的阻力太大，能耗 高：其它类型的湿式除尘器有的体积大，耗水量大“；有的除尘效率低而不符合 当今环保标准的要求。”。 重庆大学硕士学位论文 2 湿式旋流除尘的理论基础 2 湿式旋流除尘的理论基础 2 1 粉尘的运动特性 2 1 1 粉尘在空气中的匀速运动 匀速运动是尘粒最常见的一种运动形式，一般是两个力作用的结果：一是恒 定外力，例如重力和静电力；二是气体对尘粒的阻力。 当一个直径4 的球形尘粒以速度匀速在空气中运动时受到的空气阻力为： 兄= 。弘d ，“ ( 2 1 ) 式中，d - - - - 一空气阻力，n ； 。d 阻力系数； p 一一气体密度，k g m 3 ： “一一尘粒直径，m ： v 一尘粒运动速度，m s 。 阻力系数c d 随雷诺数兄的变化而变化， 力系数为： q = 鼍 当兄l 时，为斯托克斯区，该区的阻 ( 2 2 ) 当1 p k 5 0 0 时为艾伦( a l l e n ) 区： ， 1 0 6 l = # “ r ( 2 3 ) 当5 0 0 r 1 ；对于球形粒子，q ：1 。 u 一尘粒的临界沉降速度，m s ； 重庆大学硕士学位论文 2 湿式旋流除尘的理论基础 p 一空气的动力粘性系数，p a s 。 当尘粒受到离心力作用时的临界速度为： v ! p p d p - a o p 1 1 8 卢g ( 2 5 ) 式中8 0 p _ 尘粒坐标点上的离心加速度，m s 2 ； 8 印2 2 r p ( 2 6 ) 式中怖一尘粒的切向速度，m s ： r p 一运动半径，m 。 2 1 2 尘粒的扩散 尘粒的扩散是由于气体分子的随机热运动，碰撞粒手团使其内系统的一部分 输到另一部分的过程。在这一过程中粒子没有特定的运动方向。随机运动的结果 使粒子总是由较高浓度的区域向较低浓度的区域扩散。 扩散的基本定律为：在各向同性的物质中，单位时间内通过单位面积的扩散物 质的量( 又称通量) 与浓度梯度成正比，即 f ：一d 丝 融 ( 2 7 ) 式中f 一通量，k g ( m 2 s ) ； c 一粉尘的质量浓度，k g m 3 。 d 一扩散系数，m 2 s 。d 按下式给出： d ：墨墨 3 n p d p ( 2 8 ) 式中k 一玻尔慈曼常数，k = 1 3 8 1 0 j k ： 丁一绝对温度，k 。 2 1 3 尘粒的凝聚 分散的微细粒子通过物理的或化学的作用互相接触而结合成较大颗粒的过程 称为凝并或凝聚。研究凝并机理对于间接收集微细粒子具有特别重要的意义。对 于气溶胶粒子，根据凝并机理的不同，凝并主要分为热凝并、声凝并和电凝并等。 设粉尘的计数浓度为c ，( 单位：个m 3 ) 半径为的尘粒向半径为 2 的中心粒 子碰撞，则单位时间f 。粒子的减少量应等于单位时间这两种粒子的碰撞次数。 经典的凝并理论公式为”“ c 一生 1 + 0 5 k c o t ( 2 9 ) 式中f 一时间，s ： k 一凝并系数； 重庆大学硕士学位论文 2 湿式旋流除尘的理论基础 c o t 20 时的粉尘计数浓度，个m 3 。 对于热凝并，其凝并过程十分缓慢。如使1p 加的尘粒群增大一倍，需要1 0 0 m i n 以上的时间。因而这种凝并在工业中很难得到应用。 在声场和超声场中，对细小粒子的声凝并机理有不同的解释。其中一种认为 由于声波引起的振动，使不同大小的粒子被带动的程度不同而产生不同的移动速 度。小粒子由于质量小将参与到大振幅的声波振动，并与难以振动的大颗粒相碰 撞而产生凝并。通常认为超声凝并的机理是因下列三个方面的原因所造成的： ( 1 ) 声场中不同大小的尘粒振动的振幅不同而导致粒子间的碰撞； ( 2 ) 由于气流和颗粒间的相对速度在粒子间造成的立体吸引力； ( 3 ) 由于声辐射压的作用，使粒子沉积到声驻波的波腹上。 利用声凝并可以大大提高微粒的凝并效率。实验室的声波除尘装置由声波发 生器、声凝并箱体和分离器组成。含尘气流在凝并箱的滞留时间往往不超过l o s 。 声凝并方法收集亚微米粉尘是有效的，曾一度引起除尘界的极大关注。但由于耗 能大，同时还需要消除噪声的危害，因而限制了它的实际应用。 电凝并包括带电粒子间的库仑凝并和外电场力作用下带电粒子问的凝并。对 于库仑凝并，w i l l i a r a n s 和l o y a i k a 给出了较严格的库仑凝并系数“c 计算公式 k ：型! ：1 2 k 。2 f e 。一1 ) 1 ( 2 1 0 ) z ： ! ! 堡 2 = k b r e o ( d p l + d aj f 2l 】) 式中“p l u n 一分别为尘粒1 和尘粒2 的粒径，m ； q l ，q 2 分别为粒径“，u n 的尘粒所带的电量，c ； 5 0 一空气介电常数，5 0 = 8 8 5 1 0 1 ( v m ) ： “r 一热凝并系数。 e 1 i a s s o n 等人的实验结果表明：在对成异极荷电情况下，亚微米粒子的电凝并 速率比中性粒子的热凝并速率高1 0 2 1 0 4 倍。对于1um 的尘粒，库仑凝并系数丘z 1 0 。1 3 1 0 , m 3 s ，这一研究结果引起气溶胶科学界的广泛兴趣。不过，该研究往往 只限于在凝并箱中的静态无外力场情况下粒子的电凝并过程。为进一步提高凝并 速率，引入外电场力是必要的。 2 2 转盘式雾化器水幕捕尘的机理 转盘式雾化器水幕对粉尘的捕集作用主要包括：水滴与粉尘的惯性碰撞、水 滴与粉尘间的拦截和扩散( 见图2 1 ) 。 9 重庆大学硕士学位论文 2 湿式旋流除尘的理论基础 图2 1 短程机理 f i g 2 1s h o r td i s t a n c em e c h a n i s m 2 2 1 惯性碰撞及拦截机理 由于以上三种捕尘机理与尘粒同水雾粒的相对大小及相对速度有密切关系，对 于1t tm 以上或稍大的尘粒，惯性碰撞和拦截占主导作用，而小于lum 的超微细尘 粒扩散则成为较突出的捕集机理。因此，将惯性碰撞和拦截放在一起进行叙述。 惯性碰撞 当流动的气体对着一圆球的水雾粒流动时，气流将在水雾粒的上游折转而绕水 雾粒流过。流线的形状依流体的速度大小而不同，高流速时流线要紧贴物体的前 端才突然扩展然后绕流。而低流速时，扩散在上游相当距离处就已开始了。 令水雾粒的直径和流体的相对流速作为r c 数的特征长度与特性速度，则 r e 2 屯v ( 2 1 2 ) 式中 “* 一上游未扰动的流速，m s ： d 一水雾粒直径，m ； v 一气体的运动粘度，寸s 。 r e 数约为o 2 时，流线的3 在上游1 0 0 d w 处已开始发生扰动；而r e 数为2 0 0 0 时，一直到上游2o w 处，实际上都还没有受到扰动。可见速度的影响是很大的。 当气溶胶微小颗粒进入气流中绕流水雾粒时，气溶胶颗粒将随气流流线而绕 经水雾粒。由于尘粒的质量比起气体微团的质量大得多( 上千倍) ，当气流折转时， 他们将有足够的动量继续对着水雾粒前进而偏离流线( 如图2 2 所示中的虚线) 。 偏离的结果就使一些尘粒碰撞到水雾粒上面被捕集分离，这个过程称为惯性碰撞。