胡 斐，胡勝勇，高 揚，王和堂，馮國瑞，劉長河，李繼華

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；3.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024；4.山東新陽光環(huán)保設備股份有限公司，山東 鄒城 273500)

0 引 言

《國家職業(yè)病防治規(guī)劃(2016—2020年)》明確提出：要加強高危粉塵等職業(yè)病危害源頭治理[1]。以煤工塵肺為主的職業(yè)安全健康問題嚴重制約“健康中國”發(fā)展[2]?！睹旱V安全生產“十三五”規(guī)劃》提出：加速淘汰煤礦職業(yè)危害防治落后工藝、材料和設備，組織并研發(fā)預防控制典型職業(yè)病危害作業(yè)的關鍵技術與裝備[3]。粉塵不僅污染作業(yè)場所環(huán)境而且嚴重威脅職工身心健康和企業(yè)的安全生產[4]。2019年全國共報告各類職業(yè)病新病例19 428例，其中職業(yè)性塵肺病15 898例[5]，占各類職業(yè)病新病例比例為81.8%。全國每年因塵肺病造成的直接經(jīng)濟損失達80多億元，間接損失更是難以計算[6]，粉塵防治理論技術的發(fā)展仍有較大提升空間[7]。因此亟需加大除塵裝備的設計研究工作，其中，濕式除塵器由于除塵效率較高，在我國得到廣泛應用，是研究的重點之一。

國內外學者在濕式除塵技術研發(fā)方面開展了大量研究。陳虎等[8]研制了一種基于經(jīng)緯振弦過濾柵捕塵技術采用旋流器加過濾板式氣水分離裝置的礦用濕式除塵風機。王文學[9]設計了一種自動控制的礦用濕式除塵風機系統(tǒng)，實現(xiàn)了風機風量的自動控制和水系統(tǒng)除塵器進排水量的自動控制。王海橋等[10]基于螺旋通道的離心力除塵和水膜捕塵機理，設計了一種礦用濕式多通道軸向離心除塵裝置。李遷威等[11]研發(fā)了一種噴淋水浴除塵器，數(shù)值分析了不同進氣結構下除塵器內部流場變化規(guī)律，實驗研究了處理風量、水位高度和噴淋等因素對工作阻力、除塵效率和排放濃度的影響。宋智瀛等[12]基于碰撞-攔截-沉降模型，將噴嘴與蜂窩擾流濾芯相結合，提出了一種適用于井下綜采工作面的新型濕式蜂窩濾芯除塵器。鄧有凡等[13]研究了濕式除塵器濾網(wǎng)、脫水器對除塵效率的影響并對噴霧、過濾、脫水三個單元進行了優(yōu)化。李小川等[14]研究了節(jié)流型自激式水幕除塵器液相調節(jié)作用下除塵器的阻力特性，為除塵器的整體設計提供了參考。陳景序等[15]提出了一種渦旋風幕與高壓噴霧相結合的掘進斷面氣動渦旋霧化裝置。李新宇等[16]研制出一種采用高速對旋濾筒的效率高、用水少的新型礦用濕式除塵器。李炎等[17]提出了一種中心流場濕式除塵器，通過在筒體內設置導流百葉窗來減輕內渦旋，降低了除塵器壓力損失。LEE等[18]為解決濕式除塵器易堵塞與結垢的問題，研發(fā)了一種由旋流器和全沖擊錐板式組成的新型旋流除塵器。ARYA等[19]提出了一種礦用渦錐濕式除塵器，以降低維護量。

在實際應用過程中，由于現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境惡劣、安裝空間有限、水質較差，傳統(tǒng)濕式除塵器由于使用噴嘴霧化和濾網(wǎng)捕塵的方式，存在噴嘴易堵塞、濾網(wǎng)需頻繁拆卸清洗等問題，增加了設備安裝、維護量，加大了工人作業(yè)強度，降低了企業(yè)的使用意愿。

因此，亟需研制一種尺寸小、無噴嘴、無濾網(wǎng)、免維護的新型濕式除塵器。筆者提出了一種利用葉輪霧化代替噴嘴，通過旋流離心脫水的濕式旋流抽塵凈化器，以改善現(xiàn)場作業(yè)條件，降低工人作業(yè)強度，有效助力企業(yè)安全生產。

1 新型濕式除塵器設計思路

新型濕式除塵器設計需滿足以下條件：不使用噴嘴和濾網(wǎng)、對除塵用水無水質和水壓要求，避免噴嘴堵塞和頻繁拆卸清洗濾網(wǎng)，降低維護量；減小尺寸，實現(xiàn)抽塵、凈塵、脫水三效合一?；驹O計思路如下：

①采用普通水管替代噴嘴作為進水口，避免水中雜質堵塞；②采用高速旋轉的錐形后盤，使進水管出水形成捕塵水膜；③設計出一種新型葉輪，形成螺旋氣流，增加粉塵與水霧接觸路徑，既能有效抽塵，又能實現(xiàn)對水流的充分破碎霧化；④設置旋流葉片，實現(xiàn)導流和離心脫水的作用；⑤在旋流葉片后設置脫水筒，實現(xiàn)進一步脫水；⑥設置排污槽排出污水，同時利用部分風流沖洗排污槽，避免因污泥淤積堵塞排污槽。

2 濕式旋流除塵器設計

圖1為濕式旋流抽塵凈化器結構圖，它主要由進水管、新型葉輪、錐形后盤、防水電機、旋流葉片、脫水筒組成。凈化器長2 100 mm，直徑980 mm，其進風口、出風口直徑為640 mm，使用直徑為800 mm的新型葉輪，防水電機采用YBF3-225S-4的隔爆型三相異步電動機，額定電壓、功率和處理風量分別為660/1 140 V，37 kW，530～550 m3/min。

圖1 濕式旋流抽塵凈化器結構Fig.1 Structure diagram of wet cyclone scrubber

濕式旋流抽塵凈化器原理如圖2所示，凈化器按照功能分為進水布水單元、混合旋流單元、脫水排污單元。其工作原理是新型葉輪在防水電機帶動下產生的高負壓吸入含塵氣流，同時將進水管出水吸至葉輪前端錐形后盤上形成水膜，一次捕捉吸入粉塵，水流進入葉片間的動態(tài)文丘里通道后在機械作用下被充分破碎、霧化成為細微小液滴顆粒，在動態(tài)文丘里原理的高速撞擊作用下與粉塵顆粒相結合，進行2次粉塵捕捉。通過葉輪產生高負壓，將風流直線路徑改為繞凈化器內壁螺旋軌跡運移的曲線路徑，增加粉塵顆粒與液滴顆粒的結合路程與時間，提高捕塵效率，經(jīng)旋流葉片并在葉片上形成水膜，實現(xiàn)3次粉塵捕捉與一次脫水。以螺旋軌跡運移的含污氣流經(jīng)過脫水筒后，含塵霧滴與氣流分離，實現(xiàn)脫水凈化后從出風口排出。從脫水筒分離的含塵霧滴匯聚后從排污槽排走。含塵風流進入凈化器后，通過三重粉塵捕捉，雙重脫水作用，實現(xiàn)了高效除塵和充分脫水。

圖2 濕式旋流抽塵凈化器原理Fig.2 Principle diagram of wet cyclone scrubber

2.1 新型葉輪設計

葉輪是除塵器最關鍵的部件，除塵器的種類不同，葉輪的結構也不盡相同。常見除塵器葉輪有3種，按照流面形狀流體機械可以劃分為流面與轉軸近似成同心的圓柱面的軸流式，近似成垂直面的徑流式，以及近似成錐面的混流式。軸流式葉輪產生的風流沿軸向運動，具有大流量系數(shù)和高效率的特點；而徑流式葉輪產生的風流在離心力的作用下沿徑向運動，具有高壓強系數(shù)和大工況范圍的特點?；炝魇饺~輪產生的風流運動方向介于軸向與徑向之間，比轉數(shù)和壓頭介于軸流式與徑流式之間，兼具兩者的優(yōu)點[20]。

結合徑流式與混流式的優(yōu)點，設計出了一種新型葉輪。圖3為新型葉輪結構圖，葉輪葉片的旋轉面是一個圓柱面，與葉輪組成一個圓柱體，此圓柱體的軸心與轉動軸的軸心重合，氣流沿徑向進入葉片，沿傾斜于軸線45°角的方向排出。既不同于風流沿徑向流出的徑流式葉輪，也不同于葉片的旋轉面為平面且與轉動軸垂直、氣流沿軸向進入葉片的混流式葉輪。

圖3 新型葉輪結構Fig.3 Structure of new impeller

由氣體動力學可知，對于牛頓流體，無黏流動可壓縮微分形式的連續(xù)方程和動量方程可寫為

(1)

(2)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；▽為哈密頓算子；V為絕對速度，m/s；p為壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；ui為氣體在x,y、z方向上的速度，m/s；xi為x,y、z方向的坐標，m。

葉輪機械中最方便使用的坐標系是旋轉相對坐標系。絕對速度V和相對速度W之間的關系有

V=W+ω×r

(3)

(4)

式中：V為絕對速度，m/s；W為相對速度，m/s；r為矢徑，m。a為絕對加速度，m/s2；ω為角速度，rad/s；下標A和R分別代表絕對坐標系和相對坐標系。

將式(3)、式(4)代入式(1)、式(2)，可以推導出相對坐標系下連續(xù)方程和動量方程為

(5)

(6)

式中：F為體力，N；2ω×W為科里奧利力，N；ω×ω×r為系統(tǒng)旋轉產生的離心力，N。

故對于無黏不可壓流動，運動方程可以寫為

(7)

從上式可以看出，科里奧利力-2ωW方向在垂直于ω和W的平面上，因此科里奧利力使垂直于ω平面上的W速度分量的方向發(fā)生改變[21]，在新型葉輪中科里奧利力方向介于徑向與軸向之間方向。因此對新型葉輪而言，科里奧利力對流場分布有較大影響。

對于無黏流動，可壓縮流體的動量矩方程為

(8)

(9)

式中：m為流入或流出葉輪的流體質量，kg；M為作用在葉輪內流體上的外力矩，N·m；c1u、c2u分別為流體在葉輪進口和出口處的切向分速度，m/s；R1、R2分別為葉輪進口和出口處的半徑，m。

單位時間內通過葉輪的流體質量為

(10)

式中：Qt為葉輪的理論體積流量，m3/s；γ為流體容重，N/m3。

將式(10)代入式(9)可得

(11)

假設葉輪上的軸功率全部傳給流體，則理論功率為

Nt=γQtHt=Mω

(12)

又有

(13)

將式(12)、式(13)代入式(11)可得

(14)

式中:Ht為風機理論壓力，Pa；n為轉速，r/s；D1、D2分別為葉輪進口、出口處直徑，m。

葉輪的后盤設計成錐形，除輔助形成水膜外，其結構作用有：①可使葉輪重心接近電機轉子中心，這樣可改善電機兩軸承的受力狀況；②可減少錐形后盤的厚度，結構強度增加，可以減輕葉輪重量；③離心式葉輪使氣流由軸向流動經(jīng)過減速旋轉，變?yōu)閺较蜻\動，由于這一變化，造成耗能較大，而后盤為錐形的葉輪氣流方向沿軸向及徑向有所偏斜，所以耗能較?。虎苡捎跉饬鹘?jīng)過葉片時是一種合成運動，因此氣流離開葉輪不是水平的徑向運動，而是沿葉輪后盤45°角方向的螺旋運動。

2.2 進水布水單元

進水布水單元是設備最前端的結構，圖4為錐形后盤工作原理圖，水流通過進水管在錐形后盤上形成一層水膜，進行第1次粉塵捕捉。進水管出口就是簡單的管狀出口，不用安裝任何噴嘴或其他輔助結構，因此對進水水壓、水質均無要求，從根本上避免了濕式除塵器噴嘴堵塞的問題。水流從進水管排出后在高負壓的作用下均勻的在錐形后盤上鋪滿，形成面積極大的水膜。隨風流沿軸向進入凈化器的一部分粉塵撞擊在水膜上，完成第1次粉塵捕捉。此時，進水管出水流量的增加，對設備除塵凈化效率有一定正向作用。然而，一旦設備內部的水膜生成以后，隨著出水流量的繼續(xù)增加，其除塵效率并沒有提升反而下降，這是由于設備內部的新型葉輪以及負壓空氣對水膜的破碎速率并沒有增加。同時，入水流量過大會超出脫水筒的容量，造成出口處的尾氣帶水，這些水滴中會夾帶有許多被水滴捕集的粉塵顆粒，造成2次污染。出水流量為1.35 m3/h時除塵效果最佳。

圖4 錐形后盤工作原理Fig.4 Working principle of conical back plate

2.3 混合旋流單元

葉輪每兩個葉片之間的空間可看作一個文丘里管，隨著葉輪轉動，形成動態(tài)文丘里通道。動態(tài)文丘里原理如圖5所示，在葉輪產生的高負壓和離心力作用下，含塵氣流和錐形后盤上水流進入葉片間的動態(tài)文丘里通道，水流被充分破碎，霧化成微小的液滴顆粒，并在動態(tài)文丘里原理的作用下被加速，實現(xiàn)水與含塵氣流的充分混合。加速運動的液滴顆粒與未被捕捉的粉塵碰撞結合，完成第2次粉塵捕捉。

圖5 動態(tài)文丘里原理Fig.5 Schematic diagram of dynamic Venturi

圖6為旋流葉片工作原理圖，旋流葉片具有導流、捕塵和脫水的三重作用。通過新型葉輪產生的高負壓，將風流直線路徑改為繞凈化器內壁螺旋軌跡運移的曲線路徑，增加粉塵顆粒與液滴顆粒的結合路程與時間，提高捕塵效率。經(jīng)旋流葉片的導流作用，讓風流繼續(xù)保持螺旋軌跡運移。同時含塵液滴在風流的裹挾下，在旋流葉片上再次形成一層水膜，進行第3次粉塵捕捉。水膜在離心力的作用下匯聚到凈化器內壁上，完成第1次脫水。

圖6 旋流葉片工作原理Fig.6 Working principle of cyclone vane

2.4 脫水排污單元

圖7為脫水筒結構及原理圖，通過旋流葉片的導流作用，未完全脫水的含污氣流繼續(xù)沿螺旋軌跡運移，經(jīng)過脫水筒時，氣流中的含塵霧滴在脫水筒內壁匯聚后經(jīng)脫水槽甩至凈化器內壁，使氣流與含塵霧滴的分離，實現(xiàn)第2次脫水。經(jīng)過2次脫水后的凈化風流從出風口排出。

圖8為排污槽結構及原理圖，如圖8所示，第1次脫水與第2次脫水后匯聚到凈化器內壁上的污水在風流與重力的雙重作用下積聚到凈化器內壁底部的排污槽處，從排污槽排出。由于排污槽與外界相通，可利用部分風流沖洗排污槽，排污槽中的污水在這部分風流的作用下不斷沖刷槽底污泥，能有效避免污泥沉淀堵塞排污槽。排污槽的污水最后從排污口排走。

圖8 排污槽結構及原理Fig.8 Structure and principle diagram of sewage trough

3 現(xiàn)場應用

濕式旋流抽塵凈化器在山西某選煤廠的精煤2次脫水與運輸車間進行現(xiàn)場應用。圖9為現(xiàn)場應用示意，4臺離心脫水機配備一臺帶式輸送機，帶式輸送機安裝在離心脫水機下方出口處，并將皮帶使用鋼板進行半封閉式處理。將濕式旋流抽塵凈化器放置在皮帶運輸機后方的一側，連接主管道，主管道分出四根支管道連接吸塵罩，并在支管道與吸塵罩連接處設置4個測點。現(xiàn)場應用結果表明，除塵前車間內全塵和呼塵濃度分別為87.7～118.7 mg/m3和59.8～79.2 mg/m3，除塵后下降為2.9～3.2 mg/m3和2.0～2.2 mg/m3，除塵效率達到96.3%以上。

圖9 現(xiàn)場應用實物Fig.9 Physical drawing of field application

4 結 論

1)針對濕式除塵器普遍存在噴嘴易堵塞、濾網(wǎng)需頻繁拆卸清洗、維護量大、設備尺寸過大導致安裝空間有限等問題，自主研發(fā)了一種濕式旋流抽塵凈化器，該設備主要由進水管、新型葉輪、錐形后盤、防水電機、旋流葉片、脫水筒組成，按功能分為進水布水、混合旋流和脫水排污3個單元。

2)濕式旋流抽塵凈化器的工作原理為新型葉輪在防水電機帶動下產生的高負壓吸入含塵氣流，同時將進水管出水吸至葉輪前端錐形后盤上形成水膜，一次捕捉抽入粉塵；水流進入葉片間的動態(tài)文丘里通道后在機械作用下被充分破碎，在動態(tài)文丘里原理作用下2次捕捉粉塵，經(jīng)旋流葉片水膜實現(xiàn)3次捕捉粉塵與一次脫水，以螺旋軌跡運移的含污氣流經(jīng)導流后通過脫水筒完成2次脫水。通過三重粉塵捕捉與雙重脫水作用，實現(xiàn)了高效抽塵、凈塵、脫水的一體化。

3)在山西某選煤廠精煤2次脫水與運輸車間的現(xiàn)場應用結果表明，除塵前車間內全塵和呼塵濃度分別為87.7～118.7 mg/m3和59.8～79.2 mg/m3，除塵后下降為2.9～3.2 mg/m3和2.0～2.2 mg/m3，除塵效率達到96.3%以上。

4)本研究成果為工礦企業(yè)在生產作業(yè)過程中的粉塵治理問題提供了解決方法，為改善現(xiàn)場作業(yè)條件、降低工人作業(yè)強度、助力企業(yè)安全生產提供新思路，保障了工人的安全健康和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。