霍延偉,劉 飛

(1.阜新市自然資源事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 阜新 123000； 2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

近年來(lái)，隨著我國(guó)工礦企業(yè)設(shè)備機(jī)械化程度迅速發(fā)展，開(kāi)采強(qiáng)度增加，粉塵濃度也隨之增加，對(duì)環(huán)境的危害漸顯端倪，導(dǎo)致工礦企業(yè)作業(yè)環(huán)境十分惡劣[1-4]。然而傳統(tǒng)的濕式除塵設(shè)備存在除塵效率較低、工作阻力大、耗水量高等一系列問(wèn)題，因此提出了一種動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器，是多種除塵技術(shù)結(jié)合與互補(bǔ)，依靠水力親潤(rùn)等方法分離捕集粉塵[5-8]。本文通過(guò)模擬試驗(yàn)對(duì)其實(shí)際效果進(jìn)行考察。

1 試驗(yàn)內(nèi)容[9-10]

1) 試驗(yàn)過(guò)程中，保持其他條件恒定，分別選取5目、12目、20目的篩網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)比選取最優(yōu)參數(shù)。

2) 試驗(yàn)過(guò)程中，保持其他條件恒定，改變動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速，分別控制在40 r/min、80 r/min、120 r/min進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)比選取最優(yōu)參數(shù)。

3) 試驗(yàn)過(guò)程中，保持其他條件恒定，篩網(wǎng)層數(shù)分別選取4層、8層、16層進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)比選取最優(yōu)參數(shù)。

4) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，確定上述測(cè)量?jī)?yōu)選，選取最優(yōu)參數(shù)，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速。進(jìn)口風(fēng)速分別選取1.43 m/s、3.15 m/s、5 m/s、7.24 m/s進(jìn)行試驗(yàn)，首先通過(guò)測(cè)量干網(wǎng)網(wǎng)前靜壓與網(wǎng)后靜壓，可知在不同處理風(fēng)量下的網(wǎng)體阻力，然后通過(guò)測(cè)量濕網(wǎng)網(wǎng)前靜壓與網(wǎng)后靜壓，在與測(cè)量后干網(wǎng)不用處理風(fēng)量下的網(wǎng)體阻力對(duì)比，可以得到整體水膜阻力大小和單層水膜阻力。最后通過(guò)測(cè)得含塵風(fēng)流入口靜壓和風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口凈化風(fēng)流靜壓計(jì)算出設(shè)備工作阻力。

5) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，確定上述測(cè)量?jī)?yōu)選，選取最優(yōu)參數(shù)，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速。進(jìn)口風(fēng)速分別選取1.43 m/s、3.15 m/s、5 m/s、7.24 m/s進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量在不同進(jìn)口風(fēng)速下的全塵與呼吸性粉塵的進(jìn)口濃度和出口濃度，并計(jì)算全塵和呼吸性粉塵的除塵效率。

6) 與同類型除塵設(shè)備相比，在除塵效率達(dá)到理想狀態(tài)情況下，判斷該設(shè)備是否符合工作阻力小、節(jié)能節(jié)水的條件。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)開(kāi)始之前，首先打開(kāi)進(jìn)水閥門與排污閥門，打開(kāi)水箱向除塵箱內(nèi)注水至適宜位置，通過(guò)觀察水位計(jì)高度來(lái)確定除塵箱內(nèi)部?jī)?chǔ)水量，水位計(jì)高度達(dá)到除塵箱體高度一半以上即可；接著，將YJB-2500補(bǔ)償微壓計(jì)、溫壓流檢測(cè)儀和皮托管放置在試驗(yàn)臺(tái)上，將試驗(yàn)儀器調(diào)至歸零狀態(tài)，YJB-2500補(bǔ)償微壓計(jì)連接膠皮管再連接測(cè)點(diǎn)Ⅱ、測(cè)點(diǎn)Ⅲ，區(qū)分好接線過(guò)程中的正負(fù)，準(zhǔn)備測(cè)量動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器的網(wǎng)前靜壓以及網(wǎng)后靜壓；溫壓流檢測(cè)儀和皮托管連接分別插入除塵箱進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口管道內(nèi)壁，區(qū)分好接線過(guò)程中的正負(fù)，準(zhǔn)備測(cè)量含塵風(fēng)流入口靜壓及風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口凈化風(fēng)流靜壓；將控塵旋球發(fā)塵機(jī)、除塵器進(jìn)風(fēng)口管道、CCHZ1000直讀式粉塵測(cè)定儀布置在小型密閉空間中，除塵器進(jìn)風(fēng)口管道緊鄰控塵旋球發(fā)塵器，確保產(chǎn)生的塵源環(huán)繞在密閉空間且能直接進(jìn)入除塵器中，CCHZ1000直讀式粉塵測(cè)定儀布置在發(fā)塵機(jī)側(cè)面保持適中距離，確?？梢允占?、讀取到均勻的粉塵濃度；然后開(kāi)啟動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器的動(dòng)輪電機(jī)，開(kāi)啟控塵旋球發(fā)塵機(jī)均勻發(fā)塵，開(kāi)啟CCHZ1000直讀式粉塵測(cè)定儀開(kāi)始測(cè)量入口粉塵濃度，調(diào)節(jié)風(fēng)擋控制器來(lái)改變進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速大小，并用熱線式風(fēng)速計(jì)對(duì)風(fēng)速變化進(jìn)行測(cè)量；測(cè)試完進(jìn)風(fēng)口粉塵濃度后，將CCHZ1000直讀式粉塵測(cè)定儀拿出，拔出撥片更換新的濾紙，將測(cè)定儀的粉塵濃度采樣頭緊貼在動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器的出風(fēng)口處，并測(cè)量除塵器凈化完之后的粉塵濃度。在試驗(yàn)過(guò)程中，主要測(cè)量動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器入口風(fēng)速，網(wǎng)前風(fēng)速，網(wǎng)前靜壓、網(wǎng)后靜壓，工作阻力以及除塵效率。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束之后，需要排除沉淀箱內(nèi)部的泥漿，以免壁面除塵器積灰過(guò)多，造成設(shè)備堵塞，影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致除塵效率降低。

在進(jìn)行設(shè)備漏風(fēng)率測(cè)量時(shí)，選用精密大氣測(cè)量?jī)x測(cè)定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度和大氣壓力，使用YJB-2500補(bǔ)償微壓計(jì)測(cè)量動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器入風(fēng)口和出風(fēng)口斷面動(dòng)壓，使用熱線式風(fēng)速儀測(cè)量入風(fēng)口和出風(fēng)口風(fēng)速。

3 動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器試驗(yàn)研究與測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.1 篩網(wǎng)網(wǎng)孔優(yōu)選

本設(shè)備試驗(yàn)過(guò)程中，分別選用5目、12目和20目的篩網(wǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 篩網(wǎng)目數(shù)與除塵效率、工作阻力關(guān)系曲線

篩網(wǎng)目數(shù)是影響除塵效率的因素之一。5目的篩網(wǎng)效率為90.31%，工作阻力125 Pa，阻力小使得除塵效率明顯降低；20目的篩網(wǎng)效率為99.37%，除塵效果良好，工作阻力可達(dá)到448 Pa；12目的篩網(wǎng)效率99.19%，工作阻力201 Pa.通過(guò)對(duì)比，20目除塵效率僅比12目高0.18%，但高目數(shù)阻力相對(duì)較大，耗能也隨之增加。由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器的除塵效率和工作阻力都隨著篩網(wǎng)目數(shù)的增加而提高。分析可知：低目數(shù)篩網(wǎng)孔徑大，成膜率降低，難以達(dá)到除塵凈化的效果；高目數(shù)篩網(wǎng)孔徑小，雖提高了除塵效率，但工作阻力隨之升高。通過(guò)對(duì)比，12目的篩網(wǎng)除塵效果與工作阻力均達(dá)標(biāo)，因此篩網(wǎng)選用12目較為合理。

3.2 篩網(wǎng)動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速的優(yōu)選

試驗(yàn)過(guò)程中，分別調(diào)控動(dòng)輪轉(zhuǎn)速控制在40 r/min、80 r/min、120 r/min情況下進(jìn)行試驗(yàn)。由圖2可知，動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速在40 r/min時(shí)除塵效率94.79%，除塵效果略低；動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速在120 r/min時(shí)，除塵效率99.24%，除塵效果理想，但是由于轉(zhuǎn)速過(guò)快，極易導(dǎo)致螺旋液膜動(dòng)輪葉片損壞。由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器的除塵效率和工作阻力都隨著動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速加大而增加，且變化幅度逐漸平緩，因此選用動(dòng)輪轉(zhuǎn)速80 r/min較為合理。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速與除塵效率、工作阻力關(guān)系曲線

3.3 篩網(wǎng)層數(shù)的優(yōu)選

試驗(yàn)過(guò)程中，保持大氣壓恒定，風(fēng)速控制在3.15 m/s，分別選擇篩網(wǎng)層數(shù)4層、8層、16層進(jìn)行試驗(yàn)。由圖3可知，篩網(wǎng)選擇4層時(shí)工作阻力190 Pa，除塵效率95.03%，除塵效果略低；篩網(wǎng)選擇8層時(shí)工作阻力201 Pa，除塵效率99.19%；篩網(wǎng)選擇16層時(shí)工作阻力224 Pa，除塵效率99.28%.對(duì)比可知，同一網(wǎng)孔隨著篩網(wǎng)層數(shù)增加，除塵效率與工作阻力也隨之增加，當(dāng)篩網(wǎng)層數(shù)在8層以上時(shí)，對(duì)比4層，篩網(wǎng)除塵效率提高了4.16%；而篩網(wǎng)層數(shù)8層與16層相比，除塵效率略微增加，但阻力增加明顯。這表明了篩網(wǎng)層數(shù)越多，所帶來(lái)的的風(fēng)阻也就越大，不僅會(huì)導(dǎo)致凈化系統(tǒng)的風(fēng)量受到影響，而且動(dòng)輪電機(jī)也需要加大功率、增加耗能。同時(shí)，篩網(wǎng)層數(shù)多也意味著維護(hù)成本高，濾網(wǎng)需要定期更換，否則會(huì)使塵菌積附于表面，造成空氣污染。因此篩網(wǎng)層數(shù)選用8層較為合理。

圖3 篩網(wǎng)層數(shù)與除塵效率、工作阻力關(guān)系曲線

3.4 不同處理風(fēng)量下的阻力

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，如其他各因素保持恒定，可以看到風(fēng)速變化與篩網(wǎng)體的阻力呈正向關(guān)系。如表1所示，無(wú)水膜時(shí)的篩網(wǎng)體阻力為60～180 Pa.就是說(shuō)，在此風(fēng)速變化范圍內(nèi)，每單層干網(wǎng)的通風(fēng)阻力為8～23 Pa.如表2所示，當(dāng)篩網(wǎng)體有水膜時(shí)，工作阻力在80～210 Pa，每單層網(wǎng)膜的通風(fēng)阻力為10～26 Pa.單層干網(wǎng)的通風(fēng)阻力與單層有水膜通風(fēng)阻力之差，就是風(fēng)流吹破純水膜的阻力?？梢?jiàn)每層純水膜的阻力很小，經(jīng)計(jì)算平均阻力近3 Pa，且與風(fēng)速關(guān)系不大，只與篩網(wǎng)的孔徑有關(guān)，因此，網(wǎng)膜在動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵設(shè)備中是主要的除塵環(huán)節(jié)。如表3所示，該除塵設(shè)備除塵阻力在100～280 Pa之間，在同等除塵設(shè)備中除塵阻力較小。

表1 篩網(wǎng)動(dòng)輪無(wú)水網(wǎng)膜阻力測(cè)定

表2 篩網(wǎng)動(dòng)輪有水網(wǎng)膜阻力測(cè)定

表3 除塵系統(tǒng)的總阻力測(cè)定

3.5 不同處理風(fēng)量下的除塵效率

風(fēng)速與全塵和呼塵除塵效率的變化關(guān)系如圖4所示。除塵風(fēng)速對(duì)于動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器除塵效果明顯，風(fēng)速在1.43～3.15 m/s之間變化時(shí)，全塵和呼塵的除塵效率隨風(fēng)速增大而增加。分析認(rèn)為，風(fēng)速漸變?cè)黾恿藟m粒與水膜的碰撞機(jī)會(huì)，進(jìn)而凝并量增大，水膜對(duì)于塵粒的吸附量隨之增大，除塵效率也就有了顯著的提高。

圖4 風(fēng)速與全塵和呼塵除塵效率曲線

如表4、表5所示，當(dāng)入口風(fēng)速達(dá)到3.15 m/s時(shí)，全塵、呼塵除塵效率同時(shí)達(dá)到峰值，分別為99.20%、97.70%，且不再隨著風(fēng)速提高而上升，反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。原因是風(fēng)速在逐漸增大的過(guò)程中，網(wǎng)膜被高速風(fēng)流快速吹破，致使篩網(wǎng)成膜率降低，含塵氣流與液滴分界面未能充分混擾、碰撞。所以優(yōu)化風(fēng)速相當(dāng)重要，本設(shè)備篩網(wǎng)液膜前的優(yōu)化風(fēng)速是1.05 m/s.

表4 除塵器全塵除塵效率(篩網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)+水膜狀態(tài)下除塵效率)

表5 除塵器呼塵除塵效率

如果設(shè)備需要加大風(fēng)量，只需加大除塵箱、篩網(wǎng)過(guò)風(fēng)斷面，其他狀態(tài)不變，除塵阻力幾乎不變，除塵凈化的效果不變。

由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器可以有效凈化風(fēng)流中的粉塵，全塵的除塵效率平均在99%以上，呼塵的除塵效率平均在96.89%以上，為工礦企業(yè)提供了良好的工作壞境。

3.6 三種除塵方式下除塵效率對(duì)比

在確定了除塵器的最佳結(jié)構(gòu)和外設(shè)條件參數(shù)后，將動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器三種除塵方式進(jìn)行對(duì)比，分析各種除塵方式的除塵效率?？刂瓶貕m旋球發(fā)塵機(jī)穩(wěn)定發(fā)塵，保持室內(nèi)空氣密度穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器來(lái)改變處理風(fēng)量的大小，測(cè)定了在干網(wǎng)無(wú)水膜、有水膜及篩網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)+水膜情況下的除塵效率。

對(duì)比表4、表6和表7繪制出如圖5所示三種方式下除塵效率對(duì)比圖。三種方式下動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器的除塵效率隨風(fēng)速的增大先增后減，其主要原因是隨著風(fēng)速增加，旋流較為明顯，對(duì)粉塵離心分離作用增強(qiáng)，進(jìn)而塵粒與水霧的碰撞凝并增強(qiáng)；但隨著風(fēng)速不斷增大，紊流作用會(huì)明顯增強(qiáng)，之前被分離出的塵粒又被重新帶起，導(dǎo)致除塵效率降低。除塵效率：篩網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)+水膜>有水膜>干網(wǎng)無(wú)水膜，所以啟動(dòng)篩網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)與水膜的相互結(jié)合使得除塵效率高且穩(wěn)定，效率達(dá)到98%以上。

表6 干網(wǎng)無(wú)水膜狀態(tài)下除塵效率

表7 水膜狀態(tài)下除塵效率

圖5 三種方式下除塵效率對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，選擇動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器優(yōu)選篩網(wǎng)目數(shù)12目，動(dòng)輪轉(zhuǎn)速80 r/min，篩網(wǎng)層數(shù)8層。

2) 通過(guò)測(cè)試不同處理風(fēng)量下動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器的阻力和除塵效率，證明了純水膜平均阻力3 Pa左右，網(wǎng)體阻力在60～180 Pa之間，除塵設(shè)備除塵阻力在100～280 Pa之間；測(cè)試出本設(shè)備最佳除塵效率在入風(fēng)口風(fēng)速3.15 m/s左右時(shí)，全塵除塵效率為99.20%，呼塵除塵效率為97.70%.

3) 通過(guò)對(duì)比各種除塵方式，篩網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)+水膜的組合除塵方式效果最佳，效率可達(dá)98%以上。

4) 將數(shù)值模擬與試驗(yàn)除塵效率結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出除塵效率模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，數(shù)值模擬對(duì)除塵設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)有更為直觀的認(rèn)識(shí)，并能得到試驗(yàn)無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的流體流動(dòng)現(xiàn)象；將動(dòng)態(tài)螺旋篩網(wǎng)液膜除塵器與傳統(tǒng)濕式除塵器比較，驗(yàn)證了本設(shè)備除塵效率高、工作阻力小、耗水量低的優(yōu)點(diǎn)。