高宗杰， 鄔長(zhǎng)福， 陳祖云， 曾明圣， 陳亮

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

隨著工業(yè)信息化建設(shè)的高速發(fā)展，物質(zhì)生活水平得到了極大的豐富和提高，人們對(duì)所處周邊環(huán)境的關(guān)注度持續(xù)增高，健康發(fā)展和安全環(huán)保等先進(jìn)理念深入人心.其中，受到廣大人民群眾關(guān)注的“霧霾”問(wèn)題重點(diǎn)突出了大氣污染的嚴(yán)峻勢(shì)態(tài)[1-3].在此背景下，針對(duì)工業(yè)排氣排塵污染，有研究學(xué)者在水霧荷電除塵技術(shù)與振弦柵過(guò)濾除塵技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提出了新型高效除塵的噴霧荷電振弦柵除塵技術(shù)[4-6]，并研制出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該技術(shù)對(duì)大顆粒粉塵及粒徑較小的細(xì)微粉塵都有不錯(cuò)的捕集效果[7].現(xiàn)今，對(duì)噴霧荷電振弦柵除塵器的研究已成為除塵技術(shù)研究鄰域的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)，并取得了一些研究成果[8-11].

噴霧荷電振弦柵除塵器除塵效果的優(yōu)劣受諸多因素的影響，經(jīng)大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：電暈電壓、噴霧水壓、入口平均粉塵濃度對(duì)該除塵器除塵效率影響較大，風(fēng)速也在一定程度上影響除塵效率[12-13].針對(duì)該除塵器除塵效率的外設(shè)影響因素的研究中，對(duì)該4個(gè)影響因素及其之間相互作用進(jìn)行的研究較少.基于此情況，文中在對(duì)噴霧系統(tǒng)及振弦柵過(guò)濾系統(tǒng)配置保持不變的試驗(yàn)條件下，詳細(xì)研究了外加電暈電壓、噴霧水壓、入口平均粉塵濃度與風(fēng)速對(duì)除塵效率的影響，運(yùn)用SPSS數(shù)學(xué)軟件分析這四個(gè)因素對(duì)除塵效率的影響程度，并建立回歸模型，可確保噴霧荷電振弦纖維柵除塵器獲得良好的除塵效果，并促進(jìn)該除塵器在工業(yè)上的應(yīng)用.

1 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要是由發(fā)塵器、抽出式通風(fēng)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、噴霧荷電系統(tǒng)和振弦纖維柵除塵系統(tǒng)六部分組成，采用經(jīng)過(guò)干燥處理的270目膩?zhàn)臃圩鳛閴m源.含塵氣流從除塵器左側(cè)進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入，經(jīng)過(guò)荷電水霧系統(tǒng)的捕集，振弦纖維柵的攔截清灰等綜合除塵機(jī)理作用，最后通過(guò)風(fēng)機(jī)出口排出.其中，調(diào)整發(fā)塵器導(dǎo)管傾斜角度改變發(fā)塵速率將影響入口平均粉塵濃度；設(shè)置不同風(fēng)機(jī)檔數(shù)將改變風(fēng)速大小；改變供水系統(tǒng)中的進(jìn)水口水壓將得到不同的噴霧水壓；調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)的電壓將改變電暈電壓的大小.噴霧荷電系統(tǒng)和振弦纖維柵除塵系統(tǒng)作為對(duì)粉塵的捕集和沉降過(guò)濾系統(tǒng)，為使荷電水霧振弦纖維柵過(guò)濾除塵器達(dá)到最佳除塵效果，確定以入口平均粉塵濃度、風(fēng)速、噴霧水壓及電暈電壓為外設(shè)影響因素，通過(guò)控制變量法試驗(yàn)得出各影響因素對(duì)除塵效率的影響.

圖1 噴霧荷電振弦柵除塵器示意

除塵效率是衡量裝置除塵性能的重要指標(biāo)，本試驗(yàn)采用稱重法計(jì)算除塵效率，即用含塵氣流在流經(jīng)除塵箱體時(shí)減少的粉塵量占入口處粉塵總量的百分比η表示除塵效率值，其算式為：

式 （1）中，ΔM1為除塵箱體入口測(cè)點(diǎn)采樣質(zhì)量，g；ΔM2為除塵箱體出口測(cè)點(diǎn)采樣質(zhì)量，g.測(cè)定進(jìn)、出口粉塵濃度時(shí)采用等速采樣法，采樣重復(fù)三次，最終結(jié)果取平均值，按除塵效率分級(jí)計(jì)算.經(jīng)測(cè)試表明外設(shè)影響因素變化對(duì)除塵器阻力影響極小，可忽略不計(jì)，且除塵器在某一風(fēng)檔時(shí)的阻力損失為定值，此時(shí)除塵箱體風(fēng)速也為定值.因此，本試驗(yàn)中風(fēng)速試驗(yàn)變量只與風(fēng)檔相關(guān)，不受外設(shè)因素影響，測(cè)得空氣密度均為1.172 kg/m3.同時(shí)在振弦纖維柵最優(yōu)配置基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)設(shè)置3塊間隙0.6 mm尼龍纖維柵板，且纖維柵板距噴嘴最小間距為18.5 cm，試驗(yàn)過(guò)程中不改變對(duì)振弦纖維柵的設(shè)置，只對(duì)其進(jìn)行清灰烘干處理.

2 試驗(yàn)過(guò)程及其分析

為詳細(xì)探究入口平均粉塵濃度、風(fēng)速、噴霧水壓及電暈電壓對(duì)荷電水霧振弦柵過(guò)濾除塵器除塵效率的影響，文中采用了控制變量的方法進(jìn)行試驗(yàn).由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)眾多，僅選擇最具代表性的工況進(jìn)行介紹，其余工況均具有相同的變化趨勢(shì)，僅在變化幅度上有所區(qū)別.

2.1 入口平均粉塵濃度

在測(cè)定入口平均粉塵濃度過(guò)程中，由于管道流體狀態(tài)不穩(wěn)定使得實(shí)際粉塵濃度較難測(cè)定，因此本試驗(yàn)利用采樣稱重和風(fēng)速測(cè)定推算得出粉塵濃度，并且只能得到平均粉塵濃度，其表達(dá)式為:

式（2）中，mv為發(fā)塵器發(fā)塵速率，g/s；S 為導(dǎo)管截面積，m2；vn為測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，m/s.由計(jì)算公式可知，實(shí)際管道中粉塵濃度隨風(fēng)速變化而變化，兩因素存在交互作用，當(dāng)發(fā)塵速率一定時(shí)，管道內(nèi)風(fēng)速變化導(dǎo)致其流體狀態(tài)變化，故計(jì)算所得粉塵濃度均為理論值.因此，本次試驗(yàn)中保持入口風(fēng)速固定，使流體狀態(tài)穩(wěn)定，調(diào)整發(fā)塵器導(dǎo)管傾斜角度改變發(fā)塵速率，測(cè)得發(fā)塵速率后再計(jì)算出平均粉塵濃度.設(shè)置噴嘴噴霧水壓為0.5 MPa，電暈電壓為15 kV、20 kV、25 kV，3檔風(fēng)速為 4.43 m/s、4檔風(fēng)速為 8.25 m/s的試驗(yàn)條件進(jìn)行多組對(duì)比試驗(yàn)，選取發(fā)塵器不同傾角對(duì)應(yīng)的不同發(fā)塵速率分別為0.22 g/s、0.47 g/s、0.58 g/s、0.82 g/s和0.94 g/s，共取五個(gè)測(cè)點(diǎn)分別得到五個(gè)不同入口平均粉塵濃度的除塵效率，從而得出除塵效率隨入口平均粉塵濃度變化曲線圖，見(jiàn)圖2.

圖2 入口平均粉塵濃度對(duì)除塵效率的影響

從圖2可知，除塵效率隨粉塵濃度增大而先增后減，且本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)于低濃度粉塵的除塵效果較好，當(dāng)粉塵濃度達(dá)到一定值后除塵效率急劇下降.分析可能原因是隨著粉塵濃度的增加，噴霧荷電捕集粉塵粒子和振弦纖維柵對(duì)含塵氣流的過(guò)濾作用綜合效應(yīng)慢慢發(fā)揮作用，使得除塵效果越來(lái)越明顯，效率增加，隨后受到本試驗(yàn)除塵器模型體積大小的限制，粉塵處理量受限，使得除塵效率出現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì).通過(guò)對(duì)比圖 2（a）、圖 2（b）可知，在相同的電暈電壓條件下，4檔風(fēng)速的除塵效率比3檔風(fēng)速的更高；除塵效率隨著電暈電壓的升高而增加，并且除塵效率的最大值都出現(xiàn)在發(fā)塵速率為0.47 g/s的時(shí)刻，此時(shí)發(fā)塵器導(dǎo)塵管傾角約為35°并通過(guò)計(jì)算得出入口平均粉塵濃度為1.89 g/m3.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及分析結(jié)論，選定入口平均粉塵濃度1.89 g/m3為最佳值.

2.2 電場(chǎng)風(fēng)速

在現(xiàn)有的除塵器試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行試驗(yàn)，采用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的方式來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)速，共設(shè)有六個(gè)不同的控制檔位.不同條件下的平均入口風(fēng)速可通過(guò)入口測(cè)點(diǎn)測(cè)得的平均動(dòng)壓值Hv1和空氣密度ρ計(jì)算，由于流體密度為濕空氣密度近似值，推算所得風(fēng)速只作為對(duì)比參數(shù)，不作為實(shí)測(cè)值.其計(jì)算式為：

由于管道中風(fēng)速的改變會(huì)影響粉塵濃度的大小，兩者之間存在交互作用，計(jì)算時(shí)管道內(nèi)流體狀態(tài)不作考慮.本次試驗(yàn)僅考慮入口風(fēng)速單因素對(duì)除塵效率影響，通過(guò)不同風(fēng)速計(jì)算所得的平均粉塵濃度僅用于后續(xù)的相關(guān)性分析.試驗(yàn)條件設(shè)置相同的噴霧水壓為0.5 MPa，電暈電壓為15 kV、20 kV、25 kV，在發(fā)塵速率分別為0.2 g/s、0.6 g/s的試驗(yàn)條件下進(jìn)行多組試驗(yàn)，調(diào)節(jié)風(fēng)擋，得到風(fēng)速對(duì)降塵效率的影響見(jiàn)圖3.

圖3 電場(chǎng)風(fēng)速對(duì)除塵效率的影響

由圖3可知在發(fā)塵速率為0.2 g/s、0.6 g/s的試驗(yàn)條件下得到的電場(chǎng)風(fēng)速與除塵效率的關(guān)系曲線，當(dāng)發(fā)塵速率為 0.6 g/s，風(fēng)速為 1 檔（1.81 m/s）、2 檔（1.95 m/s）時(shí)，由于風(fēng)速較小并且粉塵濃度較大，受到試驗(yàn)除塵箱體體積及處理風(fēng)量的限制，得出的除塵效率極低，不具有實(shí)際意義及討論價(jià)值，所以未在圖3（b）顯示.從圖3中可知，在同一發(fā)塵速率的條件下，隨著風(fēng)速的增大，除塵效率先增大后逐漸穩(wěn)定.分析其可能原因是風(fēng)速的增大使得箱體內(nèi)粉塵粒子在風(fēng)流的驅(qū)動(dòng)下較為有序的經(jīng)過(guò)噴霧區(qū)和荷電區(qū)，然后在振弦纖維柵過(guò)濾部分受到慣性碰撞、攔截、重力、凝并沉降等多種機(jī)理的綜合作用被捕集下來(lái)，使得除塵效率表現(xiàn)為顯著的增大.而當(dāng)電場(chǎng)風(fēng)速達(dá)到一定值后，隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增大，纖維柵的振動(dòng)幅度增大，使得含塵水霧顆?？赡軙?huì)穿越纖維柵的空隙，從而減小了纖維柵上形成凈化液膜的幾率，振弦纖維柵的凈化效率趨于穩(wěn)定.綜合圖 3（a）、圖 3（b）可知，V=8.25 m/s后的除塵效率已逐漸穩(wěn)定，結(jié)合風(fēng)速與除塵阻力關(guān)系考慮，選定4檔風(fēng)速為最佳.

2.3 噴霧水壓

水的霧化是噴霧荷電振弦柵除塵器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，霧化質(zhì)量直接影響到呼吸性粉塵的捕集效率，尤其是針對(duì)細(xì)微顆粒粉塵，需要有相應(yīng)粒徑水霧和水霧密度才能有效去除.其中，外加水壓的不同將改變霧化流量，進(jìn)而影響到霧化質(zhì)量[14].本次試驗(yàn)在結(jié)合已有研究成果的基礎(chǔ)上，采用hyd型低壓精細(xì)實(shí)心錐形噴霧除塵噴嘴[15]，單獨(dú)考慮外加水壓對(duì)除塵效率的影響.試驗(yàn)時(shí)選定電暈電壓為2 kV，試驗(yàn)風(fēng)速調(diào)至4檔，此時(shí)入口風(fēng)速V=8.16 m/s，入口平均粉塵濃度C=8.1×10-4kg/m3，噴霧水壓僅影響霧化過(guò)程，與其他因素不存在交互作用，僅選擇最具代表性的一組工況進(jìn)行介紹，其余工況變化趨勢(shì)相同.試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 噴霧水壓對(duì)除塵效率影響

由圖4可知，除塵效率隨噴霧水壓的升高逐漸提高，分析其原因是隨著噴霧水壓的升高，除塵箱體內(nèi)部的噴霧區(qū)的霧化壓力在不斷增大，噴嘴的流量也不斷增大，霧化液滴數(shù)量也相應(yīng)增多，噴嘴內(nèi)水流被霧化程度越高，霧粒越分散，增大了水霧與電荷及粉塵微粒的接觸面積，進(jìn)而除塵效率也逐漸提高.在達(dá)到一定壓力時(shí)，由于受噴嘴自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，流量變化率逐漸減小，除塵效率變化率也逐漸減小，因此確定噴霧水壓為0.5 MPa的除塵效果最佳.

2.4 電暈電壓

靜電對(duì)提高噴霧荷電振弦柵過(guò)濾除塵器的降塵效率，特別是對(duì)提高呼吸性粉塵的捕集效率起著重要作用.水霧電暈荷電與電除塵器原理完全相同，是通過(guò)高壓電極的尖端電暈放電所產(chǎn)生的離子與霧化液滴接觸而使其帶上電荷[16].本次試驗(yàn)采用環(huán)形電暈極，粉塵粒子受氣流運(yùn)動(dòng)影響在霧化區(qū)與水滴結(jié)合成含塵水霧顆粒，然后經(jīng)過(guò)連接負(fù)高壓電源的電暈極周圍形成的電暈區(qū)域，與空氣中的粉塵及正、負(fù)離子結(jié)合形成荷電含塵霧滴，最后在作為收塵極的接地纖維柵板上被捕集[17].試驗(yàn)過(guò)程設(shè)置噴霧水壓為0.5 MPa，發(fā)塵速率為0.2 g/s，分別在兩組不同的風(fēng)速條件下試驗(yàn)，選定電暈電壓區(qū)間為5～30 kV，結(jié)果如圖5所示.

圖5 電暈電壓對(duì)除塵效率影響

由圖5曲線規(guī)律可知除塵效率隨電暈電壓升高而逐漸增大，但電暈電壓升到一定值時(shí)其增幅逐漸平緩.分析其原因是在一定的試驗(yàn)條件下，加大電暈電壓，平均電場(chǎng)強(qiáng)度隨之升高，使得進(jìn)入該區(qū)域的霧滴電暈荷電幾率增大，從而有效地提高了水霧荷質(zhì)比，使得除塵效率得到提高；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，電暈極電離量逐漸達(dá)到飽和，此時(shí)含塵水霧荷電量增幅減小，纖維柵捕集帶電含塵霧粒的效率也逐漸穩(wěn)定.對(duì)比分析圖5（a）、圖 5（b），在相同的發(fā)塵速率和電暈電壓下，風(fēng)速更大得到的除塵效率也更高.本次試驗(yàn)中，電暈電壓為30 kV時(shí)的除塵效率已趨于穩(wěn)定，因此選定電壓為30 kV最佳.

3 外設(shè)影響因素?cái)?shù)據(jù)分析

各外設(shè)影響因素與除塵效率之間的相互關(guān)系通過(guò)SPSS軟件中的相關(guān)及回歸方法進(jìn)行分析，將以上四因素皆作為自變量，除塵效率為因變量輸入軟件程序內(nèi)，進(jìn)行相關(guān)性及線性回歸分析.分析結(jié)果如下：

1）相關(guān)性分析

通過(guò)表1相關(guān)性分析結(jié)果可知各變量間的相關(guān)性系數(shù)及顯著水平.如表1中前兩列所示，在0.05水平上的雙側(cè)顯著性排序?yàn)椋弘姇炿妷海緡婌F水壓＞電場(chǎng)風(fēng)速＞入口平均粉塵濃度.并根據(jù)表格中各因素與除塵效率的Pearson相關(guān)性得出相關(guān)性系數(shù)為：電暈電壓0.557，噴霧水壓0.538，入口風(fēng)速0.183，入口平均粉塵濃度-0.139，其中電暈電壓和噴霧水壓與除塵效率顯著正相關(guān).以上相關(guān)性系數(shù)表明的是各因素在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)原理上對(duì)于除塵效率的影響程度，其排序與顯著性保持一致.所得結(jié)果對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義，在荷電水霧振弦纖維柵過(guò)濾除塵器的工業(yè)應(yīng)用時(shí)，可優(yōu)先考慮通過(guò)采用合適的電暈電壓與噴霧水壓來(lái)獲得更好的除塵效率.

2）線性回歸分析

表2中Sig值代表四因素綜合分析后的各因素相對(duì)于除塵效率的顯著性水平系數(shù).對(duì)比Sig值可知，除塵器工作受四因素綜合作用時(shí)電暈電壓、噴霧水壓、入口平均粉塵濃度對(duì)除塵效率顯著，電場(chǎng)風(fēng)速不顯著.

在本試驗(yàn)條件及試驗(yàn)電暈電壓5～35 kV區(qū)間內(nèi)，綜合以上數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)的分布檢驗(yàn)可知，該模型以及模型中所有自變量的系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可得在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)四因素綜合效應(yīng)的除塵效率經(jīng)驗(yàn)公式：

式（4）中，X1為電暈電壓值，kV；X2為噴霧水壓值，MPa；X3為電場(chǎng)風(fēng)速值，m/s；X4為入口平均粉塵濃度，g/m3.

對(duì)得出的線性回歸方程進(jìn)行帶入無(wú)序數(shù)據(jù)檢驗(yàn)得到表3，由表3可以看出：該回歸方程在現(xiàn)行試驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)計(jì)算的除塵效率與實(shí)測(cè)值誤差均小于3%，認(rèn)為經(jīng)抽樣檢驗(yàn)后在特定工作條件下該方程可行，具有一定的指導(dǎo)意義.

表1 相關(guān)性分析結(jié)果

表2 回歸模型系數(shù)

表3 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

4 結(jié) 論

1）在噴霧荷電振弦柵除塵器為試驗(yàn)主體設(shè)備的條件下，試驗(yàn)得出各因素作用下除塵效率變化曲線，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：除塵效率（η）隨電暈電壓（E）、噴霧水壓（P）和電場(chǎng)風(fēng)速（V）增大都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，隨著入口粉塵濃度（Q）的增大則呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律.在試驗(yàn)取值范圍內(nèi),除塵效率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差基本在5%以內(nèi)，數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好.

2）利用SPSS軟件處理數(shù)據(jù)得到E、P、V和Q的相關(guān)性系數(shù)分別為：0.557、0.538、0.183、-0.139，其中電暈電壓和噴霧水壓與除塵效率顯著正相關(guān)；結(jié)果表明各因素對(duì)除塵效率的影響順序?yàn)椋篍＞P＞V＞Q.因此，在荷電水霧振弦纖維柵過(guò)濾除塵器的工業(yè)應(yīng)用時(shí)，可優(yōu)先考慮通過(guò)采用合適的電暈電壓與噴霧水壓來(lái)獲得更好的除塵效率.

3）由各影響因素與除塵效率之間的相互關(guān)系得出除塵效率經(jīng)驗(yàn)公式，為：

η=66.348+0.616E+31.829P-0.1V-2.154Q.

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