基于电晕强化荷电的选矿厂粉尘电凝并除尘研究

李海生,徐子茵,蔡丰义,陈英华,冯维刚,陈聚凯

(1.中国矿业大学 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学 化工学院,江苏 徐州 221116)

选矿厂是加工和处理矿物的主要场所[1-2],在选矿加工工艺流程中极易产生粉尘污染,不但会恶化周围大气环境,还会影响现场工作人员的身体健康[3-4]。因此,根据选矿厂生产场所的环境特殊性,设置相应的除尘系统很有必要[5]。

选矿厂生产性粉尘治理方法可以分为干法和湿法,主要与粉尘性质、尘源及产尘机理有关[6-7]。实际生产过程中,相关企业采取了一些除尘措施,同时开展除尘控制系统优化[8-9],应用干雾抑尘[10-11]、布袋除尘、湿式除尘[7]等进行技术改造,实现对选矿粉尘的捕集,取得了一定的成效。湿法除尘工艺具有一定的降尘效果,可以使局部粉尘污染降到可控范围,部分回收粉尘可以用于进一步分选提质。湿法工艺应用水或水雾对粉尘颗粒进行黏附或包裹,促使颗粒产生沉降或分离,从而实现除尘,但在雾化抑尘过程中会引发粉尘颗粒泥化或聚集,极易堵塞设备[12]。

随着环保要求的逐渐提高,作为粉尘污染的主要场所,选矿厂生产车间对大气环境中颗粒污染物控制提出了更高的技术要求,尽可能降低工作场所大气环境中的颗粒物含量,对生态环境保护和职业健康具有重要意义[13]。现有技术对粉尘颗粒脱除效率已达到99%以上,但针对微细颗粒特别是空气动力学当量直径小于5.0 μm的微细颗粒物的脱除效果很难得到提高。作为一种处理量大、除尘效率高的除尘技术,电凝并除尘技术已被广泛应用,其主要通过电晕放电等方式使粉尘颗粒荷电,荷电后的颗粒在高压静电场中惯性碰撞、扩散、空间电荷力作用下,多个微细颗粒将会凝并成大粒径颗粒,再依靠电除尘技术进行脱除,特别适合脱除当量直径小于5.0 μm的微细粉尘颗粒。

粉尘颗粒的荷电效果是影响电凝并除尘过程的技术关键。依据选矿粉尘电凝并除尘工艺流程,提出一种电晕强化荷电装置,借助数值模拟与实验研究手段,探索电晕作用下粉尘颗粒强化荷电的机理,结合颗粒荷电和电凝并除尘实验,研究电晕作用对强化粉尘颗粒荷电、提高电凝并除尘效率的可行性,为进一步推动选矿厂微细颗粒电凝并除尘效率提升奠定基础。

1 选矿粉尘电凝并除尘工艺

选矿粉尘电凝并除尘工艺主要经过3个过程:

1)微细颗粒从切向进入静电除尘器圆柱形壳体后,向下旋流运动,依次通过与高压直流电源相连接的芒刺电极和摩擦棒,形成电极电晕荷电和摩擦起电荷电,微细颗粒可以得到充分荷电。

2)管道上、下侧壁面安装极性相反电极,形成电凝并电场。在相反的电场力作用下,异性荷电的颗粒运动轨迹发生变化,形成颗粒碰撞。电凝并作用增加了颗粒运动轨迹长度,延长颗粒停留时间,提高了颗粒碰撞次数和聚集概率,使颗粒凝并成大粒径的团聚体,有利于被脱除。

3)经电凝并形成的大颗粒团聚体,一部分在静电除尘器内,受重力沉降作用被收尘箱收集,另一部分被吸附在电极板后落入收尘箱。除尘区上方有排气口,其通过管道与风机的后端进行连接,使装置形成一个循环结构,可以达到二次除尘的目的。

选矿粉尘电凝并除尘工艺过程如图1所示。

1—电晕强化荷电;2—电凝并电场;3—静电除尘。

微细颗粒在电晕作用下实现强化荷电,提高了颗粒荷质比,使颗粒受到更大的电场力作用,增加运动路径长度和碰撞次数,实现大粒径颗粒的聚集,有利于后续的收集除尘。因此,粉尘颗粒荷电过程是形成凝并和除尘的技术关键。粉尘颗粒荷质比越大,在凝并电场内受到的电场力作用越强,颗粒间产生碰撞接触的概率越高,从而使微细颗粒凝并团聚成粒径较大的颗粒团,有助于在静电除尘过程中被脱除,提高除尘效率。

2 电晕强化荷电模型

颗粒高效荷电是提高电凝并除尘效率的技术关键。为了探索电极电晕放电对微细颗粒荷电的强化作用,可以采用数值模拟方法,深入研究电晕放电过程空间电势分布特征,掌握颗粒荷电速率变化规律,探索颗粒饱和荷电量的分布情况,为除尘装置设计和工艺参数制订提供指导依据。

2.1 几何模型

电晕强化荷电几何模型如图2所示。选用的电极全部为芒刺电极,使用正电晕放电的方式。芒刺电极材质为304不锈钢,绝缘边界使用聚甲基丙烯酸甲酯材料。旋流电场高度为250 mm,直径为200 mm,电极长度为65 mm。尖端倾斜角为72°,尖端曲率半径为0.5 mm。芒刺电极一端接地,另一端接正极,其余边界为绝缘边界。将模型导入COMSOL中进行网格划分和边界条件设定。

图2 电晕强化荷电几何模型

2.2 数学模型

1)气相数学模型

电晕强化荷电区气体流动满足连续性方程:

(1)

假设流场中气体密度恒定不变,则式(1)可以写为:

(2)

气相动量守恒方程可以表示如下:

(3)

式中:ρ为气相密度,kg/m3;u为气相速度,m/s;t为时间,s;p为压力,Pa;μ为气体黏度,Pa·s;ux、uy、uz为气相速度在x、y、z3个方向的分量,m/s;fx、fy、fz为作用于单位流体的质量力,N。

电凝并区内气体流动符合标准κ-ε湍流模型,控制方程如下:

(4)

(5)

式中:ε为耗散率;κ为湍流动能,J;ui为速度分量,m/s,μt为湍流黏度,Pa·s;Gκ为层流速度梯度产生的湍流动能,J;经验常数c1=1.44,c2=1.92,σκ=1.0,σε=1.3。

2)正电晕电荷密度模型

对于低电离度的电晕放电而言,计算过程中忽略电子—电子、电子—离子的库仑碰撞作用,同时忽略电极附近的电离层厚度影响,认为正离子的迁移速率可以是常数。空间电荷密度模型描述如下:

带电载流子的电流守恒方程:

·J=S

(6)

电荷守恒方程:

J=ZqμiρE+ρu

(7)

电磁泊松方程:

(8)

空间电荷密度方程:

(9)

式中:J为电流密度,C/m2;S为直流源,C/m3;Zq为电荷数;ρ为空间电荷密度,C/m3;E为电场强度,V/m;μi为离子迁移率,m2/(V·s);u为中性流体速度矢量,m/s;V为电势,V;ε0为真空介电常数,取8.854 187 817×10-12F/m。

考虑到颗粒荷电是不断累积与耗散的过程,结合Pautenier的场电荷理论和White的扩散电荷理论,获得颗粒的荷电量qp(t)为:

(10)

(11)

(12)

2.3 边界条件

从电极到空域的空间电荷密度是逐渐降低的,电场强度峰主要集中于电极壁表面的电离层,因此还需要指定电极壁面处的表面电荷密度,更符合实际电力环境。

依据几何空间电极的长度、直径、尖端倾斜角等结构参数,以及电极空间布局特征和容积大小,对电极放电参数进行了初步计算,设定电离层空间电荷密度为1.22×10-3C/m3,扩散域的空间电荷密度为2×10-5C/m3,离子迁移率为1.5×10-4m2/(V·s)。

设定气体压力为标准大气压,根据旋流电场的高度和直径,依据连续性方程和动量守恒方程,同时考虑气体阻力损失,确定合适的气体入口速度为3 m/s,气体温度300 K,初始电子密度为1×107m-3。颗粒粒径较小,主要受控于气体惯性力作用,可以设定颗粒入口速度为3 m/s,颗粒质量流率为0.03 g/s,颗粒电导率为500 S/m,颗粒初始电荷数为0,电极电压20 kV。

3 电晕强化荷电数值模拟

3.1 旋流空间电势

旋流空间电势分布云图如图3所示。

(a)x方向

由图3(a)可见,电势不仅集中于电极附近,靠近绝缘壁面处也存在较高电场。受表面离子源和表面电荷密度的影响,该处的电势略高于输入端供电电势20 kV,达到20.8 kV;而在荷电区中心,由于接地电极的存在而出现电势涡。由图3(b)可见,荷电区内旋流区域的顶部和底端电势要高于其他部位,电势峰值可达到16.9 kV。 由图3(c)可见,竖直方向的电极接正电,水平方向的电极接地,在忽略荷电区壁面电离鞘层的影响下,可以发现电势在电极尖端处、电极与绝缘壁面的交会处有极大值,电势分布从通电电极边界向接地电极边界逐渐降低,呈漏斗形。

3.2 旋流颗粒荷电速率

颗粒荷电速率包括电场荷电速率和扩散荷电速率,其可用于评价旋流颗粒的荷电过程。随机抽取11个颗粒,获取颗粒的荷电速率变化情况,如图4所示。

(a)电场荷电速率

由图4可知,随着时间的推移,微细颗粒在旋流运动中,电场荷电速率和扩散荷电速率出现多次大幅度波动情况,电场荷电速率在0.71 s时变化最明显,而扩散荷电速率在0.85 s时变化最明显。随机抽取的11个颗粒荷电速率变化规律大致相同。

电场荷电速率的最大值和平均值分别为621.49 s-1和17.78 s-1,而扩散荷电速率的最大值和平均值分别为296.34 s-1和11.18 s-1。对于微细颗粒,电场荷电速率明显高于扩散荷电速率。这是由于扩散荷电速率主要取决于颗粒之间的碰撞作用,颗粒浓度越高,扩散荷电速率也越大。电场荷电速率主要取决于电场分布和电场强度大小。随着颗粒荷电量增加,荷电速率逐渐增大。

3.3 电晕颗粒饱和荷电量

当颗粒质量流率为0.03 g/s,从时间t=0到t=1 s内,荷电过程投入颗粒3 900个,其平均粒径为10.0 μm,电晕颗粒饱和荷电量分布如图5所示。

图5 电晕颗粒饱和荷电量分布

由图5可知,电晕颗粒最终获得的饱和荷电量呈现正态分布特征,正电晕作用下颗粒荷电均为正值,大部分颗粒饱和荷电量小于4×10-15nC。可以看出,当颗粒进入电晕电场后,在气流作用下颗粒产生旋流运动,一方面颗粒与电极产生碰撞荷电,另一方面电极尖端处和绝缘交会处存在高压电势,形成的电晕放电强化了颗粒荷电。因此,电晕放电过程提高了电场荷电速率和扩散荷电速率,特别是电晕作用使电场局部电势增大,电场强度得到增强,电场荷电速率增大,提高了颗粒荷电量。对于粒径10.0 μm颗粒,其粒径小、数量多,增加了颗粒接触碰撞的次数,有助于提高扩散荷电速率。

由于电晕过程存在不均匀电势,且在旋流作用下颗粒与电极棒碰撞不均匀,导致颗粒荷电量存在差异性。颗粒饱和荷电量0～<2×10-15nC的颗粒数量为2 401个,而荷电量(2～<4)×10-15nC的颗粒为976个。电晕颗粒平均饱和荷电量2.359×10-15nC。

4 粉尘颗粒电凝并实验

4.1 电凝并实验系统

电凝并实验装置如图6所示。气体和粉尘颗粒形成了稳定的气固两相流,从入口管道切向进入电晕强化荷电器,粉尘颗粒在气流作用下,形成了旋流运动,在与壁面、芒刺电极的摩擦碰撞过程中,颗粒将会荷电。将直流电源与芒刺电极相连接,给定直流电晕电压,电极尖端放电后形成电晕电场,实现了粉尘颗粒的强化荷电过程。荷电的粉尘颗粒在通过电凝并电场时,产生团聚和凝并,形成粒径较大的粉尘颗粒,有助于在后续的静电除尘器中被吸附而脱除。

1—入料风机;2—混合储罐;3—入料口;4—入口管道;5—电晕强化荷电器;6—切换阀;7—电凝并电场;8—排气管道;9—粉尘检测口;10—抽吸风机;11—集尘滤膜;12—电除尘器。

采集原煤胶带转载点区域的粉尘颗粒300 g,充分混合后用400目网格筛分选获得粒径小于37.0 μm的粉尘颗粒。颗粒实验条件为粉尘质量浓度0.03 g/s,入口流速2 m/s,凝并区交流电压5 kV,交流电频率125 Hz,分别开展粉尘颗粒荷电和电凝并除尘实验研究。

4.1.1 颗粒荷电实验

在电晕电压为0、20 kV时,开展粉尘颗粒荷电实验,对比电晕对颗粒荷电的影响。如图6所示,在入料风机气体引流作用下,入料口投放的粉尘颗粒进到入口管道,在储罐中充分混合后进入电晕强化荷电器;手动调节切换阀,使粉尘颗粒进入切换阀右侧旁路管道,在管道法兰连接处安装了集尘滤膜,可以收集荷电粉尘颗粒;将滤膜放入法拉第筒内,运用EST111型数字电荷仪测量荷电量后,再取出放入电子天平称重;粉尘质量可由集尘滤膜质量减去滤膜原始质量获得。因此,粉尘颗粒荷质比计算公式如下:

(13)

式中:q/m为粉尘荷质比,nC/g;Q为粉尘荷电量,nC;m1为滤膜原始质量,g;m2为集尘滤膜质量,g。

4.1.2 颗粒电凝并除尘实验

在电晕电压为0、20 kV时,实验研究电晕对颗粒电凝并除尘效率的影响。手动调节切换阀,使粉尘进入电凝并电场;经过电除尘器除尘后,在抽吸风机作用下,可以将部分含尘气体送入电晕强化荷电器再次凝并,其余通过排气管道进入大气;在排气管道上设置有粉尘检测口,运用激光粉尘检测仪GT-1000,对含尘气体的粉尘颗粒进行检测,获得气体中粒径小于5.0 μm的粉尘粒子数。在增加电晕作用前后,对比不同粒径范围的颗粒数量统计数据,以此为依据计算对应粒径范围的颗粒数量变化率,定义如下:

(14)

式中:ΔN为颗粒数量变化率;N1为电晕0 kV作用下粉尘电凝并后对应粒径范围的颗粒个数;N2为电晕20 kV作用下粉尘电凝并后对应粒径范围的颗粒个数。

4.2 电晕对颗粒荷电的影响

电晕对粉尘颗粒荷质比的影响如图7所示。由图7可知,随着采样时间的延长,粉尘颗粒荷质比先快速增大后逐渐趋于稳定,2 min时颗粒荷质比最高,3 min后变得相对稳定。采样时间0.5 min时,电晕电压0、20 kV所对应的荷质比分别为215、432 nC/g;采样时间2.5 min时分别为728、1 478 nC/g;采样时间4 min时,与电晕电压0 kV相比,电晕电压20 kV下粉尘颗粒荷质比可以达到1 180 nC/g,增大了550 nC/g。

图7 不同电晕电压条件下粉尘颗粒荷质比随时间的变化曲线

由于电晕场中电极棒的存在,在其尖端、绝缘壁面附近存在高压电势,放电过程提高了颗粒的电场荷电速率和扩散荷电速率,提高了粉尘颗粒的荷电效果。当电晕电压从0 kV增高到20 kV时,在电晕作用下粉尘颗粒荷质比显著增高,这有助于粉尘电凝并除尘。

4.3 电晕对电凝并的影响

电晕对粉尘颗粒电凝并过程的影响如图8所示。由图8可知,当电晕电压从0 kV增高到20 kV时,粒径0.3～<0.5 μm的粉尘颗粒由121 324个减少到82 087个,而粒径0.5～<1.0 μm的粉尘颗粒数量由62 397个减少到22 785个。可以看出,电晕作用对粒径小于1.0 μm的粉尘颗粒具有良好的荷电强化效果,粉尘颗粒荷电量越大,越有助于在电凝并区内形成凝聚,从而被电除尘器捕获。增加电晕作用后,粒径1.0～<2.5、2.5～<5.0 μm的粉尘颗粒分别减少了7 250个和1 790个,表明电晕强化荷电能够提高粒径1.0～<5.0 μm粉尘颗粒的电凝并效果。

(a)粉尘颗粒数量统计图

对比不同粒径的颗粒数量变化率可知,粒径0.5～<1.0 μm的颗粒数量变化率最大,达到了63.48%,而粒径0.3～<0.5 μm的颗粒数量变化率最小,为32.34%。1.0～<2.5 μm和2.5～<5.0 μm的颗粒数量变化率均超过56%。表明电晕对提高粉尘颗粒电凝并除尘效果具有积极作用,特别是对粒径0.5～<1.0 μm粉尘颗粒的凝并脱除效果最好。

5 结论

1)气体流场和颗粒电晕荷电的数值模拟研究表明,电晕过程中电极之间会形成明显电势差,电极尖端处高电势形成的电晕放电,可以实现颗粒荷电强化。

2)颗粒碰撞和电晕电势的不均匀是导致颗粒荷电速率大幅度波动和荷电量差异的主要原因,电场荷电速率明显高于扩散荷电速率,粒径10.0 μm颗粒饱和荷电量呈现正态分布特征,平均饱和荷电量为2.359×10-15nC。

3)胶带转载点的粉尘颗粒荷电和电凝并除尘实验表明,电晕电压20 kV时颗粒荷质比为1 180 nC/g,比电晕电压0 kV时荷质比增大了550 nC/g,能够实现颗粒荷电强化,提高电凝并除尘效率,特别是对粒径0.5～<1.0 μm粉尘颗粒的电凝并脱除效果最好,其数量变化率为63.48%。