湿式振弦除尘器气液分离机理与实验研究

刘 军，晋树青，袁文博，向晓东

（1.晋城煤业集团凤凰山矿，山西 晋城，048007；2.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉，430081）

湿式振弦除尘器始于20世纪80年代末［1］，它是将水雾喷入含尘气体中，使雾滴捕获粉尘，形成含尘水雾，然后通过振弦栅除雾，以达到除尘目的。在湿式振弦除尘研究方面，张设计等［2］探讨湿式振弦除尘器的除尘机理，并对其除尘效率的影响因素进行了分析；宫丽虹等［3］研究了水量、纤维栅结构和纤维物理性质对湿式振动纤维栅除尘效率和过滤阻力的影响；李迎超等［4］对喷雾压力、喷水量、纤维直径和间距、纤维层数以及层间距等因素进行对比分析，并确定了高压喷雾纤维栅在综采面回风巷使用的最佳参数。但到目前为止，有关湿式振弦除尘器的气液分离机理的研究少见报道。

在湿法除尘、脱硫脱硝、温室气体控制等湿法工艺中均存在除雾问题［5－6］。目前常用的除雾器气液分离效率较低，如曲折板除雾器、惯性除雾器、离心除雾器和丝网除雾器等除雾效率仅为50%～60%［7］。而湿式振弦除尘器不仅具有过滤风速高、设备体积小、能耗少、纤维栅不易结垢等优点，而且除雾效率通常超过80%［8］。但湿式振弦除尘器仅用于地下采矿，特别是在采煤除尘方面已得到推广应用，在工业烟尘控制领域应用较少。为此，本文以直径为0.2mm不锈钢丝为振弦，研究风速、振弦丝层数、振弦丝间距对振弦栅除雾效率的影响，并将纤维过滤理论引入湿式振弦除雾机理研究中，给出了整个振弦栅的除雾效率理论式，以期对拓展湿式振弦除尘器的应用提供依据。

1 分离机理描述

1.1 单根振弦丝的除雾效率

振弦除尘器振弦栅是由多层不锈钢丝组成，其排布结构如图1所示。分析整个振弦栅的气液分离的作用，主要是确定单根振弦丝的分离机理。

图1 振弦栅的排布结构Fig.1 Arrangement structure of vibrating grid

单根振弦丝是理想的圆柱状捕集体，其除雾机理如图2所示。当没有人为给雾滴和振弦荷电时，静电的作用可忽略。扩散效应对极小的微粒有作用，因为气流通过振弦栅的时间较短（0.05s以内），扩散作用趋于0，所以重力沉降对大颗粒作用较明显，但由于振弦栅的速度较快（3～10 m／s），对于小于50μm雾滴，其重力沉降作用极小，于是单根振弦丝的除雾机理主要有拦截、惯性碰撞的复合作用。

图2 单根振弦丝的除雾机理Fig.2 Mist separation mechanism of the single vibrating grid wire

分析单根振弦丝的分离机理，首先需根据雷诺数判定绕孤立圆柱振弦丝流动的流态，即：

式中：ρ为空气密度，常温下ρ为1.2kg／m3；v0为离捕集体“很远处”来流风速，m／s；df为圆柱体直径，m；μ为空气动力黏度，常温下μ为1.8×10－5Pa·s。

当Ref≤10时，服从黏性流模型；当Ref＞10时，可用势流模型近似。振弦除尘器的风速通常为3～10m／s；对于直径为0.2mm振弦丝，由式（1）可得雷诺数Ref为40～150，属势流。

在势流情况下，单根振弦丝对雾滴的拦截效率为

式中：R 为拦截参数，R＝dw／df，其中dw为雾滴直径，m。

在势流情况下，单根振弦丝对雾滴的惯性碰撞效率近似计算式为

式中：ρw为雾滴密度，常温下水的密度ρw为1×103kg／m3。

例如，当振弦丝直径df为0.2mm、风速分别为3和5m／s时，根据式（2）和式（3）得出惯性碰撞以及拦截作用下单根振弦丝的除雾效率随着粒径的变化关系，如图3所示。从图3可知，拦截效率与风速无关，惯性碰撞效率随着风速增加而提高。

单根振弦丝的除雾效率是惯性碰撞和拦截机理的复合作用，但并不能简单地认为是两种机理的简单叠加。以串联模式计算多种机理的复合作用为［10］

图3 振弦惯性碰撞和拦截除雾效率随着雾滴直径的变化关系Fig.3 Variation of the inertial collision and interception demisting efficiency for the vibrating grid with the droplet diameter

式中：ηs为复合机理除雾效率；ηR为拦截效应单独作用时的除雾效率；ηI为惯性碰撞效应单独作用时的除雾效率。

1.2 振弦栅的除雾效率

实际应用中，振弦栅是多层多根振弦丝的集合体（见图1），除雾过程是多个孤立振弦丝的共同作用。整个振弦栅的除雾效率计算类似于纤维层过滤，其总效率的推导结果为［11］

式中：β为振弦栅填充率；ηs为单根振弦丝复合除雾效率；a为振弦丝半径，m；H为振弦栅厚度，m。

振弦栅填充率为

式中：n1为单层振弦丝根数；n2为振弦丝层数；l为振弦栅高度，m；A为振弦栅迎风面积，m2。

2 实验研究

2.1 实验系统

图4 除雾特性实验系统示意图Fig.4 Schematic diagram of the mist separation experimental system

实验系统如图4所示，其核心单元是振弦栅，由多层振弦丝构成。单层振弦丝是在300mm×300mm正方形框架上平行穿拉直径为0.2mm的不锈钢丝，不锈钢丝间距分别为1.5、3mm。

除尘器内气流速度由变频风机控制。为保证雾化效果，采用气液两相喷嘴。通过改变压缩空气供气量和供水量，调节气液两相喷嘴的喷雾粒径。雾滴粒径分布用Winner313型激光粒度分析仪测定，实验所用喷嘴所产生的水雾中位径范围为29～128μm。

2.2 除雾效率测定

喷雾进入除尘器后，在未到达振弦栅前，有部分水雾喷到除尘器边壁或沉降到底部，由沉降水斗收集。未沉降的水雾通过振弦丝被捕集，顺着振弦丝流入除雾水斗。沉降水斗和除雾水斗集水量由量筒测定。未被捕集的水雾随着气流经过风机排入大气中。

在除雾时间t内，喷入除尘器内的总水量为

式中：Q为液体流量计显示的水流量，mL／s；t为实验时间，s。

振弦除尘器的除雾效率为

式中：V1为除雾水斗集水量，mL；V2为沉降水斗集水量，mL。

2.3 实验结果分析

图5为水雾中位径为29.35μm、振弦丝为16层、弦丝间距为3mm时，除雾效率随着气流速度的变化关系。由图5可看出，风速为3～5m／s时，除雾效率随着风速变化不大。

图5 除雾断面气流速度对除雾效率的影响Fig.5 Effect of the sectional wind velocity on the mist separation efficiency

表1为水雾中位径为29.35μm、除尘器断面风速为5m／s、振弦丝间距分别为1.5和3mm时，除雾效率随着振弦丝层数变化的实验结果。由表1可看出，振弦除尘器的除雾效率随着振弦栅层数的增多而明显增加。

表2为气流速度为5m／s、振弦丝为16层、振弦丝间距分别为3和1.5mm时，除雾效率随着雾滴中位径变化的实验结果。由表2可看出，随着雾滴直径的增加，振弦栅的除雾效率增大。需要说明的是，振弦丝是在框架钻孔，用手工穿制，要使振弦丝间距小于1mm，在其工艺上有一定的困难。另外，气液两相喷嘴在喷射小于29 μm的水雾时，其稳定性较差。所以本研究仅讨论的雾径范围为29～128μm、振弦丝间距分别为1.5和3mm的情况。

表1 振弦丝层数对除雾效率的影响Table1 Effect of the layers of the vibrating grids on the mist separation efficiency

表2 雾滴粒径对除雾效果的影响Table2 Effect of the droplet diameter on the mist separation efficiency

3 理论值与实验值对比分析

在振弦丝直径df为0.1mm、振弦丝为16层、振弦栅厚度H为90mm、风速v0为5m／s的条件下，由式（2）、式（3）、式（5）和式（6）计算出振弦栅除雾效率随着振弦丝间距变化的理论值与实验值对比如图6所示。

图6 振弦栅除雾效率理论值与实验值对比Fig.6 Comparison of the theoretical and experimental values of the mist separation efficiency for the vibrating grid

由图6可看出，在雾滴直径为29～128μm、弦丝间距分别为1.5和3mm的情况下，其理论计算值与实验值相吻合。

4 结论

（1）在3～5m／s过滤风速范围内，随着流速的增加，振弦除尘器的气液分离作用有所增强，但并不明显。随着振弦丝层数的增多，振弦除尘器的除雾效率明显提高。

（2）当雾滴直径大于50μm，单根除雾效率达到100%，但这并不意味着整个振弦栅的除雾效率趋于100%，因为较大的雾滴会从振弦丝之间透过，其分离作用取决于振弦丝间距和层数。振弦除尘器的除雾效率随着振弦丝间距的减小而急速提高。

（3）在雾径为29～100μm、振弦丝间距分别为1.5和3mm的情况下，振弦栅除雾效率的理论值与实验值相吻合。

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