不同喷嘴类型静电旋风水膜除尘系统配置优化实验研究*

彭积成，陈祖云，张如梦

(江西理工大学 应急管理与安全工程学院，江西 赣州 341000)

0 引言

随着国家对工业排放控制力度的不断加大，我国的大气污染控制取得了长足的进步。在日益严格的PM2.5排放标准下，单一降尘机理组成的降尘设备已不能满足日益严格的工业排尘要求，多机理复合降尘技术已成为解决粉尘污染问题的重要技术手段[1-2]。静电旋风水膜除尘系统耦合了湿式除尘器、旋风除尘器以及静电除尘器的除尘机理，有效完善了单一降尘机理的缺陷，从而对粒径较小的粉尘有较高的捕集效率[3-4]。通过查阅相关文献，其影响因素除了与喷嘴类型、喷嘴位置和喷嘴数量有关[5-10]，还与进口风速，喷嘴单位面积流量及静电电压有关[11-14]。本文通过选型不同喷嘴类型，对进口风速、单位面积流量和静电电压进行组合优化，获得各喷嘴作用下除尘系统各因素的最佳参数，从而提升对粉尘颗粒物的捕集效率。

1 实验装置

1.1 实验装置及现场布置

实验采用自制的静电旋风水膜除尘系统模型，处理风量为850 m3/h，实验装置示意图和现场布置图分别如图1(a)和图1(b)所示。进行实验时依次启动风机、水泵、发尘器、高压电源，带尘气流从除尘系统的渐缩管口流进，进入旋风筒体内，在水雾和高压电的作用下，形成较大的含尘带电雾滴，雾滴在离心力和重力的作用下飞向旋风筒壁，粉尘被筒壁上形成的水膜所捕集，最终被捕获的粉尘随着水膜降落到水槽当中，净化完的气体从风机口排放到大气中。

1.2 喷嘴类型及布置方式

实验喷嘴布置方式及特性如图2及表1所示，用水泵连接的4个进水口均匀设置在旋风筒体的上部，进水口安装连接喷嘴的万向喷管。

图2 喷嘴类型及布置方式Fig.2 Types and arrangement of nozzles

通过集尘极清灰水膜均布性能实验，发现加宽版吹风喷头具有较好的水膜均布性，1 mm孔径广角实心喷嘴能提供更多的细小雾滴且荷电效果较好，综合考虑选取加宽版吹风喷头、1 mm孔径广角实心喷嘴、组合型喷嘴(3个加宽版吹风喷头+1个1 mm孔径广角实心喷嘴)进行实验。

表1 喷嘴特性Table 1 Nozzle characteristics

2 实验结果分析

2.1 单因素影响实验研究

本文用到的粉尘为一般滑石粉，粒径大约为32 μm，样品粒径分布如表2所示。

表2 粉尘样品粒径分布Table 2 Particle size distribution of dust samples

2.1.1 进口风速

不考虑电压下选用一般滑石粉发尘，测定进口风速的变化对加宽版吹风喷头、组合型喷嘴以及1 mm孔径广角实心喷嘴的除尘效率的影响。通过改变风挡来改变进口风速，每挡对应风速如表3所示。

表3 除尘设备漏风率实验结果Table 3 Experimental results of air leakage rate of dust removal equipment

测得实验室空气的密度ρ为1.199 kg/m3，仅改变进口风速的大小得到各喷嘴的除尘效率、系统阻力如图3所示。由图3可知，随着进口风速的增大，各喷嘴的除尘效率先增大后减小。其增大的原因是风速的增大会增大含尘气流在旋风筒体内的切向速度，使得含尘雾滴更易因离心力的作用被集尘板捕集；其减小的原因是风速过大会吹散旋风筒体内的水膜且风机较易将水雾抽出，出现烟气带水现象，其次风速过大会加大旋风筒体内尘粒的相互摩擦，从而更易形成细颗粒；风速过大同样会破坏已凝聚好的较大粉尘和含尘雾滴。

图3 进口风速对除尘效率和系统阻力的影响Fig.3 Influence of inlet wind speed on dust removal efficiency and system resistance

由图3可知，仅考虑进口风速的影响，各喷嘴的综合除尘效率排序为：组合型喷嘴>加宽版吹风喷头>1 mm孔径广角实心喷嘴，3种喷嘴均在风速为12.03 m/s时达到最高除尘效率。3种喷嘴的系统阻力随着进口风速的增大而增大，损耗急剧增加。当进口风速超过12.03 m/s时，压力损失增长率有所增大。综合考虑除尘效率及系统阻力，3种喷嘴的进口风速设为12.03 m/s较为合适。

2.1.2 单位面积流量

不考虑电压下选用一般滑石粉发尘，进口风速为12.03 m/s，通过调节供水压力来改变不同喷嘴类型的单位面积流量，测得对除尘效率及系统阻力的影响如图4所示。

图4 单位面积流量对除尘效率及系统阻力的影响Fig.4 Influence of unit area flow rate on dust removal efficiency and system resistance

由图4可知，单位面积流量的增大，3种喷嘴作用下的除尘效率随之增大；1 mm孔径广角实心喷嘴和组合型喷嘴的系统阻力也随之增大，且1 mm孔径广角实心喷嘴的系统阻力增长率大于组合型喷嘴；加宽版吹风喷头的系统阻力却随着单位面积流量的增大而不断下降，但下降率有减小的趋势。3种喷嘴除尘效率增大的原因是单位面积流量变大使得喷嘴形成的水膜更加的均匀，促使水膜能够更好地捕集粉尘；1 mm孔径广角实心喷嘴和组合型喷嘴的系统阻力增大的原因是单位面积流量增大，连接有1 mm孔径广角实心喷嘴的旋风筒体内含尘雾滴较多，一部分含尘雾滴随风流进入除尘口，从而系统阻力增大；而加宽版吹风喷头的系统阻力减小的原因是流量增大会使筒壁内的水膜分布的越均匀，水膜会把筒壁接缝覆盖，从而系统阻力因此而减小。

综合考虑除尘效率和系统阻力，加宽版吹风喷头、组合型喷嘴和1 mm孔径广角实心喷嘴的单位面积流量分别设为1.14，1.02，0.33 L/(m2·s)。

2.1.3 静电电压

选用一般滑石粉发尘，进口风速为12.03 m/s，加宽版吹风喷头、组合型喷嘴和1 mm孔径广角实心喷嘴单位面积流量分别为1.14，1.02，0.33 L/(m2·s)，测定在不同静电电压下，除尘效率的变化及相应伏安特性曲线如图5所示。

图5 除尘效率与V-I曲线关系Fig.5 Relationship between dust removal efficiency and volt-ampere characteristic curve

由图5可知，3种喷嘴的除尘效率均随着静电电压和电流的增大而不断增大。组合型喷嘴的除尘效果较优，当电压为45 kV、电流为0.347 mA时，除尘效率高达98.75%。1 mm孔径广角实心喷嘴放电效果最好，但电压上升的区间不大，电压高于25 kV容易出现击穿现象。加宽版吹风喷头的放电能力和除尘效率位于1 mm孔径广角实心喷嘴和组合型喷嘴之间，当电压为45 kV时，除尘效率达到97.89%。综合分析考虑，加宽版吹风喷头、组合型喷嘴和1 mm孔径广角实心喷嘴的最佳静电电压分别为45，45，25 kV。

2.2 不同类型喷嘴的正交实验

2.2.1 正交实验设计

在单因素进口风速V、单位面积流量Qs和静电电压U最佳水平实验结果的基础上通过SPSS软件进行正交实验设计，以此来获得该除尘系统各参数的最优配置。建立因素水平表如表4所示。

表4 因素水平Table 4 Factor levels

2.2.2 正交实验结果与分析

通过实验得到加宽版吹风喷头、1 mm孔径广角实心喷嘴、组合型喷嘴的正交实验结果，通过极差分析法对正交实验结果进行分析，分别得到3种喷嘴除尘效率正交实验结果如表5所示、正交因素显著性对比表6。

表5 3种喷嘴除尘效率正交实验结果Table 5 Orthogonal experimental results of dust removal efficiency of three nozzles

表6 3种喷嘴正交因素显著性对比Table 6 Comparison on orthogonal factor significance of three nozzles

图6 影响因素直观分析Fig.6 Visual analysis diagram of influencing factors

由图6(a)可知，随着进口风速不断递增，3种喷嘴的除尘效率先递增后递减且均在进口风速为12.03 m/s时达到最大，故最佳进口风速为12.03 m/s；由图6(b)可知，单位面积流量的增大，3种喷嘴的除尘效率均随之增大，1 mm孔径广角实心喷嘴增长较为明显，故1 mm孔径广角实心喷嘴的最佳单位面积流量为0.33 L/(m2·s)，综合考虑加宽版吹风喷头和组合型喷嘴的除尘效率增幅渐为平缓及用水量的情况，加宽版吹风喷头和组合型喷嘴的单位面积流量分别设为1.14，1.02 L/(m2·s)较为合适；由图6(c)可知，3种喷嘴的除尘效率均随着静电电压的增大而增大，且增长率变大，因此加宽版吹风喷头、组合型喷嘴和1 mm孔径广角实心喷嘴的最佳静电电压分别设为45，45，25 kV。

2.2.3 不同喷嘴类型对比

在3种喷嘴各自最佳参数情况下，分别实验5组，得到对应的除尘效率、系统阻力如图7所示。由图7可知，3种喷嘴的除尘效率波动范围均在1%之间；3种喷嘴的系统阻力波动范围均在10 Pa之间，说明实验测得的数据可靠且具有参考价值。3种喷嘴在最佳参数下除尘效率的排序为：组合型喷嘴>加宽版吹风喷头>1 mm孔径广角实心喷嘴，最佳参数下系统阻力的排序为：1 mm孔径广角实心喷嘴>组合型喷嘴>加宽版吹风喷头，且1 mm孔径广角实心喷嘴的系统阻力远远大于另外2种喷嘴的系统阻力。

图7 最佳参数下设备除尘效率和总阻力Fig.7 Dust removal efficiency and total resistance of equipment under optimal parameters

结合除尘效率和阻力分析，该静电旋风水膜除尘系统在最佳参数下的除尘性能为：组合型喷嘴>加宽版吹风喷头>1 mm孔径广角实心喷嘴。

在温度为20 ℃、进口粉尘浓度为3.82 g/m3、组合型喷嘴最佳参数下，测定本除尘设备系统下粉尘颗粒的分级除尘效率，大致了解系统的粒径除尘区间。通过实验得到除尘系统的分级除尘效率，如图8所示。

图8 除尘系统分级效率Fig.8 Classification efficiency of dust removal system

由图8可知，当进口风速不变时，随着粉尘颗粒粒径的增大，除尘系统的除尘分级效率也不断增大且增幅不断变缓，在粒径大概为40 μm时分级效率约为100%；当粉尘颗粒粒径一定时，系统的分级除尘效率随着进口风速的增大呈现递减的趋势，但粒径越大下的分级效率越接近，其原因是风速相对较小时，粉尘颗粒停留在除尘设备内的时间越长，使之与旋风筒体内由喷嘴产生的雾滴相碰撞的概率增大，碰撞后形成更大的含尘雾滴，因此更易被收尘极捕集。故较小的进口风速有利于提高除尘系统的除尘效率。

3 结论

1)随着进口风速的增大，3种不同喷嘴类型作用下的除尘效率先增大后减小，系统阻力随之增大；随着单位面积流量的增大，3种不同喷嘴类型作用下的除尘效率呈现增大的趋势，1 mm孔径广角实心喷嘴和组合型喷嘴作用下的系统阻力随之增大，但加宽版吹风喷头作用下的系统阻力呈现递减趋势；随着静电电压的增大，3种不同喷嘴类型作用下的除尘效率均增大。

2)通过SPSS软件正交实验，得到3种不同喷嘴类型作用下的除尘效率各因素的影响排序均为：进口风速>静电电压>单位面积流量。加宽版吹风喷头、1 mm孔径广角实心喷嘴和组合型喷嘴的最佳入口风速均为12.03 m/s，最佳单位面积流量分别为1.14，0.33，1.02 L/(m2·s)，最佳静电电压分别为45，25，45 kV。

3)在各喷嘴的最佳参数下，综合考虑除尘效率和系统阻力，各喷嘴作用下的除尘性能排序为：组合型喷嘴>加宽版吹风喷头>1 mm孔径广角实心喷嘴。在组合型喷嘴最佳参数下，当进口风速不变时，随着粉尘颗粒粒径的增大，除尘系统的除尘分级效率也不断增大且增幅不断变缓，在粒径大概为40 μm时分级效率约为100%；当粉尘颗粒粒径不变时，随着进口风速的增大，系统的分级除尘效率呈现递减的趋势，粒径越大下的分级效率越接近。