自激式水幕除尘.

2 自激式水幕除尘机理研究2 Self-excitation water curtain dust removal2.1湿式除尘(Wet dust removal)湿式除尘[1]也叫洗涤式除尘，是利用水(或其他液体)与含尘气体相互接触,伴随有热、质的传递，经过洗涤使尘粒与气体分离的一种除尘方法。

早在19世纪末钢铁行业中就已经采用这种方法来去除大颗粒粉尘了。

湿式除尘与干式除尘各自的优缺点[2]见表2-1。

表2-1 湿式除尘与干式除尘比较表2.1.1 湿式除尘机理湿式除尘中的捕集物是水或其他液体，根据其在捕集粉尘颗粒时的不同形态[3]：液滴、液膜、液层，湿式除尘又可相应地分为三种。

其中以液滴作为粉尘捕集物的除尘方式应用最为广泛，且由于产生液滴的方式不同，又可细分为若干种类。

1）液滴湿式除尘液滴湿式除尘主要是靠含尘气体与均匀散开的液滴在一封闭空间内充分接触，通过惯性碰撞、拦截、扩散、重力、静电力等效应实现液滴对粉尘颗粒的捕集，如图2-1所示。

下面将分述其中基本的惯性碰撞、拦截和扩散效应[4-9]。

假定粉尘粒子一接触捕集体即被捕集。

（1）惯性碰撞惯性碰撞是湿式除尘中最常见的除尘作用，惯性碰撞效应只考虑粉尘粒子质量而不考虑其体积。

如图2-2所示，含尘气流前方有一液滴，气流流线在液滴前方发生偏转，流线偏转状况随气流速度的大小而不同，速度较高时，流线要贴近液滴表面前端才发生偏转绕过捕集体，而速度较低时，流线在离捕集体较远处就会发生偏转。

气流中的粉尘颗粒由于密度比气体密度大得多，因此其在惯性力的作用下运动轨迹偏离气流流线而向靠近捕集体的方向运动，图中m 粒子所在轨迹为偏离流线后与捕集体发生碰撞的最远轨迹，称为极限轨迹，在图中所示b 范围内，所有质量不小于m 粒子的粉尘颗粒均会因与捕集体发生惯性碰撞而被捕集。

定义惯性碰撞因数为： 碰撞因数φ在0~1之间变化，碰撞因数越大，则粉尘因惯性碰撞而被捕集的几率就图2-2 惯性碰撞效应示意 Figure2-2 Inertial collision effectlb d ϕ= （2.1）图2-1 液滴捕尘机理Figure 2-1 Mechanism of droplet removing dust越大。

惯性参数Ψ，也叫斯托克斯数，其定义为： 式中：C —库宁汉滑动修正系数v 0—尘粒与液滴的相对速度，m/s ；ρp —尘粒密度，kg/m 3；d p —尘粒直径，μm ；μg —气体动力黏度，Pa·s ；d l —液滴直径，μm 。

由图2-3所示可以看出，碰撞因数φ对惯性参数Ψ有依赖关系，参变数Re r 是雷诺数。

以上定义中，ρg 是气体密度，kg/m 3。

因此，随着尘粒与液滴之间相对速度v 0、尘粒密度ρp 、尘粒直径d p 的增加，由于惯性作用，碰撞因数将增大，粉尘被捕集的几率增大；而当气体黏度μg 液滴直径d l 增大时，碰撞力和摩擦力占支配地位，粉尘将绕过液滴而不被捕集。

对于单个液滴，定义其惯性碰撞捕集效率为与液滴发生惯性碰撞的尘粒颗粒数占经过液滴周围的含尘气流中最初的尘粒颗粒数的百分比。

国内外许多学者都研究过单个液滴惯性碰撞的捕集效率。

Wong 和Johnstone [10-11]，对于势流和惯性参数Ψ>0.2的状况提出了单个液滴惯性碰撞捕集效率为：2p ()0.7ψηψ=+ (2.4) 20p p 6g l 1018Cv d d ρψμ-=⨯ （2.2）图2-3 碰撞因数φ与惯性参数Ψ和参变数雷诺数Re r 的关系曲线Figure 2-3 Relationship curve between collision factor φ and inertial parameter Ψ0l gr g v d Re ρμ= （2.3）许多人的研究结果表明，式（2.4）与实验结果吻合很好。

Sell.W 等通过试验研究水流流线经不同形状物体（球、柱及平板直径都是10cm ）的纵剖面，得出惯性碰撞捕集效率ηp 与惯性参数Ψ的关系曲线如图2-4所示。

（2）拦截与惯性碰撞效应正好相反，拦截效应只考虑粉尘粒子的体积，而忽略其质量。

由于没有质量就不存在惯性力，因此不同大小的粒子均沿流线绕流捕集体，若粒子所在流线距捕集体表面的最小距离小于或等于粒子半径，则粒子即会与捕集体发生接触而被捕集，这就是拦截效应。

如图2-5所示，在距捕集体水平中心线b 位置处有一粒子以速度v 0沿气流流线向捕集体靠近，在接近捕集体前，气流流线发生偏转，由于不考虑粒子的质量，因此粒子也随流线偏转绕流捕集体，若此流线距捕集体表面最近距离为d p /2，则图中所示粒子刚好与捕集体发生接触而被捕集，此粒子的运动轨迹即为相同大小粒子的极限轨迹。

b 范围以内，直径不小于d p 的粒子均会与捕集体发生接触而被捕集。

表征拦截作用的无量纲拦截因数定义为：图2-5 拦截效应示意Figure 2-5 Interception effectpl d R d （2.5）图2-4 惯性碰撞捕集效率与惯性参数关系Figure 2-4 Relationship between Inertial collision efficiency and inertial parameter单个液滴的拦截效率为：对于绕静止球体的势流，流函数为：在图2-5所示极限轨迹上，当π2θ=时，l p 2d d r +=；r →∞时，sin r b θ=。

代入式（2.7），得将式（2.8）两边同除以2l 2d （），并简化，即得单个球形液滴的拦截效率：对于绕静止球体的粘性流，流函数为：依以上步骤得出单个球形液滴的拦截效率为：以上所得拦截效率的计算公式可做如下简化：对于势流，兰兹（Ranz ）公式为[12-13]：对于粘性流，兰格米尔（Langmuir ）公式为[14]：由此可见，单个球形液滴的拦截效率只与尘粒直径和液滴直径之比有关，而与气流速度无关。

因此，在尘粒直径一定的情况下，减小液滴直径可提高液滴的拦截效率。

（3）扩散当含尘气流中尘粒的直径足够小时，由于周围气体分子的热运动，尘粒的运动轨迹始终与气流流线不一致，因此不再遵循惯性碰撞或拦截机理而被捕集体捕集，而是在气流绕流液滴运动时，由于布朗扩散作用而沉积在液滴上，这就是湿式除尘中的扩散效应。

尘粒越小，布朗扩散作用对其运动轨迹影响越强烈，通常以d p =1μm 作为临界值，小于此临界值的尘粒在分析其沉降时考虑这种机理。

尘粒由于扩散作用所引起的沉降效率，取决于液滴绕流雷诺数Re D 和尘粒贝克莱特（Peclet ）数Pe 。

液滴绕流雷诺数定义为：式中：f ρ—气流密度，kg/m 3；一般情况下，f ρ=g ρ。

皮克莱特数是描述布朗扩散作用的重要物理参数，其定义为：式中：D —尘粒扩散系数，m 2/s 。

对于d p <1μm 的情况，爱因斯坦（Einstein ）给出的D 的计算公式为[15]：式中：k B —波尔兹曼常数，即23B 1.3810J /K k -=⨯；T —气体绝对温度，K 。

对于d p <λ（分子平均自由程）的情况，兰格米尔（Langmuir ）给出：式中：R —气体常数，J/(kg·K)；m —气体摩尔质量，kg ；p —气体压力，Pa 。

Johnstone 和Roberts [16-17]在1949年提出的单个液滴扩散沉降效率为：1588Pe -1976年，Crawford [18]导出在Re D <1，Pe <1的粘性流中，单个液滴扩散沉降效率为： 此外，Pfeffer [19]的计算式为：Struss 的计算式为：在实际的湿式除尘过程中，惯性碰撞、拦截和扩散作用是同时存在的，三种机理相互影响，联合作用，这时的除尘效率就不能直接通过理论计算公式得出了。

2）液膜湿式除尘利用液膜捕集粉尘是填料式除尘器等的主要工作原理。

通过人为地在除尘器中添加各种填充材料或组件，增加除尘器内部的表面积，也就同时增加了流经填充材料或组件的气流和液体的接触面积，从而使气流和液膜发生表面接触而实现粉尘的捕集。

常用的填料有拉希格环、勒辛环、鲍尔环、泰勒环和球形体等，材质通常为陶瓷、塑料和金属。

填料式除尘器有别于填料式吸收塔的是要求填料有足够大的空腔，以防止被捕集到的颗粒粉尘堵塞。

因此，拉希格环和勒辛环由于其良好的形状和简单的制作过程而被作为首选的除尘用填料，如图2-6所示。

液膜对尘粒的捕集过程非常复杂，其捕集效率与尘粒粒径、粉尘浓度、尘粒的润湿性、水膜的稳定性等因素有关。

一般来说尘粒粒径越大，则其离心速度越大，就越容易进入水膜而被捕集。

此外，还有依靠紧密排列的平行管束，使液体从管内由下而上流到管顶，之后顺管外壁自由流下形成液膜的管式除尘器也是利用液膜除尘机理。

3）液层湿式除尘液层湿式除尘是指含尘气流以气泡形式通过液体层，在液体层内完成粉尘的捕集。

应用此机理的除尘器类似于塔设备中的筛板塔，如图2-7所示。

1263D D 4.18Re Pe η-= （2.19）23D 3.96Pe η-= （2.20） 12D 1.2Pe η= （2.21）a —拉希格环，b —勒辛环图 2-6 首选除尘填料Figure 2-6 Priority filler图2-7 液层湿式除尘Figure 2-7 Liquid layer dust removal气泡中的尘粒要进入液层，必须要冲破气泡外壁，因此，液层湿式除尘对粒径大的尘粒捕集效果较好，而对细微尘粒，由于难以冲破气泡外壁，因此除尘效果较差。

2.1.2 湿式除尘器由于除尘机理不同，湿式除尘器的种类多种多样。

1）喷洒塔[20-21]喷洒塔可以说是湿式除尘器中形式最为简单的一种，如图2-8所示。

液滴由顶部的喷嘴喷出，粒径在0.1~1mm之间，含尘气流以不致把液滴带走的速度由底部进入自下而上运动，通常气流速度为0.6~1.2m/s，捕集分离颗粒的机理主要是惯性碰撞和拦截。

旋风洗涤除尘器是为提高除尘效率，特别是小粒径粉尘的除尘效率，而对普通喷洒塔进行的改造升级，如图2-9所示。

通过给气流施加的离心力，增大气流与液滴的相对速度，根据前文所得出的惯性碰撞效率公式，即可使除尘效率得到提高。

图2-8 喷洒塔图2-9 旋风洗涤除尘器Figure 2-8 spray column Figure 2-9 Cyclone washing dust remover 2）自激式除尘器自激式除尘器是依靠含尘气流冲击液膜或自由液面形成大量液滴或水幕来捕集粉尘颗粒的。

这种除尘器所产生的液滴直径小，液滴与气流的相对速度较大，因此具有较高的除尘效率。

陈维民等[22]设计了如图2-10所示的掘进工作面自激式除尘器。

含尘气流进入进气室Ⅰ后冲激自由液面，较大的粉尘颗粒在这一过程中由于惯性而落入水中。