矿山粉尘的湿式纤维层过滤阻力类比研究

陈喜山,张永亮(青岛理工大学环境学院,山东 青岛 266520)

矿山粉尘的湿式纤维层过滤阻力类比研究

陈喜山,张永亮*(青岛理工大学环境学院,山东 青岛 266520)

为提高矿山粉尘收集效率,对除尘器湿式过滤层纤维丝过滤阻力进行理论分析,建立粉尘粒子通过除尘器湿式纤维丝时的阻力理论模型,自行设计了湿式纤维层过滤实验模拟系统,模拟矿山粉尘特点进行了实验研究,对理论模型参数进行了无量纲修正,进一步完善粉尘湿式过滤的阻力理论公式.实验表明,该理论在实际应用中具有较高的准确性.经修正后的理论曲线不仅与实验曲线的趋势保持一致,同时数值上也基本吻合,具有良好的代表性.

矿山粉尘；湿式纤维层；阻力；净化；除尘器

矿山粉尘湿式纤维层过滤净化方法是一种将过滤净化机理同喷雾清洗机理相结合的复合净化方法,该方法同时利用了纤维滤层对矿山粉尘过滤净化的高效率和清洗液对沉积在纤维滤料上的矿山粉尘的清洗作用,对各类矿山粉尘均有很好的净化效果.在这一过程中,不仅提高了矿山粉尘的净化效率,还及时清洗了积存于过滤材料中的矿山粉尘,延长了过滤材料的使用寿命[1],如图1所示.

在这一过滤净化过程中,在矿山粉尘经纤维滤层过滤的同时,向纤维滤层喷洒雾化清洗液,使其在风流的作用下进入到纤维滤层中.此时,过滤体除了有固体的纤维丝之外,还包含有以液膜、液珠等[2-4]多种复杂形态存在的清洗液.目前为止只能通过实验或实测手段对其进行分析,获得与过滤阻力、效率等有关的设计参数,还无法从理论上给出一个较为满意的解释.

通过前人对纤维层内部的分析可知,湿式纤维层过滤的阻力相当于纤维丝、液珠、液膜等对气流阻力的总和[5-6],由于纤维过滤层中的纤维丝、液珠和液膜存在的形态过于复杂,总阻力并不是各自阻力的简单叠加,特别是以多种复杂状态存在于过滤层内部的清洗液根本无法进行定量的描述.因此,在湿式纤维层过滤净化中仍有许多至今难以确定的物理量和物理关系.

为了简化问题的分析和处理过程,在清洗液均匀分布于滤层纤维丝表面流动的基本假设基础上,提出了清洗液和纤维丝组成的混合捕集体的概念,对湿式纤维层过滤阻力的过程进行了较为深入的研究,得出了湿式纤维层过滤阻力的理论模型,并通过正交优化实验对其进行了必要的相似修正,得出了较为符合实际的湿式纤维层过滤阻力的半理论半经验公式.

图1 湿式过滤净化模型Fig.1 Wet filtration purification model

1 过滤净化阻力的理论分析

1.1 基本假设

为揭示影响净化过程的主要因素,对湿式纤维层过滤过程作如下几项基本假设:

1) 纤维过滤层中的纤维丝的横断面为圆形,实际上也基本均为圆形;

2) 进入纤维滤层的清洗液均匀分布于纤维丝的表面流动,形成当量直径为d的混合捕集体[7];

3) 矿山粉尘一经被过滤下来,即被流动的清洗液带走,不影响以后的过滤净化过程;

4) 过滤净化过程在纤维过滤层内部进行.

经过上述假设后,整个分析过程避开了湿式纤维过滤层中清洗液的复杂分布形态,使之成为一个可以用数学描述且相对简单的等效过程.

1.2 理论模型的建立

1.2.1 湿式纤维过滤层中混合捕集体的充填率β及当量直径d的分析 在湿式过滤过程中湿式过滤层内部的粉尘捕集体是由纤维丝和动态流动的清洗液组合而成,过滤层的总充填率应为纤维丝的充填率βf加上清洗液的充填率β1,即:

通常,纤维过滤层的纤维丝充填率βf在滤料产品出厂时便已给出,清洗液的充填率β1与过滤净化过程中喷入过滤层的清洗液量Q有关,即 β1∝Q,可以通过单位时间的喷液量和纤维过滤层所占据的空间体积计算得到.

根据基本假设2),进入纤维过滤层内部的清洗液均匀地附着于纤维丝的表面流动.如图2所示,混合捕集体的横断面积应为纤维丝的横断面积和附着于纤维表面的清洗液部分之和,清洗液所占的面积即为包围在纤维丝表面的环形面积.根据图2可知,混合捕集体的当量直径d和纤维直径df存在如下等式关系:

图2 混合捕集体模型Fig.2 The composite trap model

式中:V为湿式纤维滤层所占据的空间体积,m3;β1为清洗液的充填率,%;lf为湿式纤维滤层中纤维丝的总长度,

将纤维的总长度lf代入式(2),整理后可得到混合捕集体的当量直径:

1.2.2 湿式纤维层过滤阻力的理论推导 由于喷头喷出的喷射体为圆锥形,因此纤维过滤层的受液表面必为圆形.在风流的作用下雾状清洗液进入到纤维过滤层的内部,矿山粉尘的过滤空间应为沿过滤层厚度方向的扁圆柱状,如图3所示.

在图3中,沿长度方向取一微元片体,其厚度为dh断面积为A.湿式过滤时该微元片体中总的充填率β 应为纤维丝和清洗液两者的充填率之和.

图3 湿式纤维层内单元微分体分析模型Fig.3 Analytical model of unit differential field in the wet fiber layer

分析沿风流方向上作用在该微元片体上的力有:微元片体两面的气流压力和气流通过纤维层缝隙时的摩擦阻力dF.

沿流向方向写出3个作用力的平衡方程:

简化得:

气流通过单位长度湿式纤维丝的绕流阻力为[8]:

式中:d为湿式纤维丝与清洗液组成的混合捕集体当量直径,m; u为过滤风速,m/s; Cd为无因次系数,是雷诺数Re的函数,与过滤风速v、当量直径d以及气流的黏度μ有关,可根据雷诺数Re查圆柱绕流阻力系数图表获得[5].

若该微元体内纤维丝和清洗液组成的混合捕集体的总长度应等于微元体内纤维的长度dl,则微元片体内的摩擦阻力应为:

将(6)式代入(4)式后,取积分:

积分后整理可得:

再将(1)式和(2)式代入,可得如下理论式:

从式(8)可以看出,过滤阻力与过滤风速的平方成正比,与纤维过滤层的厚度成正比,与纤维丝的直径成反比,这些特点均与纤维层干式过滤时相同[9-10].

式(8)的意义在于:它不仅包含了过滤气流物理参数、纤维过滤层材料的基本性质,同时,又包括了清洗液在过滤层中的充填率.由于清洗液的充填率可以通过供液量计算得出,自然也建立起了过滤阻力与供液量之间的关系.

当采取干式纤维层过滤时,令清洗液的充填率β1=0,式(8)即刻变为描述干式纤维层过滤的阻力公式.

2 理论式的实验检验与修正

2.1 模拟实验系统

模拟实验系统如图4所示.

2.2 模拟实验参数模拟实验气流、过滤单元参数见表1所示.

表1 实验参数Table 1 Experiment parameters

实验采用中位径为22.58μm的微珠状硅微粉模拟固体矿山粉尘,自来水作为清洗液.根据正交优化实验得出,最优净化区间的供液量分别为:Qi=40,60,80,100,120L/h.利用过滤单元层的体积和供液量分别计算出清洗液在不同喷液量情况下的充填率.

图5中分别绘出了过滤阻力随供液量变化的实验曲线和由式(8)计算出的过滤阻力随喷液量变化的理论曲线.

由图5可知,理论计算的阻力曲线和实验测得的阻力曲线均随供液量的增加而增大,近乎于直线,两条曲线趋势基本一致.可认为理论曲线基本上可以正确描述过滤阻力随供液量的变化规律.

图4 模拟实验系统Fig.4 Simulation experimental system

图5 过滤阻力的理论值与实验值的比较Fig.5 Comparison of theoretical and experimental values of the filtration resistance

尽管两曲线的趋势一致,而理论值与实验值还不能完全吻合.一方面,是由于清洗液的实际分布状态与第2)条基本假设有所差异所产生的影响;另一方面,是由于纤维层中纤维丝的相互重叠对气体绕流的影响;同时,过滤过程中难免有少量粉尘粒子清洗不干净使阻力有所增加.

从二者的变化趋势的一致性,可以应用模拟实验数据对理论式(8)进行无量纲修正,从而得到一个半理论半经验公式指导实际应用.

2.3 理论模型的无量纲修正

通过对图5中两条曲线分析,由于清洗液在过滤层中不规则的分布状态、内部流场的影响以及粉尘少量残留是影响偏差的主要因素.这些影响主要反映在混合捕集体的充填率上,因此,对充填率项进行校正.校正式的形式如下所示:

代回上式中,可得直线方程:

利用正交优化实验得到的5组最优的供液量数据,分别计算出5组供液量的充填率,代入X式中,计算出不同的X值作为横坐标;将表1中的实验数据和对应与5种不同供液量实测的阻力值ΔP值分别代入Y式中,计算出不同的Y值作为纵坐标,得出X和Y相对应的散点图(图6).

图6 散点分布Fig.6 Scatter diagram

图7 过滤阻力的修正式计算值与实验值的比较Fig.7 Comparison of calculated and experimental values of the filtration resistance

对散点图6进行线性回归,得到所设置的校正系数ξ≈0.965.将该值代回到原方程(9)中便可得到经过无量纲相似校正的半理论半经验的湿式过滤净化阻力的计算公式:

由图7可见,修正式(10)绘出的阻力曲线和实验曲线结果基本吻合,具有良好的代表性.

由于采用了无量纲的相似修正,因此,式(10)完全可以反映实际湿式过滤的情况,可以用于指导矿山粉尘湿式过滤净化的设计研究工作.

3 结论

3.1 获得了湿式纤维层矿山粉尘过滤阻力理论模型,该模型基本上反映了净化过程中的实际情况,从理论上解决了以往理论上无法描述的湿式纤维层过滤阻力与供液量之间的关系,建立起了矿山粉尘湿式纤维层过滤净化的理论基础.

3.2 应用正交实验数值对理论式进行了无量纲修正,通过修正得到了半理论半经验式(10),使之更加适用于该区间内的实际情况,不但可以用于湿式纤维层过滤净化阻力的估计,同时,也可以用于指导该类过滤净化器设计和结构优化.

3.3 在最优供液区间内另选了一组实验数据与式(10)计算结果重新比较,两者吻合较好.经过校正后进一步提高了计算的准确性.

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Analogy research on wet fiber layer filtration resistance of mine dust.

CHEN Xi-shan, ZHANG Yong-liang*(Environmental School, Qingdao Technological University, Qingdao 266520, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2721～2725

To raise the efficiency of dust collection, theoretical analysis on filtrating resistance about the fiber of wet filtering layer precipitator was carried on, and the theoretical model about filtration resistance of dust when it passed the wet fiber layer precipitator was built. Filtration experiment simulation system of wet filtering layer was designed, characteristics of mine dust was simulated with experiment study, the dimensionless parameter of theoretical model was modified, and the theory formula for resistance of dust wet filter was optimized. Results showed that this theoretical model possessed high accuracy and can be applied in practice. It has exhibited good representation, not only did the tendency of theoretical curve is in agreement with the test curve, but also the result basically agreed well with calculated value, as mended.

mine dust；wet fiber layer；resistance；purify；precipitator

X513

A

1000-6923(2014)11-2721-05

陈喜山(1956-),男,黑龙江齐齐哈尔人,教授,硕士,主要从事矿山通风除尘及空气净化方面的研究.发表论文40余篇.

2014-01-15

国家自然科学基金(51274127,51204100)

* 责任作者, 副教授, zhyoliang@163.com