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        基于電暈強化荷電的選礦廠粉塵電凝并除塵研究

        2024-01-06 04:52:20李海生徐子茵蔡豐義陳英華馮維剛陳聚凱
        礦業(yè)安全與環(huán)保 2023年6期

        李海生,徐子茵,蔡豐義,陳英華,馮維剛,陳聚凱

        (1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

        選礦廠是加工和處理礦物的主要場所[1-2],在選礦加工工藝流程中極易產(chǎn)生粉塵污染,不但會惡化周圍大氣環(huán)境,還會影響現(xiàn)場工作人員的身體健康[3-4]。因此,根據(jù)選礦廠生產(chǎn)場所的環(huán)境特殊性,設(shè)置相應(yīng)的除塵系統(tǒng)很有必要[5]。

        選礦廠生產(chǎn)性粉塵治理方法可以分為干法和濕法,主要與粉塵性質(zhì)、塵源及產(chǎn)塵機理有關(guān)[6-7]。實際生產(chǎn)過程中,相關(guān)企業(yè)采取了一些除塵措施,同時開展除塵控制系統(tǒng)優(yōu)化[8-9],應(yīng)用干霧抑塵[10-11]、布袋除塵、濕式除塵[7]等進行技術(shù)改造,實現(xiàn)對選礦粉塵的捕集,取得了一定的成效。濕法除塵工藝具有一定的降塵效果,可以使局部粉塵污染降到可控范圍,部分回收粉塵可以用于進一步分選提質(zhì)。濕法工藝應(yīng)用水或水霧對粉塵顆粒進行黏附或包裹,促使顆粒產(chǎn)生沉降或分離,從而實現(xiàn)除塵,但在霧化抑塵過程中會引發(fā)粉塵顆粒泥化或聚集,極易堵塞設(shè)備[12]。

        隨著環(huán)保要求的逐漸提高,作為粉塵污染的主要場所,選礦廠生產(chǎn)車間對大氣環(huán)境中顆粒污染物控制提出了更高的技術(shù)要求,盡可能降低工作場所大氣環(huán)境中的顆粒物含量,對生態(tài)環(huán)境保護和職業(yè)健康具有重要意義[13]?,F(xiàn)有技術(shù)對粉塵顆粒脫除效率已達(dá)到99%以上,但針對微細(xì)顆粒特別是空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于5.0 μm的微細(xì)顆粒物的脫除效果很難得到提高。作為一種處理量大、除塵效率高的除塵技術(shù),電凝并除塵技術(shù)已被廣泛應(yīng)用,其主要通過電暈放電等方式使粉塵顆粒荷電,荷電后的顆粒在高壓靜電場中慣性碰撞、擴散、空間電荷力作用下,多個微細(xì)顆粒將會凝并成大粒徑顆粒,再依靠電除塵技術(shù)進行脫除,特別適合脫除當(dāng)量直徑小于5.0 μm的微細(xì)粉塵顆粒。

        粉塵顆粒的荷電效果是影響電凝并除塵過程的技術(shù)關(guān)鍵。依據(jù)選礦粉塵電凝并除塵工藝流程,提出一種電暈強化荷電裝置,借助數(shù)值模擬與實驗研究手段,探索電暈作用下粉塵顆粒強化荷電的機理,結(jié)合顆粒荷電和電凝并除塵實驗,研究電暈作用對強化粉塵顆粒荷電、提高電凝并除塵效率的可行性,為進一步推動選礦廠微細(xì)顆粒電凝并除塵效率提升奠定基礎(chǔ)。

        1 選礦粉塵電凝并除塵工藝

        選礦粉塵電凝并除塵工藝主要經(jīng)過3個過程:

        1)微細(xì)顆粒從切向進入靜電除塵器圓柱形殼體后,向下旋流運動,依次通過與高壓直流電源相連接的芒刺電極和摩擦棒,形成電極電暈荷電和摩擦起電荷電,微細(xì)顆??梢缘玫匠浞趾呻姟?/p>

        2)管道上、下側(cè)壁面安裝極性相反電極,形成電凝并電場。在相反的電場力作用下,異性荷電的顆粒運動軌跡發(fā)生變化,形成顆粒碰撞。電凝并作用增加了顆粒運動軌跡長度,延長顆粒停留時間,提高了顆粒碰撞次數(shù)和聚集概率,使顆粒凝并成大粒徑的團聚體,有利于被脫除。

        3)經(jīng)電凝并形成的大顆粒團聚體,一部分在靜電除塵器內(nèi),受重力沉降作用被收塵箱收集,另一部分被吸附在電極板后落入收塵箱。除塵區(qū)上方有排氣口,其通過管道與風(fēng)機的后端進行連接,使裝置形成一個循環(huán)結(jié)構(gòu),可以達(dá)到二次除塵的目的。

        選礦粉塵電凝并除塵工藝過程如圖1所示。

        1—電暈強化荷電;2—電凝并電場;3—靜電除塵。

        微細(xì)顆粒在電暈作用下實現(xiàn)強化荷電,提高了顆粒荷質(zhì)比,使顆粒受到更大的電場力作用,增加運動路徑長度和碰撞次數(shù),實現(xiàn)大粒徑顆粒的聚集,有利于后續(xù)的收集除塵。因此,粉塵顆粒荷電過程是形成凝并和除塵的技術(shù)關(guān)鍵。粉塵顆粒荷質(zhì)比越大,在凝并電場內(nèi)受到的電場力作用越強,顆粒間產(chǎn)生碰撞接觸的概率越高,從而使微細(xì)顆粒凝并團聚成粒徑較大的顆粒團,有助于在靜電除塵過程中被脫除,提高除塵效率。

        2 電暈強化荷電模型

        顆粒高效荷電是提高電凝并除塵效率的技術(shù)關(guān)鍵。為了探索電極電暈放電對微細(xì)顆粒荷電的強化作用,可以采用數(shù)值模擬方法,深入研究電暈放電過程空間電勢分布特征,掌握顆粒荷電速率變化規(guī)律,探索顆粒飽和荷電量的分布情況,為除塵裝置設(shè)計和工藝參數(shù)制訂提供指導(dǎo)依據(jù)。

        2.1 幾何模型

        電暈強化荷電幾何模型如圖2所示。選用的電極全部為芒刺電極,使用正電暈放電的方式。芒刺電極材質(zhì)為304不銹鋼,絕緣邊界使用聚甲基丙烯酸甲酯材料。旋流電場高度為250 mm,直徑為200 mm,電極長度為65 mm。尖端傾斜角為72°,尖端曲率半徑為0.5 mm。芒刺電極一端接地,另一端接正極,其余邊界為絕緣邊界。將模型導(dǎo)入COMSOL中進行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定。

        圖2 電暈強化荷電幾何模型

        2.2 數(shù)學(xué)模型

        1)氣相數(shù)學(xué)模型

        電暈強化荷電區(qū)氣體流動滿足連續(xù)性方程:

        (1)

        假設(shè)流場中氣體密度恒定不變,則式(1)可以寫為:

        (2)

        氣相動量守恒方程可以表示如下:

        (3)

        式中:ρ為氣相密度,kg/m3;u為氣相速度,m/s;t為時間,s;p為壓力,Pa;μ為氣體黏度,Pa·s;ux、uy、uz為氣相速度在x、y、z3個方向的分量,m/s;fx、fy、fz為作用于單位流體的質(zhì)量力,N。

        電凝并區(qū)內(nèi)氣體流動符合標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型,控制方程如下:

        (4)

        (5)

        式中:ε為耗散率;κ為湍流動能,J;ui為速度分量,m/s,μt為湍流黏度,Pa·s;Gκ為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能,J;經(jīng)驗常數(shù)c1=1.44,c2=1.92,σκ=1.0,σε=1.3。

        2)正電暈電荷密度模型

        對于低電離度的電暈放電而言,計算過程中忽略電子—電子、電子—離子的庫侖碰撞作用,同時忽略電極附近的電離層厚度影響,認(rèn)為正離子的遷移速率可以是常數(shù)。空間電荷密度模型描述如下:

        帶電載流子的電流守恒方程:

        ·J=S

        (6)

        電荷守恒方程:

        J=ZqμiρE+ρu

        (7)

        電磁泊松方程:

        (8)

        空間電荷密度方程:

        (9)

        式中:J為電流密度,C/m2;S為直流源,C/m3;Zq為電荷數(shù);ρ為空間電荷密度,C/m3;E為電場強度,V/m;μi為離子遷移率,m2/(V·s);u為中性流體速度矢量,m/s;V為電勢,V;ε0為真空介電常數(shù),取8.854 187 817×10-12F/m。

        考慮到顆粒荷電是不斷累積與耗散的過程,結(jié)合Pautenier的場電荷理論和White的擴散電荷理論,獲得顆粒的荷電量qp(t)為:

        (10)

        (11)

        (12)

        2.3 邊界條件

        從電極到空域的空間電荷密度是逐漸降低的,電場強度峰主要集中于電極壁表面的電離層,因此還需要指定電極壁面處的表面電荷密度,更符合實際電力環(huán)境。

        依據(jù)幾何空間電極的長度、直徑、尖端傾斜角等結(jié)構(gòu)參數(shù),以及電極空間布局特征和容積大小,對電極放電參數(shù)進行了初步計算,設(shè)定電離層空間電荷密度為1.22×10-3C/m3,擴散域的空間電荷密度為2×10-5C/m3,離子遷移率為1.5×10-4m2/(V·s)。

        設(shè)定氣體壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,根據(jù)旋流電場的高度和直徑,依據(jù)連續(xù)性方程和動量守恒方程,同時考慮氣體阻力損失,確定合適的氣體入口速度為3 m/s,氣體溫度300 K,初始電子密度為1×107m-3。顆粒粒徑較小,主要受控于氣體慣性力作用,可以設(shè)定顆粒入口速度為3 m/s,顆粒質(zhì)量流率為0.03 g/s,顆粒電導(dǎo)率為500 S/m,顆粒初始電荷數(shù)為0,電極電壓20 kV。

        3 電暈強化荷電數(shù)值模擬

        3.1 旋流空間電勢

        旋流空間電勢分布云圖如圖3所示。

        (a)x方向

        由圖3(a)可見,電勢不僅集中于電極附近,靠近絕緣壁面處也存在較高電場。受表面離子源和表面電荷密度的影響,該處的電勢略高于輸入端供電電勢20 kV,達(dá)到20.8 kV;而在荷電區(qū)中心,由于接地電極的存在而出現(xiàn)電勢渦。由圖3(b)可見,荷電區(qū)內(nèi)旋流區(qū)域的頂部和底端電勢要高于其他部位,電勢峰值可達(dá)到16.9 kV。 由圖3(c)可見,豎直方向的電極接正電,水平方向的電極接地,在忽略荷電區(qū)壁面電離鞘層的影響下,可以發(fā)現(xiàn)電勢在電極尖端處、電極與絕緣壁面的交會處有極大值,電勢分布從通電電極邊界向接地電極邊界逐漸降低,呈漏斗形。

        3.2 旋流顆粒荷電速率

        顆粒荷電速率包括電場荷電速率和擴散荷電速率,其可用于評價旋流顆粒的荷電過程。隨機抽取11個顆粒,獲取顆粒的荷電速率變化情況,如圖4所示。

        (a)電場荷電速率

        由圖4可知,隨著時間的推移,微細(xì)顆粒在旋流運動中,電場荷電速率和擴散荷電速率出現(xiàn)多次大幅度波動情況,電場荷電速率在0.71 s時變化最明顯,而擴散荷電速率在0.85 s時變化最明顯。隨機抽取的11個顆粒荷電速率變化規(guī)律大致相同。

        電場荷電速率的最大值和平均值分別為621.49 s-1和17.78 s-1,而擴散荷電速率的最大值和平均值分別為296.34 s-1和11.18 s-1。對于微細(xì)顆粒,電場荷電速率明顯高于擴散荷電速率。這是由于擴散荷電速率主要取決于顆粒之間的碰撞作用,顆粒濃度越高,擴散荷電速率也越大。電場荷電速率主要取決于電場分布和電場強度大小。隨著顆粒荷電量增加,荷電速率逐漸增大。

        3.3 電暈顆粒飽和荷電量

        當(dāng)顆粒質(zhì)量流率為0.03 g/s,從時間t=0到t=1 s內(nèi),荷電過程投入顆粒3 900個,其平均粒徑為10.0 μm,電暈顆粒飽和荷電量分布如圖5所示。

        圖5 電暈顆粒飽和荷電量分布

        由圖5可知,電暈顆粒最終獲得的飽和荷電量呈現(xiàn)正態(tài)分布特征,正電暈作用下顆粒荷電均為正值,大部分顆粒飽和荷電量小于4×10-15nC。可以看出,當(dāng)顆粒進入電暈電場后,在氣流作用下顆粒產(chǎn)生旋流運動,一方面顆粒與電極產(chǎn)生碰撞荷電,另一方面電極尖端處和絕緣交會處存在高壓電勢,形成的電暈放電強化了顆粒荷電。因此,電暈放電過程提高了電場荷電速率和擴散荷電速率,特別是電暈作用使電場局部電勢增大,電場強度得到增強,電場荷電速率增大,提高了顆粒荷電量。對于粒徑10.0 μm顆粒,其粒徑小、數(shù)量多,增加了顆粒接觸碰撞的次數(shù),有助于提高擴散荷電速率。

        由于電暈過程存在不均勻電勢,且在旋流作用下顆粒與電極棒碰撞不均勻,導(dǎo)致顆粒荷電量存在差異性。顆粒飽和荷電量0~<2×10-15nC的顆粒數(shù)量為2 401個,而荷電量(2~<4)×10-15nC的顆粒為976個。電暈顆粒平均飽和荷電量2.359×10-15nC。

        4 粉塵顆粒電凝并實驗

        4.1 電凝并實驗系統(tǒng)

        電凝并實驗裝置如圖6所示。氣體和粉塵顆粒形成了穩(wěn)定的氣固兩相流,從入口管道切向進入電暈強化荷電器,粉塵顆粒在氣流作用下,形成了旋流運動,在與壁面、芒刺電極的摩擦碰撞過程中,顆粒將會荷電。將直流電源與芒刺電極相連接,給定直流電暈電壓,電極尖端放電后形成電暈電場,實現(xiàn)了粉塵顆粒的強化荷電過程。荷電的粉塵顆粒在通過電凝并電場時,產(chǎn)生團聚和凝并,形成粒徑較大的粉塵顆粒,有助于在后續(xù)的靜電除塵器中被吸附而脫除。

        1—入料風(fēng)機;2—混合儲罐;3—入料口;4—入口管道;5—電暈強化荷電器;6—切換閥;7—電凝并電場;8—排氣管道;9—粉塵檢測口;10—抽吸風(fēng)機;11—集塵濾膜;12—電除塵器。

        采集原煤膠帶轉(zhuǎn)載點區(qū)域的粉塵顆粒300 g,充分混合后用400目網(wǎng)格篩分選獲得粒徑小于37.0 μm的粉塵顆粒。顆粒實驗條件為粉塵質(zhì)量濃度0.03 g/s,入口流速2 m/s,凝并區(qū)交流電壓5 kV,交流電頻率125 Hz,分別開展粉塵顆粒荷電和電凝并除塵實驗研究。

        4.1.1 顆粒荷電實驗

        在電暈電壓為0、20 kV時,開展粉塵顆粒荷電實驗,對比電暈對顆粒荷電的影響。如圖6所示,在入料風(fēng)機氣體引流作用下,入料口投放的粉塵顆粒進到入口管道,在儲罐中充分混合后進入電暈強化荷電器;手動調(diào)節(jié)切換閥,使粉塵顆粒進入切換閥右側(cè)旁路管道,在管道法蘭連接處安裝了集塵濾膜,可以收集荷電粉塵顆粒;將濾膜放入法拉第筒內(nèi),運用EST111型數(shù)字電荷儀測量荷電量后,再取出放入電子天平稱重;粉塵質(zhì)量可由集塵濾膜質(zhì)量減去濾膜原始質(zhì)量獲得。因此,粉塵顆粒荷質(zhì)比計算公式如下:

        (13)

        式中:q/m為粉塵荷質(zhì)比,nC/g;Q為粉塵荷電量,nC;m1為濾膜原始質(zhì)量,g;m2為集塵濾膜質(zhì)量,g。

        4.1.2 顆粒電凝并除塵實驗

        在電暈電壓為0、20 kV時,實驗研究電暈對顆粒電凝并除塵效率的影響。手動調(diào)節(jié)切換閥,使粉塵進入電凝并電場;經(jīng)過電除塵器除塵后,在抽吸風(fēng)機作用下,可以將部分含塵氣體送入電暈強化荷電器再次凝并,其余通過排氣管道進入大氣;在排氣管道上設(shè)置有粉塵檢測口,運用激光粉塵檢測儀GT-1000,對含塵氣體的粉塵顆粒進行檢測,獲得氣體中粒徑小于5.0 μm的粉塵粒子數(shù)。在增加電暈作用前后,對比不同粒徑范圍的顆粒數(shù)量統(tǒng)計數(shù)據(jù),以此為依據(jù)計算對應(yīng)粒徑范圍的顆粒數(shù)量變化率,定義如下:

        (14)

        式中:ΔN為顆粒數(shù)量變化率;N1為電暈0 kV作用下粉塵電凝并后對應(yīng)粒徑范圍的顆粒個數(shù);N2為電暈20 kV作用下粉塵電凝并后對應(yīng)粒徑范圍的顆粒個數(shù)。

        4.2 電暈對顆粒荷電的影響

        電暈對粉塵顆粒荷質(zhì)比的影響如圖7所示。由圖7可知,隨著采樣時間的延長,粉塵顆粒荷質(zhì)比先快速增大后逐漸趨于穩(wěn)定,2 min時顆粒荷質(zhì)比最高,3 min后變得相對穩(wěn)定。采樣時間0.5 min時,電暈電壓0、20 kV所對應(yīng)的荷質(zhì)比分別為215、432 nC/g;采樣時間2.5 min時分別為728、1 478 nC/g;采樣時間4 min時,與電暈電壓0 kV相比,電暈電壓20 kV下粉塵顆粒荷質(zhì)比可以達(dá)到1 180 nC/g,增大了550 nC/g。

        圖7 不同電暈電壓條件下粉塵顆粒荷質(zhì)比隨時間的變化曲線

        由于電暈場中電極棒的存在,在其尖端、絕緣壁面附近存在高壓電勢,放電過程提高了顆粒的電場荷電速率和擴散荷電速率,提高了粉塵顆粒的荷電效果。當(dāng)電暈電壓從0 kV增高到20 kV時,在電暈作用下粉塵顆粒荷質(zhì)比顯著增高,這有助于粉塵電凝并除塵。

        4.3 電暈對電凝并的影響

        電暈對粉塵顆粒電凝并過程的影響如圖8所示。由圖8可知,當(dāng)電暈電壓從0 kV增高到20 kV時,粒徑0.3~<0.5 μm的粉塵顆粒由121 324個減少到82 087個,而粒徑0.5~<1.0 μm的粉塵顆粒數(shù)量由62 397個減少到22 785個??梢钥闯?電暈作用對粒徑小于1.0 μm的粉塵顆粒具有良好的荷電強化效果,粉塵顆粒荷電量越大,越有助于在電凝并區(qū)內(nèi)形成凝聚,從而被電除塵器捕獲。增加電暈作用后,粒徑1.0~<2.5、2.5~<5.0 μm的粉塵顆粒分別減少了7 250個和1 790個,表明電暈強化荷電能夠提高粒徑1.0~<5.0 μm粉塵顆粒的電凝并效果。

        (a)粉塵顆粒數(shù)量統(tǒng)計圖

        對比不同粒徑的顆粒數(shù)量變化率可知,粒徑0.5~<1.0 μm的顆粒數(shù)量變化率最大,達(dá)到了63.48%,而粒徑0.3~<0.5 μm的顆粒數(shù)量變化率最小,為32.34%。1.0~<2.5 μm和2.5~<5.0 μm的顆粒數(shù)量變化率均超過56%。表明電暈對提高粉塵顆粒電凝并除塵效果具有積極作用,特別是對粒徑0.5~<1.0 μm粉塵顆粒的凝并脫除效果最好。

        5 結(jié)論

        1)氣體流場和顆粒電暈荷電的數(shù)值模擬研究表明,電暈過程中電極之間會形成明顯電勢差,電極尖端處高電勢形成的電暈放電,可以實現(xiàn)顆粒荷電強化。

        2)顆粒碰撞和電暈電勢的不均勻是導(dǎo)致顆粒荷電速率大幅度波動和荷電量差異的主要原因,電場荷電速率明顯高于擴散荷電速率,粒徑10.0 μm顆粒飽和荷電量呈現(xiàn)正態(tài)分布特征,平均飽和荷電量為2.359×10-15nC。

        3)膠帶轉(zhuǎn)載點的粉塵顆粒荷電和電凝并除塵實驗表明,電暈電壓20 kV時顆粒荷質(zhì)比為1 180 nC/g,比電暈電壓0 kV時荷質(zhì)比增大了550 nC/g,能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒荷電強化,提高電凝并除塵效率,特別是對粒徑0.5~<1.0 μm粉塵顆粒的電凝并脫除效果最好,其數(shù)量變化率為63.48%。

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