动态螺旋筛网液膜除尘器机理研究

王首杰 刘 飞

（1.山西煤炭运销集团长治有限公司，山西 长治 046000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

1 尘气分离机理

1.1 含尘气流的流动特性

分析与研讨粉尘颗粒在气体风流和除尘箱管道中的流动特性是研究含尘气流流动性的关键，绝大部分湿式除尘设备都涉及通风除尘技术，尤为重要的是粉尘在箱体中的流动特性，箱体内部粉尘流动性较为繁杂，与之相关的不仅包括雷诺系数和粉尘特性，箱体体积大小、箱体壁面粗糙程度、管道横截面积等都是影响粉尘流动特性的因素[1-5]。

（1）尘粒在水平管道的运动特性。粉尘随风流由进风口水平进入入风管道中，附着在管道底端的粉尘在风流的引导下，尘粒的底部与侧面压力渐大并发生螺旋运动。悬浮在气流中粉尘颗粒的悬浮力计算公式为：

式中：K1表示粉尘悬浮系数；d表示尘粒直径，m；ρg表示气体密度，kg/m3；v表示尘粒横向运移速度，m/s。

当施加尘粒的悬浮力等同于自身重力时，应用式（1）计算尘粒悬浮需要的气流边界层速度为：

式中：vl表示尘粒横向水平前进边界层速度，m/s；ρc表示尘粒密度，kg/m3。

由式（3）可得出达到悬浮条件的边界层速度为：

粉尘悬浮系数k1在湍流状态下阻力通常取0.5，主要与粉尘在游离状态下雷诺系数Re 以及尘粒形状有关。其中影响雷诺系数Re 的因子包括：尘粒和气流的相对速度、尘粒直径d和空气动力粘度等，由式（4）所示：

式中：μ表示气体动力学粘度，Pa·s；γ表示空气运动粘度，m2/s；v2表示尘粒和气流的相对速度，m/s。

（2）尘粒在竖直管道的运动特性。粉尘流通竖直管道，其运动方式较为简单，管道内的空气流通速度仅需比尘粒自身沉降速度大时，粉尘可在竖直管道中正常流通。由于空气流速分布不均很难控制在固定范围，因此使竖管平均气流流速控制在尘粒沉降速度的1.2 至1.7 倍。

（3）尘粒在倾斜管道的运动特性。尘粒在倾斜管道运动特性取决于管道的倾斜角度，其运动特性近似接近于水平管道与竖直管道之间，倾斜角度比粉尘安息角大时，粉尘流动速度取较大值。

1.2 粉尘从气流中的分离条件

含尘气流流经分离区会受到几种作用力的相互影响，其原理如图1。

图1 尘气分离原理图

2 湿式除尘机理

湿式除尘的降尘机理是尘粒与液滴相互作用的结果，液滴捕捉尘粒具体包括惯性碰撞、拦截、布朗运动、重力沉降等[6-8]，捕尘原理图如图2。

图2 湿式捕尘原理图

2.1 惯性碰撞

尘粒随含尘气流流动时接触到流体阻碍，气流方向绕过流体表面运动，小颗粒尘粒跟随气流绕流，大颗粒尘粒受到自身重力影响运移时产生惯性力，其运移方向偏离气流方向，并与液滴碰撞且被捕集达到降尘目的[9]。含尘气流流速、尘粒的形状、运移轨迹及其相关参数、尘粒粘附性都关乎液滴对于尘粒的捕集效率。其中斯托克斯数Stk是影响惯性碰撞效率重要因素，表达式由以下可知：

式中：ηz表示惯性碰撞捕集效率；τ表示张弛时间，s；v0表示气流流速，m/s；Dc表示流体液滴直径，m；ρp表示尘粒真密度，kg/m3。

2.2 拦截

粒径小的细微尘粒因重力小所以不受惯性力影响[10]，随含尘风流同向运移，尘粒向液滴运移时，气体流线距液滴表面距离在粉尘粒径范围之内，尘粒便被液滴拦截。拦截捕集能力不与尘粒速度和质量相关，其捕集效率与尘粒粒径和液滴粒径有关，Ran 提出势流条件下拦截捕集效率公式为：

式中：ηj表示拦截效率；D表示尘粒直径d与捕集物直径dp的比。

2.3 布朗扩散

布朗运动是指悬浮在气体中的细微尘粒与大气分子间碰撞产生的无规则运动，扩散为辅助捕集因素，粒径小于1 μm 的尘粒做无规则布朗运动情况下被液滴捕集的过程称为布朗扩散。Crawford 提出了捕集效率为：

式中：σ表示接触系数；Sc表示斯密特系数；v∞表示尘粒速度极值，m/s；vq表示气体运动粘度系数，m2/s；Re 表示雷诺系数；k表示玻尔兹曼常数；T表示绝对温度，K；Cm表示坎宁汉校正系数。

2.4 重力沉降

质量与密度较大粉尘颗粒受到自身重力影响发生了沉降作用，被液滴包裹捕集。影响重力效应的关键因素包括：尘粒粒径、质量以及密度，重力沉降捕集效率在气流流速相对缓慢且尘粒体积足够大时其捕集能力相对明显。沉降参数KG表示沉降效率等同于尘粒重力沉降捕集效率ηG，其公式：

式中：CU表示重力效应系数；dg表示尘粒当量直径，m；vi表示气体特征速度，m/s。

2.5 粘附机理

筛网在水中转动，筛网挂水形成紧密的界面层（液膜层），产生了粘附力，尘粒在气流中经过碰撞、沉降后，尘气分离飞散到筛网和水膜上，由于尘粒粒径小于液滴粒径进而被吸附在液滴和液膜之上。

3 筛网液膜过滤理论研究

3.1 筛网液膜过滤机理

筛网液膜过滤是一种与筛网孔径大小相关的筛分过程，以筛网两侧的压力差为驱动力，以液膜为过滤介质，在一定的压力下，当含尘气流穿过由筛网形成的液膜时，液膜可以当成由众多液滴及细小水分子紧密构成，运用降尘机理，将小于液滴粒径的尘粒粒子捕集进而达到分离与降尘的目的。

3.2 液膜静平衡理论

动态螺旋筛网液膜除尘器的关键核心是可以连续成膜，含尘气流需反复突破不断地形成与破裂的水膜，所以对水膜形成条件的研究是实现高效除尘的必要条件。根据表面张力下的平衡方程可以推算出，液膜在静平衡状态下需符合的标准：

式中：p+表示水膜界面外侧压力，Pa；σ1表示水膜界面表面张力；p—表示水膜界面内侧压力，Pa；c表示水膜曲面平均曲率。

由于筛网孔径较小，动态螺旋筛网液膜除尘器并未设计喷嘴等外界附加液体的条件，可以暂时忽略水膜界面的压强大小，那么液膜静平衡方程可以改写成式（13）：

式中：ρy表示液体密度；σy表示液膜表面张力；g表示液体重力；r1表示水膜外侧曲率半径；r2表示水膜内侧曲率半径。

3.3 液膜形成与破碎理论研究

动态螺旋筛网液膜除尘器中水膜的形成与破碎的影响因素颇多，例如含尘风流过滤流速、筛网孔径大小、动轮电机转速等。如果除尘箱内通过的含尘风流过大，那么刚形成的水膜会在风力作用下瞬间破碎；筛网孔径过大，合力越大，成膜率明显下降；动轮电机转速过快，筛网没有充分的时间挂水形成水膜。在试验与研究前应首先确保外界因素的稳定。

（1）液膜成型理论

螺旋筛网随着动轮在半浸水中旋转，液体依靠流动性、湿润性在筛网表面铺展开来，水经过挤压产生压力，伴随压力不断增大直到水受到的压力高于自身毛细作用力，筛网表面产生表面张力，筛网即可形成附有粘结性的水膜。

式中：Fs表示水膜的粘结力，N；FL表示筛网对水膜的临界表面张力，N；dh表示筛网孔隙，m；Fα表示水膜的表面张力，N；α表示液体表面张力系数。

（2）液膜破碎理论

伴随液膜的形成，在除尘过程中液膜起到至关重要的作用，所以研究液膜破碎理论，要同时考虑风力及尘粒重力对液膜主动破坏的因素，在液膜破碎过程中遵循的动量守恒定律为：

式中：M表示液膜质量，kg；vc表示尘粒水平流速，m/s；Fz表示水膜毛细力；Fb表示筛网与液膜间的摩擦力，N；ξ表示筛网阻力系数；vk表示液滴碰撞筛网时速度，m/s；Dc表示液滴直径，m。

通过联系液膜静平衡理论，得出液膜破碎时间t为：

4 湿式除尘相似理论

4.1 气固两相流的相似理论

对于湿式除尘设备降尘理论的研究，我国学者也查阅了大量资料及进行了试验研究，研究表明相似理论是研究与分析流体力学问题重要因素，运用公式应用于同类型集合相似除尘器，来实现除尘设备高效率降尘与除尘。

4.2 液膜捕尘相似准则

液膜周围溅射出的液滴也有捕获尘粒的能力，含尘风流抑制粉尘的运动以及尘粒的惯性作用力都是影响捕集的因素。所以确保无因次惯性系数在试验模型中与实际问题原型中大小等同，尘粒流动规律近似，确保外界因素、液滴物理模型等均相似，才可以使得惯性碰撞几率相同，其中惯性参数Kp为[3]：

由上述式子可以看出，只要确保液气比与尘粒流速相似就可以使相似准则相同。

5 结论

（1）分别从尘气分离机理、湿式除尘降尘机理、筛网滤膜过滤理论以及湿式除尘相似理论入手，阐述与分析含尘气流的流动特性和尘粒与气体分离条件和机理。

（2）介绍了湿式除尘设备中尘粒与液膜的除尘机理、液膜过滤尘粒原理、液膜平衡理论和液膜形成与破碎条件，并通过相似理论的介绍为今后湿式除尘设备的研究与发展奠定了理论基础。