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微细雾化除尘喷雾系统相关原理

作者:奥工喷雾来源:奥工总经办 浏览次数: 日期:2013年6月14日 17:11

   微细雾化除尘系统相关原理

   目前雾化喷雾系统除尘技术,对呼吸性粉尘捕集效率普遍较低,这与呼吸性粉尘自身性质有很大关系。这类粉尘极易吸附周围气体在表面形成气膜,阻碍水雾对粉尘的湿润。为使水蒸气吸附在粉尘上,变粉尘为亲水性,可通过提高周围环境中水蒸气分压比来实现。微细水雾粒径小,与空气接触面积大,蒸发率高,能使含尘区水汽迅速达到饱和,不仅能满足改善粉尘湿润性能所需的水蒸气条件,还能通过多种作用机理实现呼吸性粉尘的捕集。此外,捕尘水雾凝并、沉降、分离技术的研究也是除尘技术中一个必不可少的重要环节。

 

1 微细喷雾水雾捕尘机理
 

   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,这都对呼吸性粉尘捕集起重要作用,所以对于微细水雾有多种捕尘机理。
   (1)动力学机理。在微细水雾中,大粒径液滴仍是利用空气动力学机理来捕尘的,即通过粉尘粒子液滴的惯性碰撞、拦截以及凝聚、扩散等作用实现液滴对粉尘的捕集。
   (2)云物理学机理。微细水雾喷向含尘空间时,能在很短时间内蒸发,使喷雾区水汽迅速饱和,过饱和水汽凝结在含尘区内悬浮的大量粉尘粒子上,此后就开始了凝聚和并合的微物理过程。这主要是由于水的相变和云滴形成所导致的温度、浓度变化,加之喷雾雾流引起的含尘空气运动,使携带着粉尘粒子的云滴和其它水雾粒相互碰撞、凝并进而增重下沉,形成“雨”降落下来。另外由于水汽在呼吸性粉尘表面的凝结,不仅改善了粉尘的亲水性能,而且也增大了粉尘的体积与重量,这都对粉尘捕集起着促进作用。云物理学机理见图1。

   (3)斯蒂芬流的输运机理。在喷雾区内,液滴迅速蒸发时,必然会在液滴附近区域内产生蒸汽组分的浓度梯度,形成由液滴向外流动扩散的斯蒂芬流;同样,当蒸汽在某一核上凝结时,也会造成核周围蒸汽浓度的不断降低,形成由周围向凝结核运动的斯蒂芬流。因此,悬浮于喷雾区中的呼吸性粉尘粒子,必然会在斯蒂芬流的输运作用下迁移运动,最后接触并粘附在凝结液滴上被湿润捕集。

 

2 捕尘水雾的凝并沉降

   微细水雾捕集呼吸性粉尘,无论是液滴还是粉尘,粒径都很小。即使粉尘被水雾湿润后粒径、质量均增大,也不易从气流中分离出来,更何况还有一些未被湿润的粒子存在。若能通过某些作用让呼吸性粉尘、水雾粒以及含尘水雾粒之间相互接触而凝并成较大颗粒,就容易实现沉降分离。根据浮游物相互接触所需条件来看,凝并的发生可有多种途径,如声波凝聚、冷凝凝并、动力凝并与沉降等。
   (1)声波凝聚。声场中,声波引起的振动会使粒径、密度等性质不同的粒子产生不同程度的振动,参与大振幅振动的小粒子与小振幅振动的大粒子会相互碰撞而凝并。此外,在声辐射压作用下,粒子还会在声驻波波腹上沉积凝并。但声波凝聚在处理低浓度、含呼吸性粉尘的气体时,时间长、能耗大,且效率不高。为克服这一缺陷,首先用喷雾水对含尘气流进行处理,再应用声波凝聚。水雾的加入,不仅增加了气流中的粒子数量,而且较大粒径雾滴的加入,也降低了声波的最佳凝聚频率,使能耗大为节约。
   (2)冷凝凝并。微细水雾捕尘机理表明,水蒸气冷凝要以悬浮粒子为核,且冷凝作用的发生还会造成捕尘空间中温度与浓度的不均匀变化,这都为粒子的沉降创造了条件。冷凝是一种多方面凝并机理并存的综合作用过程,主要包括水蒸气凝结、浓度梯度、温度梯度凝并。
   (3)动力凝并与沉降。动力凝并是指依靠外力作用,使含尘区内各种粒子间相互并合的过程。在含尘空间中喷射水雾,捕集尘粒,正是对这种动力凝并机理的实际应用。在这种情况下,水滴或是依靠惯性力,或是依靠自重力、扩散力等与含尘区内的粉尘粒子相互凝并。
 

3 除尘喷雾系统设计及试验研究

   微细水雾捕尘过程实际上就是各种捕尘与凝并机理综合作用的过程。但因水雾与呼吸性粉尘粒径都很小,捕集与凝并作用不足以使并合物从气流中分离出来,所以要有效净化含尘气流,除捕尘技术外,还要采取加强凝并与沉降分离措施。根据这一思路,设计了如下含尘气流净化系统:微细水雾捕尘声波凝聚降尘惯性沉降分离。
 

3.1 试验系统设计
   为测定含尘气流净化系统在不同喷雾参数下的除尘效率,根据要求设计了如图2的试验系统。

   (1)发尘系统。由图2中的发尘风机1与发尘器2组成,发尘器左上口接风机,右侧口均匀布置许多小孔,风机运转时,粉尘就在风流作用下由小孔发出,进入测试风筒。
   (2)测尘系统。该系统由采样管、胶皮管、滤膜盒、流量计和气泵组成。依靠气泵动力,把风筒内含尘空气吸入采样管,经胶皮管到达滤膜盒,气流通过滤膜而粉尘被阻留,采样同时记录流量读数与采样时间。根据滤膜增重、流量及时间就可计算出管道内粉尘计重浓度。
   (3)喷雾捕尘系统。为了实现微细水雾捕尘,本试验采用了超声雾化喷雾系统,该系统在温度为25℃、湿度为91%时,不同气压与水量下雾化效果的数据统计结果见表1。

   (4)尘雾凝聚。湿式振弦栅是在声波凝聚理论上发展起来的一种除尘新技术,当风流吹过振弦栅时,弦便在风流作用下振动,产生驻波,促使各种粒子在声波作用下相互碰撞而凝聚。为了增加凝聚效果,对其结构进行了改进,自制振弦栅由固定圈与细钢丝构成,共3层。钢丝的布置采用经纬交错方式,这不仅起到振弦栅作用,还具有筛网性质,并克服了普通筛网的堵网现象。它依靠固定圈的弹性紧卡在风筒内,借助风筒振动和风流作用产生声波,使各种粒子产生不同程度的振动,实现碰撞凝聚。
   (5)沉降分离。对于含尘气流中各种颗粒及凝并物的沉降分离,试验系统中采用了百叶窗,依靠惯性作用来实现。
3.2 试验数据整理
   在采样流量Q=20 L/min,采样时间t=2 min的条件下,测定系统的除尘效率。(假设净化系统无漏风,试验测定数据及计算结果如表2、表3所示。)

 

 

 


    根据表3绘制的除尘效率与气水比的关系如图3所示。
 

4 喷雾除尘系统数学模型的建立


    试验采用的气流净化系统中,除尘效率的测定是在不断变化喷雾参数的情况下进行的,而不同的喷雾参数所产生的雾化效果不同,这样就借助喷雾参数,在除尘效率与雾化效果之间建立了相应的函数关系。设<50Lm雾滴所占比例为x1,一定面积内的雾滴数量为x2,除尘效率为y,则根据表1与表3有如下变量数据(表4)。

 

    假设各变量之间的关系可用如下线性回归模型表示:
        y=b0+b1x1+b2x2+E                (1)
   

    偏差E服从N(0,R2)分布。用最小二乘法求b0、b1、b2的点估计值,使E平方和最小,令
        Q=∑(yi-b0-b1xi1-b2xi2)²          (2)
   

    选取b0、b1、b2使Q取最小值,为此取Q对b0、b1、b2的偏导数并令其等于零,求得:   
         b0=72.895
         b1=0.343
         b2=0.004 3
    

    则经验回归方程为:
           y=72.8950+0.343 0x1+0.004 3x2    (3)
   

    式中   y ——   除尘效率,%;
           x1—— <50μm雾滴所占比例,%;
           x2—— 一定面积内的雾滴数量,个。
    该方程即为除尘效率与雾化效果关系的数学模型。
 

5 结论


    从呼吸性粉尘自身性质出发,探讨了微细水雾对于此类粉尘捕集所形成的有利条件,喷雾捕尘区内存在的各种捕尘机理,以及捕尘水雾的凝聚、凝并、沉降技术。在此基础上设计了微细水雾捕尘凝聚、凝并降尘惯性沉降分离的含尘气流净化系统。通过试验对不同喷雾参数下该系统的除尘效率进行了测定,并对测定数据整理分析,采用最小二乘法,建立了气流净化系统除尘效率与雾化效果关系的数学模型,得出了如下几点结论,为同类技术的研究及其在防尘中的应用提供了依据。
        (1)微细水雾有利于呼吸性粉尘的捕集。
        (2)超声雾化试验数据表明:该技术对水具有较优的雾化性能,在气压为0.45 MPa,水量为40 L/h时,雾流中粒径<50μm的雾滴比例可达80.9%,故超声雾化技术可实现微细水雾捕尘。
        (3)对于微细水雾捕尘,因粉尘与捕尘体粒径都较小,所以要采取一定的措施加强颗粒间的碰撞结合、凝并沉降。
        (4)本试验设计的含尘气流净化系统能有效净化气流中的呼吸性粉尘,在发尘浓度为283.25mg/m³时,除尘效率可达99.6%。
        (5)数学模型表明:雾滴大小对呼吸性粉尘除尘效率的影响比雾滴数量更为显著。

 

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