曾思敏，林龍沅，康菲菲，徐志勇，陳海焱

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.四川省煤炭設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610000)

0 引言

礦井井下工作面粉塵濃度較大，粉塵粒徑分布范圍為1.74～20.39 μm[1]，由于施工現(xiàn)場(chǎng)受空間限制且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要采用通風(fēng)凈化方式進(jìn)行除塵，其中局部機(jī)械通風(fēng)除塵效果最好[2]。Flynn等[3-4]指出：在受空間限制情況下，局部除塵能有效降低作業(yè)空間內(nèi)21%的粉塵濃度，小尺寸的可移動(dòng)局部除塵裝置在空間限制情況下具有更好的靈活性和機(jī)動(dòng)性，而關(guān)于適應(yīng)于受限空間應(yīng)用的除塵器的研究較少，因此開展受限空間的除塵機(jī)理和除塵裝置的研究具有重要的實(shí)際意義[5]。

直通導(dǎo)葉式旋流管是1種導(dǎo)葉式直流旋風(fēng)分離設(shè)備，最初用于在多沙塵地區(qū)作業(yè)的機(jī)械車輛的初效過濾，從而達(dá)到延長濾清器濾芯維護(hù)保養(yǎng)周期和發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的作用，進(jìn)而提高機(jī)械車輛的安全可靠性[6]。隨著機(jī)械工業(yè)發(fā)展的需要，由于直通導(dǎo)葉式旋流管阻力低、體積小、不改變氣流走向，因而被廣泛用于石油化工、冶金、天然氣、環(huán)保等行業(yè)[7-9]。直通導(dǎo)葉式旋流管作為1種離心式除塵器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、分離效率高等特點(diǎn)，特別適用于含塵濃度高的環(huán)境[10]。滿曉偉等[11]為研究直通導(dǎo)葉式旋流管原理特性，對(duì)內(nèi)徑為100 mm的直通導(dǎo)葉式旋流管進(jìn)行了阻力特性、氣固分離、氣液分離實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)旋流管排氣口方式對(duì)分離效率有較大影響；湯浩等[12]通過數(shù)值模擬研究了不同工作條件(顆粒粒徑、進(jìn)氣角度及集塵管掃氣壓力)對(duì)直通導(dǎo)葉式旋流管分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣角度能提高粉塵分離效率，適當(dāng)?shù)爻闅饽芴岣咝☆w粒粉塵的分離效率；徐方成等[13]通過對(duì)長度約1 800 mm,內(nèi)徑為D=100 mm的旋流器進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試和分離性能測(cè)試，對(duì)環(huán)向、軸向和徑向速度的分布與旋流管抽氣量的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，抽氣能減少旋流管尾部的徑向速度，提高分離效率。在直通導(dǎo)葉式旋流管組分離性能方面的研究方面，陳斌等[14]研發(fā)了用于循環(huán)流化床鍋爐的PZC-300型直流旋風(fēng)管，長度大于1 200 mm，其通過對(duì)分離器排塵口底部適當(dāng)抽氣、擴(kuò)大旋風(fēng)管排塵空間以減少旋風(fēng)管間相互干擾引起的返混，從而達(dá)到高效低阻效果；金小漢等[15]研制了用于煤礦井下除塵的多管直流式旋風(fēng)除塵器，由110個(gè)單旋流管平行排列組成，尺寸為3 000 mm×700 mm×1 200 mm，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定其處理風(fēng)量為209 m3/min，工作阻力為1 500 Pa，平均除塵效率分別為85%(干式)和92.4%(濕式)。

與傳統(tǒng)的工業(yè)除塵器相比，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組合而成的微型旋流管組體積相對(duì)較小，更適應(yīng)于粉塵濃度大的受限作業(yè)空間。目前對(duì)于受限空間的除塵方式如常見的井下濕式除塵之外，鮮少看到其他干式除塵的應(yīng)用[16]，針對(duì)該現(xiàn)象，本文通過建立微型直通導(dǎo)葉式旋流管組的實(shí)驗(yàn)裝置(尺寸為600 mm×495 mm×297 mm)，開展不同粉塵濃度、不同抽氣率工作條件下，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組分離效率的影響研究，為其在受限空間的應(yīng)用提供有效理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)采用主要成分為SiO2的未球化前的玻璃微珠粉體作為實(shí)驗(yàn)原料，玻璃微珠的震實(shí)密度2.067 g/cm3(堆密度1.311 g/cm3)，中位粒徑d50為9.673 μm，其粒徑分布見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)物料粒徑分布Table 1 Particle size distribution of experimental materials

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

直通導(dǎo)葉式微型旋流管組分離效率實(shí)驗(yàn)研究裝置主要由直通導(dǎo)葉式微型旋流管組、動(dòng)力系統(tǒng)(多翼式離心防爆風(fēng)機(jī))、測(cè)量系統(tǒng)(包括風(fēng)速儀、電子秤、濃度儀等)、抽氣系統(tǒng)(包括抽塵泵和集塵袋)、加料系統(tǒng)(空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、給粉機(jī))以及通風(fēng)管道系統(tǒng)6部分組成，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置處于負(fù)壓狀態(tài)。直通導(dǎo)葉式旋流管是由熱塑性聚酯、超高分子量聚乙烯等構(gòu)成的高分子化合物，具有較高的耐高溫型和抗靜電性。整體結(jié)構(gòu)能夠滿足有限空間內(nèi)作業(yè)的防爆要求。實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖1所示。

圖2為直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，尺寸為600 mm×495 mm×297 mm，由98個(gè)相同結(jié)構(gòu)和尺寸直通導(dǎo)葉式旋流管并聯(lián)組成。

圖3為單個(gè)直通導(dǎo)葉式旋流管結(jié)構(gòu)圖，整體長為97 mm，由進(jìn)風(fēng)管段、導(dǎo)流葉片、主體筒體、排塵口和出風(fēng)管段組成。進(jìn)風(fēng)管段直徑為25 mm，出氣管段可與主體筒體分離，長44 mm，出風(fēng)管段中有39 mm嵌入在主體筒體。

圖3 單個(gè)直通導(dǎo)葉式微型旋流管結(jié)構(gòu)Fig.3 Single straight-through lead-led cyclone structure diagram

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)以空氣為介質(zhì)，以未球形前的玻璃微珠為粉體原料，給粉機(jī)通過壓縮空氣引射實(shí)驗(yàn)原料形成氣固兩相流進(jìn)入集塵罩內(nèi)部，含粉塵氣流經(jīng)集塵罩后通過直通導(dǎo)葉式微型旋流管組進(jìn)風(fēng)管段后受導(dǎo)流葉片的導(dǎo)流及壓縮，產(chǎn)生離心力，粉塵因離心力作用而從排塵口排出，干凈氣流則通過出風(fēng)管段排出。動(dòng)力系統(tǒng)由多翼式離心風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力；抽氣系統(tǒng)通過使用抽塵泵對(duì)排塵口不同程度的抽氣來測(cè)試抽氣率對(duì)直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的分離效率的影響，抽出粉塵用集塵袋搜集；經(jīng)直通導(dǎo)葉式微型旋流管組分離后的干凈氣流通過通風(fēng)管道后被排出；流量、重量、濃度的測(cè)量分別由風(fēng)速儀、電子秤、濃度儀等儀器來完成。

為研究不同濃度、不同抽氣率對(duì)直通導(dǎo)葉式微型旋流管組分離效率的影響，實(shí)驗(yàn)主要用電子秤通過稱重法考察其性能指標(biāo)分離效率。

1.3.1 直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的除塵效率

根據(jù)集塵袋中收集的粉塵質(zhì)量，計(jì)算直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的除塵效率。根據(jù)除塵效率公式，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組除塵效率η1為：

(1)

式中：η1為微型旋流管組除塵效率，%；m1為過濾前集塵袋質(zhì)量，g；m2為過濾后集塵袋質(zhì)量，g；v為粉塵速率，g/min；t為給粉時(shí)間，min。

1.3.2 抽塵泵的抽風(fēng)率

利用風(fēng)速儀測(cè)定主風(fēng)機(jī)管道以及抽塵泵管道的風(fēng)速，計(jì)算管道流量Q，然后通過流量計(jì)算抽塵泵抽風(fēng)率。其中管道流量Q為：

(2)

式中：Q為管道流量，m3/s；d為管道直徑，m；v為管道內(nèi)平均風(fēng)速，m/s。

(3)

式中：η2為抽氣率，%；Q1為主風(fēng)機(jī)管道流量，m3/s；Q2為抽塵泵管道流量，m3/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 直通導(dǎo)葉式微型旋流管組分離效率的研究

2.1.1 粉塵濃度對(duì)直通導(dǎo)葉式微型旋流管組分離效率的影響

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了直通導(dǎo)葉式微型旋流管組在相同條件下對(duì)于不同粉塵濃度的分離效率。圖4為直通導(dǎo)葉式微型旋流管組在流量為1 526.04 m3/h，抽氣率從0%～10%，粉塵濃度從200 mg/m3逐漸增大到1 400 mg/m3情況下的分離效率。從圖4可以看出，抽氣率在0%～5%條件下，當(dāng)粉塵濃度從200 mg/m3增至600 mg/m3時(shí)，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組除塵效率隨著粉塵濃度的增加，不同的抽氣率條件下分離效率都是逐漸增加的；當(dāng)粉塵濃度大于600 mg/m3時(shí)，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組除塵效率開始逐漸減小或持平，在粉塵濃度為1 000 mg/m3時(shí)直通導(dǎo)葉式旋流管分離效率最高。因?yàn)樵诜蹓m濃度較低范圍內(nèi)時(shí)，隨著粉塵濃度的增加，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組內(nèi)顆粒之間相互碰撞、團(tuán)聚、夾帶作用會(huì)逐漸增強(qiáng)，從而使得顆粒粉塵向器壁運(yùn)動(dòng)的離心力增強(qiáng)而被排塵口捕捉；當(dāng)粉塵濃度超過600 mg/m3時(shí)，顆粒之間的反彈、返混作用增強(qiáng)會(huì)使得直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的分離效率降低或持平；當(dāng)粉塵濃度從800 mg/m3逐漸增至為1 000 mg/m3時(shí)，顆粒之間的返混作用降低，同時(shí)抽氣能增強(qiáng)顆粒運(yùn)動(dòng)離心力減少了顆粒間的返混，使得直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的分離效率達(dá)到最高。即在粉塵濃度低于600 mg/m3時(shí)，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組分離效率隨著粉塵濃度的增加而增加，而當(dāng)粉塵濃度超過600 mg/m3時(shí)，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組對(duì)于1 000 mg/m3粉塵濃度的分離效率最佳。

圖4 不同濃度下直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的分離效率Fig.4 Separation efficiency of the straight-through leaf micro-cyclone group at different concentrations

2.1.2 抽氣率對(duì)直通導(dǎo)葉式微型旋流管組分離效率的影響

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了在相同條件下，不同抽氣率對(duì)直通導(dǎo)葉式微型旋流管組在不同粉塵濃度下的分離效率變化趨勢(shì)，如圖5所示。當(dāng)粉塵濃度小于600 mg/m3時(shí)，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的分離效率隨著抽氣率的增加而逐漸增加，當(dāng)粉塵濃度大于或等于600 mg/m3時(shí)，隨著抽氣率的增加，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的分離效率逐漸增加，當(dāng)抽氣率超過5%時(shí)，分離效率又逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)粉塵在較低濃度范圍內(nèi)時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)受氣流影響較大，抽氣率越大，粉塵顆粒受抽氣氣流影響的離心力越大而被捕捉的較多；當(dāng)粉塵濃度較大時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定而受氣流影響較小，并非抽氣率越大分離效率就越大，抽氣率過大使得顆粒之間的碰撞反彈增強(qiáng)、返混現(xiàn)象增強(qiáng)從而導(dǎo)致分離效率降低。因此，當(dāng)粉塵濃度小于600 mg/m3時(shí)，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組隨著抽氣率的增加分離效率逐漸增加，當(dāng)粉塵濃度大于或等于600 mg/m3時(shí)，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組在抽氣率為5%時(shí)分離效率可達(dá)94%。

圖5 不同抽氣率下直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的分離效率Fig.5 Separation efficiency of the straight-through leaf micro-cyclone tube group at different pumping rates

2.2 粉塵粒徑與形貌分析

為了更加直觀看出直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的分離效果，利用激光顆粒分析儀LS13320對(duì)直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的進(jìn)氣口(實(shí)驗(yàn)原料玻璃微珠粒徑分布)、排塵口及氣流出口的玻璃微珠粉塵進(jìn)行粒度測(cè)試，各部位的粉塵粒徑分布如圖6所示。

圖6 各部位粒徑分布Fig.6 Particle size distribution map of each part

圖6為直通導(dǎo)葉式旋流管組3個(gè)不同位置的體積-粒徑分布圖，縱坐標(biāo)表示實(shí)驗(yàn)原料粉塵中不同粒徑的顆粒所占整體粉塵體積比例為多少，橫坐標(biāo)表示實(shí)驗(yàn)原料粉塵中各種顆粒的粒徑是多大，圖6中3條不同曲線分別代表3個(gè)不同部位粉塵的不同粒徑所占比例分布情況，為更加直觀了解各部位的粉塵分布情況，分別標(biāo)出了不同部位粉塵分布的d50值(粉塵中有50%的粉塵小于這一粒徑值)。

從圖6可以看出，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組含塵氣流進(jìn)氣口、氣流出口、排塵口各處粉塵粒徑分布差異明顯，進(jìn)氣口曲線為實(shí)驗(yàn)原料粉塵原始粒徑分布曲線d50為9.673 μm，排塵口粉塵是被直通導(dǎo)葉式旋流管組分離后被收集的粉塵，d50為14.34 μm，而氣流出口通過直通導(dǎo)葉式微型旋流管組后逃逸的粉塵，d50為5.038 μm。由此可以看出直通導(dǎo)葉式微型旋流管組對(duì)粒徑在14.34 μm及以上的玻璃微珠粉塵分離效果較好，而對(duì)于5.038 μm及以下的玻璃微珠粉塵分離效果不佳。

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)實(shí)驗(yàn)用的玻璃微珠的形貌進(jìn)行了測(cè)試分析。分別選取直通導(dǎo)葉式微型旋流管組的進(jìn)氣口、排塵口及氣流出口的玻璃微珠進(jìn)行測(cè)試，其顆粒形貌圖如圖7所示。從圖7(a)可以看出，進(jìn)氣口玻璃微珠原料顆粒大小不一，非常不規(guī)則；而圖7(b)排塵口的玻璃微珠顆粒明顯比圖7(c)氣流出口的玻璃微珠顆粒大，可以看出實(shí)驗(yàn)原料經(jīng)過微型旋流管組后，從排塵口分離出來的皆是大顆粒，這說明微型旋流管組分離作用明顯；而對(duì)于小顆粒粉塵，微型旋流管組無法進(jìn)行有效分離，從氣流出口被氣流帶出，表明了微型旋流管對(duì)大顆粒除塵效果明顯，而對(duì)于小顆粒粉塵分離效果還有待于進(jìn)一步提高。

圖7 直通導(dǎo)葉式微型旋流管組各部位玻璃微珠顆粒形貌Fig.7 Straight-through leaf micro-cyclone group glass micro-bead particle profile map

3 結(jié)論

1)在排塵口無抽氣時(shí)，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組對(duì)于200～1 400 mg/m3粉塵濃度的除塵效率最佳，可達(dá)85%；在排塵口有抽氣時(shí)直通導(dǎo)葉式微型旋流管組對(duì)于1 000 mg/m3粉塵濃度的除塵效率最佳，可以達(dá)到94%。

2)當(dāng)粉塵濃度小于600 mg/m3時(shí)，抽氣率在0%～5%條件下，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組隨著抽氣率的增加分離效率逐漸增加，當(dāng)粉塵濃度大于或等于600 mg/m3時(shí)，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組在抽氣率為5%時(shí)分離效率最佳，達(dá)到92%～94%。

3)通過粉塵粒度及形貌測(cè)試分析對(duì)比可知，直通導(dǎo)葉式微型旋流管組對(duì)粒徑在14.34 μm以上的玻璃微珠粉塵分離效果較好，而對(duì)于5.038 μm以下的玻璃微珠粉塵分離效果不佳，因此在后期的設(shè)備開發(fā)中，該微型旋流管組可與濾筒等高效除塵器進(jìn)行匹配，形成一套集初效和高效一體的除塵器。