喷雾荷电振弦栅除尘器外设条件试验研究

高宗杰， 邬长福， 陈祖云， 曾明圣， 陈亮

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西 赣州 341000）

随着工业信息化建设的高速发展，物质生活水平得到了极大的丰富和提高，人们对所处周边环境的关注度持续增高，健康发展和安全环保等先进理念深入人心.其中，受到广大人民群众关注的“雾霾”问题重点突出了大气污染的严峻势态[1-3].在此背景下，针对工业排气排尘污染，有研究学者在水雾荷电除尘技术与振弦栅过滤除尘技术的基础上进行优化，提出了新型高效除尘的喷雾荷电振弦栅除尘技术[4-6]，并研制出了试验模型，该技术对大颗粒粉尘及粒径较小的细微粉尘都有不错的捕集效果[7].现今，对喷雾荷电振弦栅除尘器的研究已成为除尘技术研究邻域的一项研究热点，并取得了一些研究成果[8-11].

喷雾荷电振弦栅除尘器除尘效果的优劣受诸多因素的影响，经大量试验研究发现：电晕电压、喷雾水压、入口平均粉尘浓度对该除尘器除尘效率影响较大，风速也在一定程度上影响除尘效率[12-13].针对该除尘器除尘效率的外设影响因素的研究中，对该4个影响因素及其之间相互作用进行的研究较少.基于此情况，文中在对喷雾系统及振弦栅过滤系统配置保持不变的试验条件下，详细研究了外加电晕电压、喷雾水压、入口平均粉尘浓度与风速对除尘效率的影响，运用SPSS数学软件分析这四个因素对除尘效率的影响程度，并建立回归模型，可确保喷雾荷电振弦纤维栅除尘器获得良好的除尘效果，并促进该除尘器在工业上的应用.

1 试验装置及方法

试验装置结构示意图如图1所示，主要是由发尘器、抽出式通风系统、供水系统、供电系统、喷雾荷电系统和振弦纤维栅除尘系统六部分组成，采用经过干燥处理的270目腻子粉作为尘源.含尘气流从除尘器左侧进风管进入，经过荷电水雾系统的捕集，振弦纤维栅的拦截清灰等综合除尘机理作用，最后通过风机出口排出.其中，调整发尘器导管倾斜角度改变发尘速率将影响入口平均粉尘浓度；设置不同风机档数将改变风速大小；改变供水系统中的进水口水压将得到不同的喷雾水压；调节供电系统的电压将改变电晕电压的大小.喷雾荷电系统和振弦纤维栅除尘系统作为对粉尘的捕集和沉降过滤系统，为使荷电水雾振弦纤维栅过滤除尘器达到最佳除尘效果，确定以入口平均粉尘浓度、风速、喷雾水压及电晕电压为外设影响因素，通过控制变量法试验得出各影响因素对除尘效率的影响.

图1 喷雾荷电振弦栅除尘器示意

除尘效率是衡量装置除尘性能的重要指标，本试验采用称重法计算除尘效率，即用含尘气流在流经除尘箱体时减少的粉尘量占入口处粉尘总量的百分比η表示除尘效率值，其算式为：

式 （1）中，ΔM1为除尘箱体入口测点采样质量，g；ΔM2为除尘箱体出口测点采样质量，g.测定进、出口粉尘浓度时采用等速采样法，采样重复三次，最终结果取平均值，按除尘效率分级计算.经测试表明外设影响因素变化对除尘器阻力影响极小，可忽略不计，且除尘器在某一风档时的阻力损失为定值，此时除尘箱体风速也为定值.因此，本试验中风速试验变量只与风档相关，不受外设因素影响，测得空气密度均为1.172 kg/m3.同时在振弦纤维栅最优配置基础上，本试验设置3块间隙0.6 mm尼龙纤维栅板，且纤维栅板距喷嘴最小间距为18.5 cm，试验过程中不改变对振弦纤维栅的设置，只对其进行清灰烘干处理.

2 试验过程及其分析

为详细探究入口平均粉尘浓度、风速、喷雾水压及电晕电压对荷电水雾振弦栅过滤除尘器除尘效率的影响，文中采用了控制变量的方法进行试验.由于试验数据众多，仅选择最具代表性的工况进行介绍，其余工况均具有相同的变化趋势，仅在变化幅度上有所区别.

2.1 入口平均粉尘浓度

在测定入口平均粉尘浓度过程中，由于管道流体状态不稳定使得实际粉尘浓度较难测定，因此本试验利用采样称重和风速测定推算得出粉尘浓度，并且只能得到平均粉尘浓度，其表达式为:

式（2）中，mv为发尘器发尘速率，g/s；S 为导管截面积，m2；vn为测点风速，m/s.由计算公式可知，实际管道中粉尘浓度随风速变化而变化，两因素存在交互作用，当发尘速率一定时，管道内风速变化导致其流体状态变化，故计算所得粉尘浓度均为理论值.因此，本次试验中保持入口风速固定，使流体状态稳定，调整发尘器导管倾斜角度改变发尘速率，测得发尘速率后再计算出平均粉尘浓度.设置喷嘴喷雾水压为0.5 MPa，电晕电压为15 kV、20 kV、25 kV，3档风速为 4.43 m/s、4档风速为 8.25 m/s的试验条件进行多组对比试验，选取发尘器不同倾角对应的不同发尘速率分别为0.22 g/s、0.47 g/s、0.58 g/s、0.82 g/s和0.94 g/s，共取五个测点分别得到五个不同入口平均粉尘浓度的除尘效率，从而得出除尘效率随入口平均粉尘浓度变化曲线图，见图2.

图2 入口平均粉尘浓度对除尘效率的影响

从图2可知，除尘效率随粉尘浓度增大而先增后减，且本试验模型对于低浓度粉尘的除尘效果较好，当粉尘浓度达到一定值后除尘效率急剧下降.分析可能原因是随着粉尘浓度的增加，喷雾荷电捕集粉尘粒子和振弦纤维栅对含尘气流的过滤作用综合效应慢慢发挥作用，使得除尘效果越来越明显，效率增加，随后受到本试验除尘器模型体积大小的限制，粉尘处理量受限，使得除尘效率出现急剧下降的趋势.通过对比图 2（a）、图 2（b）可知，在相同的电晕电压条件下，4档风速的除尘效率比3档风速的更高；除尘效率随着电晕电压的升高而增加，并且除尘效率的最大值都出现在发尘速率为0.47 g/s的时刻，此时发尘器导尘管倾角约为35°并通过计算得出入口平均粉尘浓度为1.89 g/m3.根据试验结果及分析结论，选定入口平均粉尘浓度1.89 g/m3为最佳值.

2.2 电场风速

在现有的除尘器试验模型上进行试验，采用风量调节阀的方式来调节风速，共设有六个不同的控制档位.不同条件下的平均入口风速可通过入口测点测得的平均动压值Hv1和空气密度ρ计算，由于流体密度为湿空气密度近似值，推算所得风速只作为对比参数，不作为实测值.其计算式为：

由于管道中风速的改变会影响粉尘浓度的大小，两者之间存在交互作用，计算时管道内流体状态不作考虑.本次试验仅考虑入口风速单因素对除尘效率影响，通过不同风速计算所得的平均粉尘浓度仅用于后续的相关性分析.试验条件设置相同的喷雾水压为0.5 MPa，电晕电压为15 kV、20 kV、25 kV，在发尘速率分别为0.2 g/s、0.6 g/s的试验条件下进行多组试验，调节风挡，得到风速对降尘效率的影响见图3.

图3 电场风速对除尘效率的影响

由图3可知在发尘速率为0.2 g/s、0.6 g/s的试验条件下得到的电场风速与除尘效率的关系曲线，当发尘速率为 0.6 g/s，风速为 1 档（1.81 m/s）、2 档（1.95 m/s）时，由于风速较小并且粉尘浓度较大，受到试验除尘箱体体积及处理风量的限制，得出的除尘效率极低，不具有实际意义及讨论价值，所以未在图3（b）显示.从图3中可知，在同一发尘速率的条件下，随着风速的增大，除尘效率先增大后逐渐稳定.分析其可能原因是风速的增大使得箱体内粉尘粒子在风流的驱动下较为有序的经过喷雾区和荷电区，然后在振弦纤维栅过滤部分受到惯性碰撞、拦截、重力、凝并沉降等多种机理的综合作用被捕集下来，使得除尘效率表现为显著的增大.而当电场风速达到一定值后，随着风速的进一步增大，纤维栅的振动幅度增大，使得含尘水雾颗粒可能会穿越纤维栅的空隙，从而减小了纤维栅上形成净化液膜的几率，振弦纤维栅的净化效率趋于稳定.综合图 3（a）、图 3（b）可知，V=8.25 m/s后的除尘效率已逐渐稳定，结合风速与除尘阻力关系考虑，选定4档风速为最佳.

2.3 喷雾水压

水的雾化是喷雾荷电振弦栅除尘器的关键环节，雾化质量直接影响到呼吸性粉尘的捕集效率，尤其是针对细微颗粒粉尘，需要有相应粒径水雾和水雾密度才能有效去除.其中，外加水压的不同将改变雾化流量，进而影响到雾化质量[14].本次试验在结合已有研究成果的基础上，采用hyd型低压精细实心锥形喷雾除尘喷嘴[15]，单独考虑外加水压对除尘效率的影响.试验时选定电晕电压为2 kV，试验风速调至4档，此时入口风速V=8.16 m/s，入口平均粉尘浓度C=8.1×10-4kg/m3，喷雾水压仅影响雾化过程，与其他因素不存在交互作用，仅选择最具代表性的一组工况进行介绍，其余工况变化趋势相同.试验结果如图4所示.

图4 喷雾水压对除尘效率影响

由图4可知，除尘效率随喷雾水压的升高逐渐提高，分析其原因是随着喷雾水压的升高，除尘箱体内部的喷雾区的雾化压力在不断增大，喷嘴的流量也不断增大，雾化液滴数量也相应增多，喷嘴内水流被雾化程度越高，雾粒越分散，增大了水雾与电荷及粉尘微粒的接触面积，进而除尘效率也逐渐提高.在达到一定压力时，由于受喷嘴自身结构参数的影响，流量变化率逐渐减小，除尘效率变化率也逐渐减小，因此确定喷雾水压为0.5 MPa的除尘效果最佳.

2.4 电晕电压

静电对提高喷雾荷电振弦栅过滤除尘器的降尘效率，特别是对提高呼吸性粉尘的捕集效率起着重要作用.水雾电晕荷电与电除尘器原理完全相同，是通过高压电极的尖端电晕放电所产生的离子与雾化液滴接触而使其带上电荷[16].本次试验采用环形电晕极，粉尘粒子受气流运动影响在雾化区与水滴结合成含尘水雾颗粒，然后经过连接负高压电源的电晕极周围形成的电晕区域，与空气中的粉尘及正、负离子结合形成荷电含尘雾滴，最后在作为收尘极的接地纤维栅板上被捕集[17].试验过程设置喷雾水压为0.5 MPa，发尘速率为0.2 g/s，分别在两组不同的风速条件下试验，选定电晕电压区间为5～30 kV，结果如图5所示.

图5 电晕电压对除尘效率影响

由图5曲线规律可知除尘效率随电晕电压升高而逐渐增大，但电晕电压升到一定值时其增幅逐渐平缓.分析其原因是在一定的试验条件下，加大电晕电压，平均电场强度随之升高，使得进入该区域的雾滴电晕荷电几率增大，从而有效地提高了水雾荷质比，使得除尘效率得到提高；当电场强度达到一定值时，电晕极电离量逐渐达到饱和，此时含尘水雾荷电量增幅减小，纤维栅捕集带电含尘雾粒的效率也逐渐稳定.对比分析图5（a）、图 5（b），在相同的发尘速率和电晕电压下，风速更大得到的除尘效率也更高.本次试验中，电晕电压为30 kV时的除尘效率已趋于稳定，因此选定电压为30 kV最佳.

3 外设影响因素数据分析

各外设影响因素与除尘效率之间的相互关系通过SPSS软件中的相关及回归方法进行分析，将以上四因素皆作为自变量，除尘效率为因变量输入软件程序内，进行相关性及线性回归分析.分析结果如下：

1）相关性分析

通过表1相关性分析结果可知各变量间的相关性系数及显著水平.如表1中前两列所示，在0.05水平上的双侧显著性排序为：电晕电压＞喷雾水压＞电场风速＞入口平均粉尘浓度.并根据表格中各因素与除尘效率的Pearson相关性得出相关性系数为：电晕电压0.557，喷雾水压0.538，入口风速0.183，入口平均粉尘浓度-0.139，其中电晕电压和喷雾水压与除尘效率显著正相关.以上相关性系数表明的是各因素在数学统计原理上对于除尘效率的影响程度，其排序与显著性保持一致.所得结果对工程实践具有一定的指导意义，在荷电水雾振弦纤维栅过滤除尘器的工业应用时，可优先考虑通过采用合适的电晕电压与喷雾水压来获得更好的除尘效率.

2）线性回归分析

表2中Sig值代表四因素综合分析后的各因素相对于除尘效率的显著性水平系数.对比Sig值可知，除尘器工作受四因素综合作用时电晕电压、喷雾水压、入口平均粉尘浓度对除尘效率显著，电场风速不显著.

在本试验条件及试验电晕电压5～35 kV区间内，综合以上数据分析以及数据的分布检验可知，该模型以及模型中所有自变量的系数和常数项均有统计学意义，可得在试验取值范围内四因素综合效应的除尘效率经验公式：

式（4）中，X1为电晕电压值，kV；X2为喷雾水压值，MPa；X3为电场风速值，m/s；X4为入口平均粉尘浓度，g/m3.

对得出的线性回归方程进行带入无序数据检验得到表3，由表3可以看出：该回归方程在现行试验条件下的数据计算的除尘效率与实测值误差均小于3%，认为经抽样检验后在特定工作条件下该方程可行，具有一定的指导意义.

表1 相关性分析结果

表2 回归模型系数

表3 数据检验

4 结 论

1）在喷雾荷电振弦栅除尘器为试验主体设备的条件下，试验得出各因素作用下除尘效率变化曲线，根据试验结果可知：除尘效率（η）随电晕电压（E）、喷雾水压（P）和电场风速（V）增大都呈现增大的趋势，随着入口粉尘浓度（Q）的增大则呈现先增大后减小的变化规律.在试验取值范围内,除尘效率的相对标准偏差基本在5%以内，数据的重复性较好.

2）利用SPSS软件处理数据得到E、P、V和Q的相关性系数分别为：0.557、0.538、0.183、-0.139，其中电晕电压和喷雾水压与除尘效率显著正相关；结果表明各因素对除尘效率的影响顺序为：E＞P＞V＞Q.因此，在荷电水雾振弦纤维栅过滤除尘器的工业应用时，可优先考虑通过采用合适的电晕电压与喷雾水压来获得更好的除尘效率.

3）由各影响因素与除尘效率之间的相互关系得出除尘效率经验公式，为：

η=66.348+0.616E+31.829P-0.1V-2.154Q.

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