高空喷雾除尘.docx

1. 喷雾降尘研究现状1.1国内外对除尘方法的研究现状目前，湿式降尘最广泛的是使用普通喷嘴进行水雾降尘，然而，由于水压较低，严重地影响喷雾降尘效果，这种方法的总粉尘降尘效率仅为 50%60%，对呼吸尘的降尘效率只有20%-30%。为提高降尘效果，国内外相关学者研究了声波雾化喷雾、磁水喷雾、预荷电喷雾、泡沫除尘、高压喷雾等。高压喷雾技术是一种近年来在国外的许多煤矿中使用较普遍的降尘技术，但在我国只有极少数矿井开始使用，降尘效果十分显著。降尘率高的原因是水雾粒子与尘粒的凝结效率高。在低压喷雾时，水雾粒子是通过惯性碰撞、拦截捕尘、凝并和布朗扩散等综合作用来降尘的；而采用高压喷雾不但有低压喷雾时的四种机理作用，还使水雾带有较高的正负电荷，因而显著提高了水雾单颗粒对呼吸性粉尘的捕集效率。采用高压水流作为介质，通过参数的调节，可将其携带的高能量水用于水滴的破碎，从而得到优良的雾化效果。人类认识喷雾除尘技术是从雨滴洗涤大气中的尘埃开始的，以后逐渐推广应用到控制污染物和粉尘。早在公元 1946 年，兰米尔就研究了大气尘粒在球状捕尘器上的碰撞，并以位流和滞流为依据成功地计算了碰撞效率。20 世纪 40 年代中期，Penney 研制出了世界上第一台荷电水雾除尘器。迄今，美国、日本、法国、英国、加拿大及前苏联等国家对此项技术均做过广泛而深入的研究。 20 世纪 60 年代 Elperin提出了对喷理论并进行实验，但是直到 1975 年，才由俄罗斯的 Lainer 将其用于除尘。但是对喷雾除尘技术的研究却是始于 1976 年美国学者布朗和斯考温格德提出的微细水雾捕尘理论。认为在微细水雾中，不仅存在着各种动力学现象，而且还有蒸发、凝结以及水蒸气浓度差异造成的扩散现象等，这都对微细粉尘的捕集起重要作用。美国、俄罗斯、以色列等国家就己经对微细水雾捕尘技术进行了多方面的研究，并取得了一定的成果，但当时的研究工作还不够细致，没有上升到理论层次，仅限于实验和数值模拟。由于缺乏足够的理论以及尚未成功研制出各种先进的除尘方案和除尘器，使得此项技术的研究未能得到进一步的发展。70 年代出现的能源危机使得喷雾除尘技术的应用逐渐得到重视。80 年代以来，研究发现有的尘源属开放性粉尘无法进行密闭收集，有的物料或废气温度较高不宜采用布袋除尘，有的尘源分散不宜采用集中除尘，加之一般的除尘方式对呼吸性粉尘捕集效率普遍较低。因此，许多发达国家于是进一步探讨研究湿式除尘技术。在除尘领域，水雾捕尘技术应用较多，但主要是用在烟气脱硫、烟气净化上。当对人类生存构成巨大威胁的呼吸性粉尘得到重视以后，利用水雾的喷雾除尘技术因其除尘效率高且节能的优势得到了迅速的发展。此后，各国针对不同的粉尘对象设计研制了各种喷雾除尘系统并开发了各种除尘设备，并将其应用于不同的系统和场所，取得了良好的效果。近几年来，随着喷雾除尘技术的推广和应用，开始有一些学者借助新的研究手段对喷雾除尘过程进行理论及数值研究，以此加深对喷雾除尘机理的深层次认识，为优化喷雾除尘技术提供依据。C.R.麦克卡利和 B.奥斯克在实验中观察到，当界面张力很大时，与水滴碰撞的尘粒没有被捕获，反而被弹开。C.S.彭伯顿经过理论分析，推导出颗粒物克服表面张力要做的穿透功，并提出完全进入水滴所需的最小速度。在彭伯顿工作的基础上，J.E.麦克唐纳将研究扩展到接触角为 0180 度的部分可润湿性颗粒物。通过对水喷淋去除煤尘的研究，S.钱德修改了克服表面张力需要做的穿透功，只有当穿透功达到一定数值后，与水滴碰撞的尘粒才能进入水滴，从而被捕获。大气飘尘经雨水洗涤并去除的过程常常会受到云中电场和电荷的影响，这样就需要研究一系列电荷对捕集效率的影响。S.N.格罗弗和 K.V.比尔德提出了一个流速模型，计算出带电颗粒间的碰撞效率。H.C.王和 M.B.张先后研究了静电引力对捕集效率的影响， 以及静电力与惯性碰撞之间的关系。通过试验探索及对前人工作的研究，认为当颗粒物的动能大于克服表面张力要做的穿透功时，颗粒可自动进人水滴，此时，惯性碰撞是主要的捕集作用机理。而当动能小于穿透功时，尘粒与水滴之间的作用要受许多参数的控制，如流体动力学参数、尘粒与水滴的物理和化学性质等。O，Rourke 建立的统计模型，如 KTVA 方程。该模型存在两个方面问题：一是模型基于早期的水滴碰撞试验结果，只考虑了聚合与摩擦分离两种情况，而实际的液滴碰撞结果非常复杂，远不止这两种情况;二是模型在碰撞频率计算时假定液滴离散相均匀分布，而实际喷雾场中液相在空间存在较大的浓度分布差异，由于液滴数密度在离散液滴模型中不易准确计算，从而造成碰撞频率的较大误差，这两方面的原因使得碰撞模型成为喷雾模拟中的软肋。近年来，Tennison、Post 等在碰撞模型中考虑了更多的液滴碰撞结果，Schirnidt、Nordin 则针对后一问题提出了一些有特色的碰撞频率计算方法以提高计算速度和准确性。 近年来，鉴于喷雾除尘技术的种种优点，国内对喷雾除尘技术越来越重视，研究也很活跃，并且对该领域的研究不断深入。陈明基等用流体力学理论分析了水雾的捕集分离机理，认为当气流携带固体颗粒接近捕集物时，在惯性碰撞、拦截和扩散等短程机理。综合作用下完成捕尘，并且提出了捕集效率的计算方法。张国权应用胶体化学理论解释了水雾捕尘机理，将粉尘作为气溶胶粒子来研究，将水滴假设成坚硬的球体，从截留作用、惯性沉降、扩散沉降、重力沉降等方面阐述了水滴的捕尘机理，并且提出了水滴群捕集效率的计算方法。赵兴本在喷雾除尘技术应用上有过研究，杨玉军和梁彤等在水雾降尘设计方法、喷枪设备原理与性能等方面作过研究，效果明显，但主要是应用在矿山。西安交通大学的张小艳对水的超声雾化技术进行了实验研究，应用回归分析建立了超声雾化性能的数学模型。在分析微细水雾捕尘机理及捕尘水雾凝并沉降技术的基础上，设计了集微细水雾捕尘凝聚、凝并降尘惯性沉降分离为一体的含尘气流净化系统，并对该系统的除尘效率进行了实验研究，建立了相应的数学模型。该系统除尘效果非常好，除尘效率达到了99.6%。西南科技大学的陈海众分析了对喷除尘机理，实验考。察喷嘴气流速度、含尘浓度和雾化水润湿含尘气流对除尘效率的影响，并进行机理分析。实验表明，除尘效率随喷嘴风速、含尘浓度的增大而升高，但有一个最优值，超过该值后除尘效率反而降低。原冶金部马鞍山矿山研究院的徐立成认为：根据空气动力学理论，含尘气流绕过雾滴时，尘粒由于惯性会从绕流的气流中偏离而与雾滴相撞从而被捕捉。其被捕捉的机率与雾滴直径有关，当雾滴直径与尘粒直径相近时，雾滴更易捕捉到尘粒。研究表明，雾滴直径与尘粒直径之比K值的范围在1.25K5时，捕尘效果最佳。而叶钟元认为水雾的捕尘效率与粉尘和水雾的相对粒度有关，当水雾粒度是粉尘粒度的 100150倍时，除尘效果更佳。 1.2国内外对除尘方法的研究目前，湿式降尘最广泛的是使用普通喷嘴进行水雾降尘，然而，由于水压较低，严重地影响喷雾降尘效果，这种方法的总粉尘降尘效率仅为 50%60%，对呼吸尘的降尘效率只有20%-30%。为提高降尘效果，国内外相关学者研究了声波雾化喷雾、磁水喷雾、预荷电喷雾、泡沫除尘、高压喷雾等。声波雾化降尘技术，磁化水降尘技术，预荷电喷雾降尘技术，泡沫降尘技术和高效喷雾降尘技术等应用于煤矿井下的降尘，可使其作业处的总粉尘和呼吸性粉尘得到有效沉降。声波雾化降尘技术是利用声波凝聚、空气雾化的原理，从提高尘粒与尘粒、雾粒与尘粒的凝聚效率以及雾化程度来提高呼吸性粉尘的降尘效率。产生声能的声波发生器是该项技术的关键。该项技术所研制的声波雾化喷嘴具有普通压气雾化喷嘴的特点，雾化效果好，耗水量低，雾粒密度大。同时，产生的高频高能声波可以使已经雾化的雾粒二次雾化、减小雾粒直径，提高雾粒与尘粒的凝并效果。然而，声波雾化喷嘴产生的声波频率在可听范围内，声压级高，噪音较大；此外，雾粒变小易受环境风流影响，寿命也短。磁化水降尘技术是改善的喷雾降尘法，是降低呼吸性粉尘的另一条技术途径。它是用物理的方法改变水的性质，使水的雾化能力增大，是一种简单有效的方法。水是抗磁性物质，当对水施加一种外磁场时，水就要产生一个附加磁场，其方向与外磁场方向相反，由于外磁场与分子力的相互作用，削弱了分子间的内聚力，改变了水分子的氢键联系，迫使水的粘性下降从而改变水的表面张力，同时水中存在的杂质在流经磁场时也要被磁化，其中含电解质的离子磁化后产生的附加磁场的方向与外磁场方向相同，而非电解质的分子产生的附加磁场的方向与外磁场方向相反，这些磁力的相互作用最终促使水分子的内聚力下降粘滞力减弱，从而不同程度地改变了水的基本结构，成为磁化水。由于粘度、表面张力降低，吸附、溶解能力增强，致使雾化程度得到提高，可以提高捕捉粉尘的机率，从实际降尘效果来看对总粉尘的降尘效率比清水提高 14.7，对呼吸性粉尘降尘率比清水提高14。预荷电高效喷雾降尘技术对现场粉尘状况调查发现，悬游粉尘大多带有电荷，于是提出了如何利用这一现象来降低呼吸性粉尘的思路。如果让水雾带有极性相反的电荷，就可以使雾粒和尘粒之间产生较强的静电引力，从而提高水雾对粉尘的捕获效果。为此开展了预荷电水雾降尘机理和实用技术的研究。基础研究的结果表明，荷电水雾对呼吸粉尘的降尘效率是随水雾荷质比的提高而线性上升的，最高达到75.7。实现这一目的的关键是能研制出耗水量小，雾化效果好，雾粒密度大而且水雾能够荷上足够多的电荷的电介喷嘴。泡沫除尘是种新型的除尘技术，如美国、前苏联、西德及东欧等国家为提高呼吸性粉尘的降尘效率，从七十年代起开始集中研究湿润剂和泡沫除尘剂。泡沫除尘剂是利用表面活性剂的特点，使泡沫剂和水一起按一定比例混合，通过发泡剂产生大量高倍数泡沫喷洒到尘源或含尘空气中，形成大量的泡沫粒子群，其总体积和总面积很大，从而大大增加雾液与尘粒的接触面和相互接触，提高水雾的降尘效果。声、磁、电降尘法的研究正不断取得进展，但离推广还有一段距离。高压喷雾技术，近年来，高压喷雾降尘技术已在国外的许多煤矿中使用；我国只有极少数矿井开始使用，降尘效果也十分显著。降尘率商的原因是水雾粒与尘粒的凝结效率高。在低压喷雾时，水雾粒是i恿过惯性碰撞，拦截捕尘，凝集，布朗扩散的综合作用来降尘的；而采用高压喷雾不但有低压喷雾时的四种机理作用，还使水雾带有较高的正负电电荷，因而显著提高了单颗水雾粒对微细粉尘的捕集效率，因此显著提高对呼吸尘和全尘的沉降率。采用高压水流作为介质，通过参数的调节，可将其携带的高能量水用于水滴的破碎，从而得到优良的雾化效果。3 .2 影响除尘效果的因素1 ) 雾滴粒度 水雾滴粒度根据喷雾除尘的要求来确定的，一般情况下粒度越小在空气中分布的密度越大，与煤尘的接触机会越多，降尘效果越好，因为煤尘有一定的抗湿性， 甚至，有的煤尘具有油性，当雾粒过大时，动量大，其质量也大，不易煤尘相碰撞，过小时易蒸发，即使煤尘与雾粒相碰撞，没等煤尘落地，水分已经蒸发，没有起到作用。由理论和实践可知，雾滴粒度在 10200 um时灭尘效果较好，最佳灭尘效果的雾滴粒度为2050 um。 2 ) 雾滴速度雾粒速度决定着与煤尘接触效果。如果相对速度大，两者碰撞时动量大，有利于克服水的表面张力，将煤尘湿润捕获。雾滴速度快时，其动量大， 与尘粒碰撞后迅速降落，减少煤尘在空中的停留时间和可有效地防止水在空气 中蒸发，有资料表明，当雾粒达到 0.1mm，水粒的速度提高到30m/s时，对2u m的尘粒降尘率可提高约50% ，据观测，雾粒速度一般应大于20m/s。 3 ) 雾的密度喷雾的密度是指在单位时间内单位水雾流的截面的水耗量，喷雾的密度越大降尘效果越好。适当加大供水