修德江,楊成財,張彤
(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計研究院有限公司,遼寧 鞍山 114004;2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司燈塔分公司,遼寧 遼陽111312;3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司,遼寧 鞍山114001)
礦山生產(chǎn)過程中有時會產(chǎn)生大量粉塵,其中的微細(xì)顆粒粉塵因其顆粒直徑小、在大氣中停留時間長、傳輸距離遠(yuǎn)等特點,對人體健康及環(huán)境影響很大。特別是PM2.5以下顆粒,其粒徑小、比表面積大、吸附性強(qiáng),且表面容易吸附有害物質(zhì),一旦通過呼吸進(jìn)入人體,會深入肺部,誘發(fā)各種疾病,因此對微細(xì)顆粒物的控制顯得尤為重要[1]。常規(guī)的除塵設(shè)備主要有機(jī)械除塵器、電除塵器、過濾除塵器和洗滌除塵器等,但這些除塵設(shè)備對微細(xì)顆粒粉塵的除塵效率均較低。
鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司現(xiàn)有除塵器主要包括電除塵、袋式除塵、電袋復(fù)合式除塵、濕式電除塵器等。其中,電除塵無法滿足10 mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn);袋式除塵處理含水分較多或有較強(qiáng)吸濕性的粉塵時,會發(fā)生濾袋黏結(jié)、阻塞濾料,且當(dāng)空氣溫度過低時,易冷凝結(jié)露而糊袋;濕式電除塵技術(shù)存在投資大、煙氣帶水、布置場地要求高、運行成本高等問題。為了精準(zhǔn)捕集微細(xì)粉塵,達(dá)到對微細(xì)顆粒粉塵高效去除的目的,進(jìn)行了荷電水霧除塵技術(shù)試驗研究,通過試驗得出了不同荷電電壓、不同電極間距、不同噴霧水壓對水霧荷質(zhì)比的影響,及不同荷質(zhì)比對除塵效率的影響。
傳統(tǒng)水霧除塵是通過噴霧控制物料的濕度,減少粉塵產(chǎn)生量,從而起到除塵作用。但水霧顆粒與微細(xì)粉塵顆粒碰撞接觸機(jī)率低,對微細(xì)粉塵的控制效率較低[1]。水霧荷電技術(shù)是一種水電結(jié)合的除塵方法,即使水霧顆粒在電場的作用下帶上電荷,形成球形電場,產(chǎn)生靜電力,在靜電力慣性碰撞等的作用下,增強(qiáng)粉塵與霧粒相互碰撞的機(jī)率,使荷電霧滴與細(xì)微的粉塵吸附結(jié)合,粉塵顆粒通過凝聚形成較大顆粒[2],從而加大塵土的沉降速度,達(dá)到捕集粉塵的目的。影響荷電水霧除塵效率的因素主要為水霧荷質(zhì)比。
在荷電水霧除塵技術(shù)中,水霧荷質(zhì)比是影響荷電水霧除塵效果的一個重要指標(biāo),也是評價霧滴荷電量的重要參數(shù)。影響水霧荷質(zhì)比的主要因素包括霧滴粒徑、荷電電壓、噴霧壓力、電極和噴頭間的距離(電極間距)、環(huán)形電極的直徑等。
試驗采用感應(yīng)荷電方式,感應(yīng)環(huán)為銅環(huán),將高壓電的負(fù)極連接在銅環(huán)上,水霧噴嘴設(shè)置在銅環(huán)的軸線上,且距離銅環(huán)中心一定距離。在電場力作用下,水霧通過連接負(fù)高壓的銅環(huán),會感應(yīng)上與銅環(huán)相同極性的負(fù)電荷。感應(yīng)荷電結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。
圖1 感應(yīng)荷電結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural Sketch for Inductive Charging
本次試驗研究中,通過測定荷電水霧的平均荷質(zhì)比來反映荷電霧滴群的荷電情況。水霧平均荷質(zhì)比測定裝置示意圖見圖2。
圖2 水霧平均荷質(zhì)比測定裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Measuring Device for Average Charge-mass Ratio of Water Mist
荷電水霧平均荷質(zhì)比計算公式[3]為:
式中,β為荷電水霧平均荷質(zhì)比,mC/kg;I為電流,mA;t為時間,s;Qg為水的質(zhì)量流量,kg/s;ρ為水的密度,kg/L;q為水的體積流量,L/s。
試驗設(shè)定不同的高壓電源輸出電壓、不同環(huán)形電極和噴頭間的距離(電極間距),以獲取各種工況下水霧的荷質(zhì)比。環(huán)形電極采用Φ2 mm的銅環(huán),環(huán)直徑為60 mm,設(shè)定噴霧壓力為0.6 MPa,電極間距分別取40 mm和60 mm,調(diào)節(jié)高壓電源的輸出電壓,從1 kV起遞增,遞增幅度為1 kV/次,最高實驗電壓為9 kV。測定不同電極間距、不同荷電電壓下水霧荷電量,并計算得出水霧荷質(zhì)比。不同極間距下水霧荷質(zhì)比隨荷電電壓的變化趨勢見圖3。
圖3 不同電極間距下水霧荷質(zhì)比隨荷電電壓變化趨勢Fig.3 Variation Trend of Charge-mass Ratio of Water Mist with Variable Charged Voltages under Different Electrode Spacing
由圖3可以看出,隨著荷電電壓的增大,水霧的荷質(zhì)比呈先增大后降低趨勢。這是因為通過環(huán)形電極施加在噴頭噴霧區(qū)的電場強(qiáng)度會隨著荷電電壓的升高而增大,水霧在高壓電場區(qū)所受到的電場感應(yīng)也會呈正相關(guān)增強(qiáng),其荷質(zhì)比會隨著荷電電壓的升高呈現(xiàn)出正相關(guān)的增長關(guān)系;但當(dāng)荷電電壓升高到一定值時,環(huán)形電極會發(fā)生電暈放電現(xiàn)象,導(dǎo)致感應(yīng)荷電的荷電量和荷質(zhì)比降低。同時,在相同荷電電壓下,電極間距大的其荷質(zhì)比也較高,但差距較小,最大相差約0.05 mC/kg,且最大荷質(zhì)比均出現(xiàn)在試驗電壓8 kV附近。
噴霧壓力的變化既影響水霧噴射的長度又影響水的流量[4],二者都會影響荷質(zhì)比。此項試驗中,環(huán)形電極采用Φ2 mm的銅環(huán),環(huán)直徑為60 mm,電極間距為60 mm,以電導(dǎo)率約為0.45 mS/cm的普通自來水作為噴霧水源,噴霧壓力分別為0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa,施加電壓從1 kV起遞增,遞增幅度為1 kV/次,最高施加電壓為9 kV,測定不同噴霧水壓下水霧荷電量,并計算得出水霧荷質(zhì)比。不同噴霧水壓下水霧荷質(zhì)比隨荷電電壓的變化趨勢如圖4所示。
圖4 不同噴霧水壓下水霧荷質(zhì)比隨荷電電壓的變化趨勢Fig.4 Variation Trend of Charge-mass Ratio of Water Mist with Variable Charged Voltages under Different Spray Water Pressures
由圖4可以看出,圖中三條曲線具有相同的變化規(guī)律,相同荷電電壓下,噴霧壓力越大,水霧荷質(zhì)比越高;噴霧壓力不變時,隨著荷電電壓升高,水霧荷質(zhì)比先升高再降低。這是因為,荷電電壓相同時,提高噴霧壓力減小了霧滴粒徑,獲得了更大的表面積和更多的霧滴數(shù)量,從而可攜帶更多的電量,提高了荷質(zhì)比;噴霧壓力不變時,提高荷電電壓可使每個霧滴攜帶更多的電荷,從而提高了荷質(zhì)比,但當(dāng)荷電電壓升高到一定值時,環(huán)形電極會發(fā)生電暈放電現(xiàn)象,導(dǎo)致感應(yīng)荷電的荷電量和荷質(zhì)比降低。本次實驗的噴霧壓力分別為0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa,其荷質(zhì)比最大相差約0.05 mC/kg,最大荷質(zhì)比均出現(xiàn)在試驗電壓8 kV附近。
荷電水霧除塵試驗設(shè)備示意圖見圖5。試驗設(shè)備主要由產(chǎn)塵、通風(fēng)、檢測、供電、供水、粉塵捕收、振弦過濾等幾部分組成。其中,產(chǎn)塵部分由空壓機(jī)產(chǎn)生高壓空氣,高速氣流通過文丘里管發(fā)塵器產(chǎn)生負(fù)壓,吸入粉料倉中的灰粉,從而產(chǎn)生一定濃度的粉塵;通風(fēng)部分采用小型離心風(fēng)機(jī),并可根據(jù)試驗需要由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)量。
圖5 荷電水霧除塵試驗設(shè)備示意圖Fig.5 Schematic Diagram for Test Equipment by Dust Removal with Charged Water Mist
試驗粉塵為鐵精礦燒結(jié)車間的積塵,其粒度分布如表1所示。由表1的粒度組成可知,該粉塵主要為除塵難度較大的呼吸性粉塵。
表1 試驗粉塵粒度分布Table 1 Distribution of Dust Sizes in Testing %
本試驗采用電暈荷電,電暈區(qū)產(chǎn)生帶負(fù)電的離子,使水霧荷電。選用錐形噴嘴,霧滴粒徑的中心值控制約75 μm,環(huán)形電極采用Φ2 mm的銅環(huán),直徑為60 mm,環(huán)中心距噴嘴60 mm且垂直于風(fēng)流方向。振弦柵弦絲為6層,絲徑為0.2 mm。采用0~35 kV高壓可調(diào)電源。除塵率由濾膜計重法稱量計算,即抽取一定體積含塵空氣,將粉塵阻留在已知質(zhì)量的濾膜上,測定取樣后濾膜的增重,求出單位體積空氣中粉塵的質(zhì)量(mg/m3)。根據(jù)濾膜增重、流量及時間計算出管道內(nèi)粉塵計重濃度[5]。
除塵效率η可由下式得出:
式中,m1、m2分別為除塵器入口及出口處濾膜重,mg。
試驗采用噴霧壓力分別為0.6 MPa和0.7 MPa,通過調(diào)節(jié)可調(diào)電源,使二者在相同荷質(zhì)比條件下,進(jìn)行了除塵效率試驗,結(jié)果見圖6。
圖6 不同噴霧水壓下除塵效率隨水霧荷質(zhì)比的變化趨勢Fig.6 Variation Trend of Dust Removal Efficiency with Variable Water Mist Charge-mass Ratio under Different Spray Water Pressures
由圖6看出,隨著水霧荷質(zhì)比的增加,除塵效率明顯增加。當(dāng)水霧荷質(zhì)較低時,噴霧壓力采用0.6 MPa時的除塵效率明顯低于采用0.7 MPa時的,這是因為水霧荷質(zhì)較低時主要靠水霧除塵,噴霧壓力大時可以產(chǎn)生更多的水霧,有利于提高除塵效率。隨著水霧荷質(zhì)比的不斷升高,噴霧壓力采用0.6 MPa的除塵效率與采用0.7 MPa時的逐漸接近,這是因為隨著水霧荷質(zhì)比的提高,荷電后霧滴的的靜電力增加,其與粉塵顆粒的碰撞、擴(kuò)散、截留的機(jī)率也增大,對粉塵特別是微細(xì)粒粉塵的捕收效率也提高了,其除塵作用已不僅依靠水霧。本次試驗中,當(dāng)荷質(zhì)比由0升至0.35 mC/kg,噴霧壓力為0.6 MPa的除塵效率從94.2%上升到98.4%,提高了4.2%;噴霧壓力為0.7 MPa的除塵效率從95.0%上升到98.6%,提高了3.6%,荷電后的霧滴對粉塵特別是微細(xì)粒粉塵的捕收效率與霧滴水霧荷質(zhì)比成正相關(guān)。因此,水霧荷質(zhì)比是影響荷電水霧對微細(xì)粒粉塵的捕收效率的重要指標(biāo),即水霧荷質(zhì)比越高,對粉塵捕收效率越高;但水霧荷質(zhì)比不能無限度提高,因為水霧的荷電電壓達(dá)到一定值時會發(fā)生電暈放電,使水霧荷質(zhì)比降低。
通過進(jìn)行荷電水霧除塵技術(shù)研究,分析了不同荷電電壓、不同電極間距、不同噴霧水壓對水霧荷質(zhì)比的影響,并對不同荷質(zhì)比對除塵效率的影響做了進(jìn)一步研究,得出以下結(jié)論:
(1)在一定范圍內(nèi)增大極間距,可提高水霧荷質(zhì)比,但幅度較小。本試驗條件下的電極間距分別為60 mm和40 mm,其荷質(zhì)比最大相差約0.05 mC/kg。
(2)隨著荷電電壓的增大,水霧荷質(zhì)比呈增大趨勢,但當(dāng)荷電電壓達(dá)到一定值時,霧滴的荷質(zhì)比開始降低。本試驗條件下的最大荷質(zhì)比均出現(xiàn)在試驗電壓8 kV附近。
(3)荷電電壓相同時,提高噴霧壓力,可提高水霧荷質(zhì)比。本實驗的噴霧壓力分別為0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa,其荷質(zhì)比最大相差約 0.05 mC/kg。
(4)水霧對粉塵尤其對呼吸性粉塵的除塵效率與水霧荷質(zhì)比呈正相關(guān)。本試驗荷質(zhì)比從0升高到0.35 mC/kg,噴霧壓力為0.6 MPa時的除塵效率提高了約4.2%,噴霧壓力為0.7 MPa時的除塵效率提高了約3.6%。