候朝兵，張江輝

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

2014年全球煤炭產(chǎn)量為81.65億t，占世界能源總量的30%，燃煤產(chǎn)生的粉塵是造成大氣污染的主要來源之一，對人們的健康構(gòu)成嚴(yán)重危機(jī)[1]。煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分，其總產(chǎn)量的84%用于直接燃燒。而其燃燒過程中煙排放的煙塵占我國總煙塵排放量的70%以上，由此導(dǎo)致的粉塵污染是我國大氣污染的主要原因之一[2]。由此可見，降低燃燒源煙塵排放是我國目前迫切需要解決的問題。目前脫除煙塵的主要方法是通過物理或化學(xué)作用促使其團(tuán)聚成較大顆粒后加以脫除，其中濕法除塵是一種高效且經(jīng)濟(jì)的除塵措施之一[3]。濕法除塵的主要原理是將噴淋水霧化成細(xì)小液滴以提高粉塵顆粒被捕捉的概率，使小顆粒團(tuán)聚成較大顆粒，從而提高除塵效率。這種除塵方式廣泛應(yīng)用于采礦、化工、冶金等行業(yè)[4]。噴淋塔產(chǎn)生低壓所以消耗的功率也降低，這使得它成為相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。然而，近幾年來，在許多文獻(xiàn)中報道了許多類型的常規(guī)和非常規(guī)洗滌器，用于防止顆粒物排放，水平洗滌器、通過顆粒去除效率的理論分析而改進(jìn)的多級泡罩塔洗滌器。在簡單的逆流噴淋塔中清除細(xì)顆粒物質(zhì)的工作很少[5-8]。噴淋塔作為工業(yè)廢氣中顆粒物和氣態(tài)污染物去除最廣泛的控制裝置之一，主要由于其操作簡單，施工簡單。除了經(jīng)濟(jì)性之外，它們是其他濕式洗滌器中能量最低的洗滌器[9]。最近的技術(shù)以各種可能的方式升級噴霧洗滌過程，從生產(chǎn)細(xì)小液滴到改變目標(biāo)顆粒的性質(zhì)?？諝鈬娚潇F化已經(jīng)在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中非常重要的作用。特別是在顆粒的洗滌過程中，液滴尺寸與顆粒尺寸的比例也起著重要的作用[10-11]。本除塵器具有除塵效率高，阻力低、能耗低等特點，并且具有很好的應(yīng)用前景。

1 實驗部分及實驗原理

1.1 除塵器的除塵效率計算

除塵器的除塵效率是評價除塵器性能的重要指標(biāo)之一。它是指除塵器從氣流中捕集粉塵的能力，常用濃度算法計算。

由于除塵器整體結(jié)構(gòu)緊密，除塵器入口和出口總體風(fēng)量大致相等，因此除塵器效率計算可以采用濃度算法。根據(jù)實驗所測數(shù)據(jù)，除塵器除塵效率η可表示為[12-15]：

其中：η—除塵效率；

y1—除塵器入口粉塵濃度，g/m3；

y2—除塵器出口粉塵濃度，g/m3；

Q—除塵器風(fēng)量，m3/s。

1.2 實驗系統(tǒng)的基本組成

表1 實驗除塵器基本參數(shù)

主要由給粉系統(tǒng)、噴霧洗滌塔主體、水箱、除霧纖維、粉塵濃度儀、水泵、渦流風(fēng)機(jī)、PLC控制箱及測控裝置等組成。

1.3 除塵機(jī)理及過程

渦流風(fēng)機(jī)將潔凈空氣送入管道，經(jīng)渦街流量計計量后，與給粉系統(tǒng)定量送入的實驗粉塵充分混合形成實驗所需的含塵氣體，然后從噴淋塔底部進(jìn)入系統(tǒng)。經(jīng)過填料支撐板后透過球形過濾填料，球形過濾填料對煙氣進(jìn)行第一層粗過濾，高壓水泵將水箱中的噴淋水送入管道，經(jīng)過壓差流量計計量后，環(huán)形噴頭將其霧化成細(xì)小液滴進(jìn)入噴淋塔，含塵氣體中的粉塵顆粒經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的格柵時被捕捉，經(jīng)過噴淋使其在洗滌塔內(nèi)脫除，并經(jīng)過離心力的作用使水霧與粉塵接觸后凝結(jié)滴落在刮板式吸塵格柵上，煙氣得到進(jìn)一步除塵過濾后進(jìn)入上層除塵脫霧器，刮板式吸塵格柵因傳動軸的轉(zhuǎn)動，將刮板式吸塵格柵上的污水在離心力的轉(zhuǎn)動下，被甩在套筒內(nèi)壁，順流在擋板外側(cè)經(jīng)排污管排出。

通過各層閥門可以控制噴淋水流量，氣體流量可以通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制。整個實驗過程由PLC系統(tǒng)控制。濕式填料除塵器的主要結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 填料噴淋除塵器阻力特性研究

實驗過程中，噴淋水量控制在1.5 m3/h左右，發(fā)塵濃度控制在2000 mg/m3左右，實驗選取風(fēng)量范圍600～1300 m3/h，在填料高度為0、5、10、15、20、25、30 cm工況下進(jìn)行阻力特性研究，得到實驗結(jié)果。

由圖2可知，填料噴霧除塵器在入口風(fēng)速28 m/s，填料高度為30 cm時，阻力最大為1392 Pa。當(dāng)入口風(fēng)速一定時，除塵器阻力隨填料高度的增加而增大，但高度的影響在22 m/s之前變化不大，在風(fēng)速增加到22 m/s之后，阻力開始有急劇變化的趨勢，當(dāng)填料高度一定時，除塵器阻力隨著風(fēng)速的增大而增大。除塵設(shè)備的阻力與風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓一致，因此阻力越大能耗越高。因此，除塵器在填料高度為25 cm，風(fēng)速20 m/s時阻力適中。

圖2 除塵器阻力特性

2.2 填料高度對除塵效率的影響

實驗過程中，噴霧水量控制在1.5 m3/h左右，發(fā)塵濃度控制在2000 mg/m3左右，實驗選取風(fēng)量范圍800 m3/h，在填料高度為0、5、10、15、20、25、30 cm工況下對除塵效率的影響，得到實驗結(jié)果，見圖3。

圖3 不同填料高度下的除塵特性

從圖3可以看出當(dāng)粉塵濃度為2.0 g/m3，噴淋水量為25 L/min，進(jìn)口風(fēng)速為15 m/s時，隨著填料床高度的增加，除塵效率逐漸增加，當(dāng)填料高度達(dá)到25 cm時，對應(yīng)的除塵效率為99.61%，出口粉塵的下降趨勢也更加平緩。同時，拉西環(huán)填料具有較大的表面積，經(jīng)過霧滴的潤濕與粉塵顆?？梢猿浞纸佑|，并對粉塵進(jìn)行攔截，但隨著填料層的增加，除塵器阻力也逐漸增大，除塵效率反而降低，阻力與風(fēng)機(jī)的能耗成正比，因此應(yīng)選取適中的風(fēng)量和高度，這也符合經(jīng)濟(jì)型原則。

2.3 入口粉塵濃度對除塵效率的影響

在氣體流量為 1200 m3/h、 額定流量1.5 m3/h的實驗條件下，分別對有無噴淋水時粉塵濃度變化對洗滌塔各層級除塵效率的影響，得到隨著入口處粉塵濃度由 3.5 g/m3增大到 15 g/m3的過程中，噴淋除塵效率的變化特性曲線。

粉塵濃度(g/m3)=粉塵產(chǎn)生量(g/s)×3600/除塵器風(fēng)量(m3/h)

由圖4可以看出，隨著入口粉塵濃度的增加，除塵效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這主要是由于隨著濃度的增大，粉塵與液體接觸的機(jī)會增大，而且大部分粉塵被潤濕的填料床層阻擋攔截，使除塵效果顯著提高，但繼續(xù)增大濃度，會超出除塵器的洗滌能力，導(dǎo)致出口濃度繼續(xù)增大，降低了除塵效率。

圖4 不同入口粉塵濃度下的除塵特性

2.4 旋流格柵旋轉(zhuǎn)速度除塵效率的影響

含塵氣流通過纖維格柵時，由于氣流與格柵相互作用，增加了繞流，因此會增大粉塵與液滴的攔截、碰撞幾率，從而使除塵效率提高。實驗選用額定功率1.1 kW，同步轉(zhuǎn)速2800 r/min的異步電動機(jī)作為功率源，轉(zhuǎn)速值由PLC控制開關(guān)調(diào)節(jié)，研究在氣體流量為200 m3/h、額定流量1.5 m3/h的實驗條件下，根據(jù)該新型復(fù)合濕式除塵器的吸附格柵控制情況測得除塵器吸附格柵旋轉(zhuǎn)速度范圍為0～100 Hz，因此在此范圍內(nèi)確定5個參數(shù)，即0，25，50，75和100Hz等5個吸附格柵旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行實驗。得到頻率在0～100 Hz之間時噴淋除塵效率的變化特性曲線。

由圖5可以看出格柵轉(zhuǎn)速在75 Hz時除塵效率提高不再明顯，這主要是由于格柵層數(shù)較少，雖然風(fēng)速很大，但對極微小顆粒的凈化具有一定的局限性，因此，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加纖維密度，轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高到75 Hz時較為適宜。

圖5 旋流格柵對除塵效果的影響

2.5 入口風(fēng)速對除塵效率的影響

含塵氣體入口風(fēng)速v(m/s)是影響洗滌塔除塵效率的重要因素之一，在除塵器填料高度與噴淋水量一定時，選取一組粉塵進(jìn)口濃度分別為8.8 g/m3時進(jìn)行試驗。通過調(diào)節(jié)PLC控制器來改變?nèi)肟诳諝饬魉?，然后測量除塵器在不同風(fēng)速下的除塵效率，并得到除塵特性曲線如圖6所示。

如圖6所示，當(dāng)入口風(fēng)速由6 m/s上升至10 m/s時，除塵效率將逐漸增加，含塵氣體在入口處由于截面積突然增大，塔內(nèi)氣體會急速降低，在慣性碰撞及重力的作用下，氣體中的粉塵一部分被填料阻擋，另一部分被高濃度的霧場捕捉，隨著氣體流速的繼續(xù)增加，除塵效率出現(xiàn)下降并趨于穩(wěn)定，這是由于氣體流速過大時減小了含塵氣體在塔內(nèi)的停留時間，反而降低了粉塵顆粒與液滴及填料的撞擊概率，不利于粉塵顆粒的去除。

圖6 不同風(fēng)速下的除塵效率

3 結(jié)論

根據(jù)濕式除塵理論，結(jié)合慣性，沖擊，重力沉降等除塵機(jī)理，研發(fā)出一種高效環(huán)保的濕式填料除塵器，并且在實驗室進(jìn)行了除塵特性實驗研究，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)處理風(fēng)量一定，濕式填料除塵器的阻力和除塵效率隨水位高度的增加而增大，排放濃度隨填料高度的增加而降低，當(dāng)填料高度一定，濕式填料除塵器的阻力和排放濃度隨處理風(fēng)量的增加而增大，除塵效率隨處理風(fēng)量的增加而降低。

(2) 濕式填料除塵器除塵器的除塵效率隨填料高度的增加而增加。當(dāng)填料高度為0.3 m時，當(dāng)入口的粉塵濃度為2.0 g/m3時對應(yīng)的除塵效率為99.57%，此時對應(yīng)的出口粉塵濃度最為8.45 mg/m3。

(3) 出口粉塵濃度隨著吸附格柵旋轉(zhuǎn)速度的增加而減少，除塵器的除塵效率隨著吸附格柵旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加。吸附格柵旋轉(zhuǎn)速度對除塵器除塵效率的影響不大。

(4) 除塵器的除塵效率隨入口粉塵濃度的增加先增加后減少，出口粉塵濃度隨入口粉塵濃度的增加而增加。當(dāng)入口的粉塵濃度為2.0 g/m3時，此時除塵器的除塵的效率最高為99.48%，對應(yīng)的出口的粉塵濃度為10.41 mg/m3。