湿式除尘与气水雾化机理研究

苏保忠　张朝宣

摘 要 粉尘浓度是影响煤矿通风质量和通风安全的重要因素，喷雾降尘是降低粉尘浓度的有效方法。本文综合考虑湿式除尘多种机理的综合作用推导出改进的喷雾液滴群捕尘效率计算模型，并通过对气水雾化的机理研究得到气水喷嘴雾化效果的影响因素，对评价湿式除尘效果和设计新型气水喷嘴具有指导意义。

关键词 粉尘浓度 湿式除尘 机理 气水雾化

中图分类号：TD714.42 文献标识码：A

Study on Wet Dust Removal and Air-water Atomization Mechanisms

SU Baozhong， ZHANG Chaoxuan

（Pingdingshan Tianan coal Limited by Share Ltd No.5 Coal Mine， Pingdingshan， He'nan 467100）

Abstract Dust concentration is an important factor which affects the safety of coal mine ventilation quality and safety， and spray dust-settling is one of the effective methods to reduce dust concentration. This paper considers comprehensively kinds of wet dust removal mechanisms to deduce the modified calculation model of the spray droplet group collecting efficiency and air-water atomization is researched to get the influencing factor of atomization effect of air atomizing nozzle. The study has a guiding significance when evaluate the efficiency of wet dust removal and design new kind of Gas-water nozzle.

Key words dust concentration； wet dust removal； mechanisms； air-water atomization

0 引言

煤矿井下风流中粉尘浓度是影响通风质量和通风安全的重要因素。喷雾降尘是降低井下风流中粉尘浓度的重要方法，研究湿式除尘与气水雾化机理对于评价井下湿式降尘效果和研究新型气水喷嘴有着重要的意义。

国内外学者对于湿式除尘机理做了大量研究，但是并没有全面考虑惯性、重力、截留、静电、扩散沉降等因素对喷雾液滴捕尘效率的影响。本文综合考虑各种因素推导出改进的捕尘效率计算模型。气水喷嘴是湿式除尘机械设备的关键部分，本文研究气水雾化机理得出影响气水喷嘴雾化效果的重要因素。改进的捕尘效率计算模型和影响气水喷嘴雾化效果的因素对于评价湿式降尘效果、设计气水喷嘴有着重要的指导作用。

1 湿式除尘机理研究

1-惯性碰撞捕集；2-截留捕集；3-布朗扩散捕集；4-重力捕集； 5-静电捕集。

图1 湿式除尘机理示意图

湿式除尘中，气流中的粉尘主要靠液滴来捕集。水与含尘气流的接触方式大致有水滴、水膜和气泡三种方式。湿式除尘涉及多种机理的联合作用，根据不同粒径粉尘在流体中运动的特征，湿式除尘机理涉及惯性、重力、截留、扩散沉降等，这些机理的捕集过程如图1所示。

1.1 单一液滴捕集效率

1.1.1 惯性碰撞捕集

粒径较大的尘粒在运动中与液滴碰撞，惯性碰撞捕集效率与尘粒与液滴的相对速度、尘粒的直径、密度和液滴的性质有关。由Wong和Johnstone提出的孤立液滴捕集效率与实验较吻合：

= （1）

式中：

=

—— 孤立液滴惯性碰撞捕集效率；

——库宁汉滑动修正系数；

——尘粒直径，m；

——尘粒密度，kg/m3；

—— 孤立液滴惯性碰撞捕集效率；

—— 无因次惯性参数，称斯托克斯数；

—— 尘粒与液滴的相对速度，m/s；

—— 液滴定性尺寸，m，对于球形液滴为其直径；

—— 气体动力粘度，Pa·s，标准状态下空气动力粘度为1.8？05Pa·s。

1.1.2 重力捕集

含尘气流在运动时，粒径和密度大的尘粒可能因重力作用自然沉降下来被液滴捕集。重力作用取决于尘粒的大小，密度和气体流速。只有尘粒较大、密度大、空气流速小时重力作用才比较明显，其捕集效率通常用无因次沉降参数表示：

= = （2）

式中：

—— 孤立液滴重力效应捕集效率；

——重力加速度，m/s2；

—— 气体运动粘度，m2/s；

——气体流速，m/s。

1.1.3 截留捕集

当尘粒随气流直接向液滴运动时，若尘粒与液滴的距离在dp/2以内，该尘粒将被液滴吸引并捕集。分析截留作用机理时假定尘粒只有一定尺寸而无质量，表征截留作用的是无量纲截留参数：

= （3）

尘粒很小时，截留捕集效率增高，势流中球形液滴捕集效率可用式（4）计算：

= ≈3 （<0.1） （4）

对于粘性流，有：

= + （5）

式中：

—— 孤立液滴截留捕集效率。

1.1.4 布朗扩散捕集

微细尘粒随气流运动时，由于布朗扩散作用，而沉积在液滴上。它随流速的降低，粉尘直径的减小而增强。对于小于1m的尘粒，要考虑扩散作用。布朗扩散沉降效率取决于捕集体的质量传递皮克莱数Pe和捕集体的雷诺数Re。

皮克莱数是捕集过程中扩散沉降相对重要性的量度，Pe定义为 ：

= （6）

式中： —— 尘粒扩散系数，m2/s，可以由爱因斯坦公式计算。

另一有关的无因次数——密斯特数Sc，可按式（7）定义。

= = （7）

由式（7）可知：

=

式中：

—— 气体密度，kg/m3；

Crawford导出布朗扩散捕集效率计算公式如式（8）。

= 4.18 （8）

1.1.5 静电捕集

呼吸性粉尘惯性小在将要与水雾粒碰撞时要改变其运动轨迹而绕雾粒运动，难以被水雾捕捉。静电捕集就是用大量带电荷的雾粒，利用电荷之间的库仑力来有效捕捉微细粉尘。

水雾粒与尘粒带同性电荷时水雾和尘粒相互排斥，水雾对呼吸性粉尘捕集效率非常低。

水雾粒与尘粒带异性电荷时，水雾的捕尘效率可以用式（9）表示：

= 2 / （3） （9）

式中： ——比例常数，为8.9880？09N·m2·C-2；

——修正系数；

——粘附系数，为接触到水雾粒的尘粒被捕集的比例，≤1；

——水雾粒扫描面积的重叠系数，<1；

——雾粒密度，m-3；

——水雾粒的电荷量，C；

——尘粒的电荷量，C；

——尘粒运动时间，s；

——系数，≤1。

水雾粒带电荷而尘粒不带电荷时，水雾的捕尘效率可以用式（10）表示：

= （10）

式中：

——尘粒介电常数；

——水雾介电常数；

——真空介电常数；

单个液滴综合捕尘效率是由所有的除尘机理共同决定的：

= （）（）（）（）（） （11）

其中、、、分别为液滴惯性碰撞、截留、布朗扩散、重力效应等机理的捕尘效率。各种机理的联合作用十分复杂式（11）是一种近似计算，我们通常通过实验确定各个机理的捕集效率的实验常数来得到式（11）的简化式（12）。

= + + + + （12）

其中：——实验常数，0<<1， = 1，2，3。

考虑惯性碰撞的主要作用，式（12）可以进一步简化为：

= （13）

其中：——截留、布朗扩散、重力效应等机理引起的捕集效率的实验常数。

1.2 喷雾液滴群捕尘效率

为推导出喷雾液滴群的捕尘效率，假设粉尘随气流运动，液滴运动方向与气流垂直，建立微元控制体如图2：

图2 液滴群捕尘模型示意图

此外，假定液滴的尺寸D皆相同，液滴和尘粒在任一断面上分布均匀，每个液滴捕集尘粒是独立的，并且仅在行程范围内捕集尘粒。对于微元控制体内的粉尘，可以列出质量平衡方程：

= （ + ） + （） （14）

式中 ：

——粉尘浓度，kg/m3 ；

——气体速度，m/s；

——液滴速度，m/s； （下转第66页）（上接第27页）

——气液相对速度， = ，m/s；

——液滴含量，即 = / ；

——液滴作用面积，m2；

——液滴横截面积月液滴体积之比，即 =

由式（14）化简得：

= （15）

设粉尘原始浓度，即 = 0时， = ，液滴的作用长度，将上式积分得：

= （16）

= （） （17）

则除尘效率可以表示为：

= = = （） （18）

2 小结

（1）对湿式除尘机理进行分析，综合考虑截留、布朗扩散、重力效应等机理的综合作用，推导了喷雾液滴群降尘效率的计算模型。

（2）对气水喷雾雾化机理及其影响因素进行分析，借鉴喷雾雾化及湿式除尘等相关理论，分析了喷雾破碎的机理，找出影响雾化效果的主要参数。

参考文献

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