湿式密集纤维栅对矿山粉尘的过滤效率

ChineseJournalofEnvironmentalEngineering

环境工程学报

Vol.11,No.5May2017

湿式密集纤维栅对矿山粉尘的过滤效率

陈喜山∗,张宇琪,姚小清

青岛理工大学汽车与交通学院,青岛266520

摘　要　金属矿山粉尘净化一直是深井空气环境治理的技术难题,为解决单层纤维栅并列插板结构体积大、孔隙率高等问题,在毛细管润湿效应产生水膜的净化理论基础上,建立了湿式密集纤维栅净化机制的物理模型,利用等效假设推出了湿式密集纤维栅的过滤净化效率式。采用正交实验分析了各因素对密集纤维栅净化效率的影响。根据分级净化效率的实验结果对理论效率公式进行了量纲一的修正,应用湿式密集栅纤维层过滤实验系统进行粉尘净化实验,实验结果表明:湿式密集纤维栅在实验最优组合情况下对粒径小于5μm的呼吸性粉尘净化效率可达92.36%,具有良好的实际应用效果。关键词　湿式密集纤维栅;过滤净化效率;正交实验;参数修正

中图分类号　X513　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2017)05-2871-07　　DOI　10.12030/j.cjee.201512220

Filtrationefficiencyofwet-typeintensivefibergridonminedust

CHENXishan∗,ZHANGYuqi,YAOXiaoqing

CollegeofAutomobileandTransportation,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266520,China

Abstract　Purificationofmetalminedustalwaysinvolvestechnicalproblemsconcerningcontrolofthedeep-mineatmosphericenvironment.Tosolvetheseproblems,includingthelargevolumeandhighporosityofthesin-gle-layerfibergridparallel-structuredboard,aphysicalmodelofthepurificationmechanismwithawet-typein-tensivefibergridwasestablished,andafiltrationandpurificationefficiencyformulawasderivedbyusingane-quivalenceassumptiononthetheoreticalbasisofwater-filmpurificationgeneratedbyacapillarywettabilityeffect.Anorthogonalexperimentwasadoptedtoanalyzetheimpactsofdifferentfactorsonthepurificationeffi-ciencyoftheintensivefibergridandtoderiveanondimensionalrevisedformulaforpurificationefficiency.Ac-cordingtothegradedpurificationefficiency,thetheoreticalformulawasnondimensionallyrevised.Adustpurifi-cationexperimentwasperformedbyapplyingthefiltrationexperimentalsystemforthefiberlayerofthewet-typeintensivegrid.Theexperimentalresultssuggestedthat,underoptimalexperimentalconditions,thewet-typeinten-sivefibergridachievedanefficiencyof92.36%forpurifyingrespirabledustwithgraindiametersbelow5μmandthatfavorableoutcomeswereachievedforpracticalapplication.

Keywords　wet-typeintensivefibergrid;filtrationandpurificationefficiency;orthogonalexperiment;parametercorrection

　　目前,我国众多金属矿山已经进入深部开采,随之而来的深井空气净化也越来越困难[1-2]。净化微细粉尘主要应用的是过滤除尘技术,湿式纤维栅粉尘过滤净化技术是一种将纤维过滤机理和喷雾洗涤机理相结合的复合净化技术。在净化过程中,同时利用了传统纤维滤料对尘粒的高效捕集以及清洗液(多为水)对积尘纤维的清洗作用,对粒径小于5μm的呼吸性粉尘具有较高的捕集效率。

的湿式振动纤维栅在湿式过滤技术上具有重大突破,在结构简单、能耗低的同时,对呼吸性粉尘的捕集效率大于90%[5];但由于振动原因,净化主体只能采取多个单层纤维栅并列插板式结构,存在体积庞大、制作工艺烦琐、孔隙率高等缺点。本文在振动纤维栅结构基础上,将复杂的多层纤维栅合并成单层插板式密

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51274127)收稿日期:2015-12-29;录用日期:2016-01-18

第一作者:陈喜山(1956—),男,工学硕士,教授,研究方向:通风除尘与空气净化。E-mail:chenxishan@qtechedu.cn∗通信作者

提高除尘器对微细粉尘的捕集效率是新型除尘净化装置研究和实验的主要目的[3-4]。东北大学研制

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环境工程学报第11卷

集栅,选用不同直径的PE纤维进行加工,并采用正交实验对密集纤维栅的过滤净化过程进行了初步研究,旨在获得适宜的密集纤维栅结构和运行参数。

1　湿式密集纤维栅过滤净化机理模型

1.1　基本净化模型

纤维栅采用均匀密集的竖向排列方式,单层纤维栅横向纤维间距小于单倍纤维直径,因此横向纤维间隙可以简化成直径相等的多个毛细管。初始状态,水雾在毛细管的压力作用下产生毛细管润湿,形成柱状水膜[6-7],如图1所示。在平衡状态下,含尘气流通过初始状态的密集纤维栅时,粉尘被液膜捕获。破裂后水膜在毛细压力作用下收缩在纤维表面,在风流和重力作用下变化形式如图2所示。

由于密集纤维栅纵向纤维层由多层横向纤维栅紧密排列,因此纵向临近纤维之间也会形成柱状

水膜,整个纤维结构形成的毛细管水膜结构如图3所示。初始状态时,含尘气流通过多个横纵相交的水膜,大大提高了粉尘的捕集效率;而平衡状态时,含尘气流则沿多纤维做绕流运动,被纤维水柱所捕获。

图1　初始状态横向纤维栅上水膜示意图Fig.1　Initialstateofwaterfilmintransversefibergrid

图2　平衡状态横向纤维栅上水柱示意图

Fig.2　Equilibriumdiagramofwaterintransversefibergrid

图3　初始状态下纤维结构上水膜示意图Fig.3　Schematicviewofinitialstatewaterfilm

onfiberstructure

1.2　理论假设模型

此在整个研究过程中采用如下假设。

平衡状态时,由于柱状水膜的锥形分布以及液膜的不均匀覆盖使理论效率计算变得极为复杂[8-9],因基本假设:1)纤维丝断面为圆形,粉尘颗粒均为球形;2)捕集液与纤维的接触角假设为零,粉尘一经捕集便被冲洗液带走;3)整个净化过程均在滤料内部进行。

等效假设:进入滤料的冲洗液均匀地分布于纤维丝表面流动,形成纤维丝和水组成的当量过滤体,如图4所示。

Fig.4　

图4　纤维栅上水膜分布的等效示意图Waterfilmonfibergriddistributionequivalent

schematic

第5期陈喜山等:湿式密集纤维栅对矿山粉尘的过滤效率

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2　纤维栅净化效率理式推导

2.1　关键物理量计算2.1.1

经过等效类比假设后,湿纤维的当量直径d即为纤维丝直径df与附着于纤维丝表面的水膜环形部分

Vβwπ2

(d-d2)=f4lf

(1)

当量直径d

之和。如图2(b)所示,湿纤维的当量直径d和纤维直径df存在如下关系:

式中:βw为水的充填率,%,通过测定滤料含水率计算获得;lf为纤维总长度,m;lf=4βfV/(πd2f),βf为纤维丝充填率,%,材质为PE纤维,由实验测得。代入式(1)整理后得到湿纤维的当量直径表达式:

d=df

2.1.2

总充填率β

1+

βw

βf

(2)

由于清洗液均匀环状地分布于纤维丝表面,也就是说,滤料内部充填物由纤维丝和冲洗液2部分组

β=βf+βw

(3)

成,即总充填率β等于纤维丝充填率βf与水的充填率βw之和:2.2　密集纤维栅净化效率理论推导2.2.1

单一纤维综合捕集效率

密集纤维栅主要针对0~30μm粒径范围的微细粉尘做净化研究,因此对单一纤维捕集体净化效率依据实验研究参数确定整个实验过程中雷诺数处于20~150之间,因此惯性碰撞捕集效率采用了大

ηI=

S3tk

(4)

起主导作用的是惯性碰撞、拦截以及扩散效应。雷诺数情况下的Subraman经验式[10]:

式中:Stk为斯托克斯数,表征颗粒物惯性大小。流动

[11]

2

S3tk+0.77Stk+0.22

能够被纤维丝拦截捕获的粒子惯性几乎为0,因此净化过程可看作粒子在势流状态下绕孤立圆柱体。根据流函数ψ=v01-

[()]rsinθ在r→∞,rsinθ=b时,推出拦截效率公式:

ηR=1+R-1

1+R

(5)

ar

2

式中:R为拦截参数,它是粒子直径dp与纤维直径Dc的比值;r为粒子圆心到纤维丝圆心距,m;v0为过滤风速,m·s-1;a为纤维丝半径,m。

纤维丝粒子的扩散捕集效率与雷诺数Re和贝克来数Pe有关,此次实验贝克来数在1~90之间;因此

8Pe

(6)

采用Stairmend推导出扩散效率的理论式:

ηD=

式中:Pe=

vd

;v为湿式密集纤维栅层中的气流速度,即为过滤风速,m·s-1;D为扩散系数;d为湿纤维D

的当量直径。

模式近似计算方法[12]:2.2.2

由于在整个净化过程中,3种过滤同时进行且不互相叠加,因此单一纤维丝的综合捕集效率采用串联

E=1-(1-ηI)(1-ηR)(1-ηD)

(7)

如图5所示,取喷头喷雾覆盖的圆形湿式密集纤维栅过滤层部分为分析单元,该单元中纤维丝和清洗

纤维栅净化总效率

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环境工程学报第11卷

液的总充填率(即湿纤维的充填率)为β,厚度为H,受液面积为A。

从中取一厚度为dh的微元片体,该微元中湿纤维的总长度可表示为Lf=

4βA

dh,则单位时间内粉πd2

4βA

dhπd2

(8)

尘粒子在此微元体中湿纤维上的沉降量为:

dvLfcE=dvcE

式中:v为纤维层中气流速度,v=v0/(1-β),m·s-1;c为气流中粉尘粒子的数量浓度,粒·m-3。

含尘气流通过湿式密集纤维栅中该微元体后,

图5　密集纤维栅净化模型示意图

Fig.5　Schematicdiagramofpurificationmodelon

densefibergrid

单位时间气流中粒子的减少量-Av0(dc)与微元体纤维上沉降量[13]相等。

含尘气流通过洁净纤维栅后,单位时间流中粒子减少量-Av0(dc)与微元体纤维上沉降量相等[13]。

-Av0(dc)=dvcE

将式(9)积分后得湿式密集纤维栅的净化效率式:

η=1-exp-E

4βA

dhπd2

(9)

(

将式(6)和式(7)代入过滤净化效率式得到湿式密集纤维栅净化效率理论式:

éê-η=1-expêêπdë

式中:H为密集纤维栅厚度,m。

ùú

βwú1+[1-(βf+βw)]úûβf4(βf+βw)HE

(11)

β4H

1-βπd

)

(10)

3　实验部分

3.1

纤维栅的研制

密集纤维栅与振动纤维栅结构类似,均为竖向平行排列的纤维竖束,本文采用疏水性极强且自润性较好的PE纤维[14-15],均匀竖直的缠绕在极薄的不锈钢钢架上,如图6所示。不同于振动纤维栅的单层结构,密集纤维栅采用多层密集纤维束结构,增加了过滤层厚度,减小了孔隙率,对2μm以下的微细3.2

粉尘捕集效率更高。

实验装置

实验装置由粉尘发生装置、测尘采样系统、喷雾循环系统、通风系统和测试系统组成。装置的主体由一段内径384mm,厚8mm的有机玻璃圆筒组成。圆筒内装有喷头、排水槽、测压系统以及密集纤维栅插板。选用细度为200目,质量中位径为22.58μm的亲水性粉尘二氧化硅作为实验粉尘[16]。净化效率的采样由净化主体两侧孔内采样头、内部采样滤膜和抽气机来完成。采用等速采样法进行采样,重量法测定除尘器效率,万分之一电子天平进行称重。实验系统结构图如图7所示。

Fig.7　Structureofexperimentalsystem

图7　实验系统结构图6　密集纤维栅结构示意图

Fig.6　Schematicdiagramofdensefibergridstructure

第5期陈喜山等:湿式密集纤维栅对矿山粉尘的过滤效率

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3.33.3.1

实验方法和结果

经过理论分析,影响净化效率的主要因素为净化风速、喷雾量、纤维直径以及充填率4个主要因素。按照正交实验方案对湿式密集纤维栅粉尘净化效率进行了实验,采用极差法对实验结果进行分析,影

正交实验及结果

参照文献[17]中的正交实验方法设计出了4因素3水平的正交实验方案。实验方案见表1。响净化效率的各因素水平之和的极差R值如表1所示。

表1　正交实验方案和结果分析

Table1　Programandresultsanalysisoforthogonalexperiment

项目分组

组号12ⅠⅡⅢR3

纤维直径/mm

0.30.6883.08886.72868.5318.190.9

栅层厚度/mm

1015865.97885.08887.2821.3120

过滤风速/(m·s-1)

12

喷雾量/(L·(h·m2)

420490872.02883.58882.7311.56560

-1

)

极差分析

870.25885.50882.5815.25

2.5

零或很小时为无关因素[18]。由表1看出,影响湿式密集纤维栅净化效率的主要因素为滤料厚度即充填率,纤维直径和过滤风速次之,喷雾量对其影响最小。20mm,喷雾量为490L·(h·m2)99.59%且净化阻力最小。

-1

1)主要因素分析:由极差分析法可知,R值大的因素为主要因素,R值小的因素为次要因素,R值等于

2)实验因素最优组合:根据极差法分析得到的实验因素最优组合为选用直径0.6mm,纤维栅厚度

,过滤风速为2m·s-1的实验条件测得的净化效率最高可达到

3.3.2　净化效率随各因素变化关系

根据正交实验结果得到的实验因素最优组合结果,为了更好地得到过滤净化效率随着不同因素变化

-1

的规律,在正交实验的最优参数组合的基础上又补充实验点的数量,进一步开展了常规实验。最终得到了过滤净化效率随各因素的变化的关系曲线,如图8~图11所示。在H=20mm,Q=490L·(h·m2)

实

验条件下,净化效率与风速的关系如图8所示,在一定范围内净化效率随过滤风速的增大而增大,这是因为过滤风速的增大使密集纤维栅对粉尘粒子的惯性捕集作用增强,因而净化效率增大。当风速增大到一定值时,过滤效率最大,本实验中此值趋近于2.2m·s-1。当风速继续增大时,过滤效率反而会越来越小,这是因为因惯性作用而被捕集的粒子被完全捕获,过滤风速的增大不会再增加惯性捕集的粒子数,甚至会带走已被捕集的粒子。而对扩散作用而言,风速越大捕集效率越低,因此综合捕集效率降低。

图8　净化效率随过滤风速的变化Fig.8　Changeofefficiencyofpurificationwith

filtrationvelocity

图9　净化效率随喷雾量变化图Fig.9　Changeofefficiencyofpurificationwith

sprayquantity

2876

达到490L·(h·m2)

-1

环境工程学报第11卷

由图9看出,在H=20mm,v=2.0m·s-1实验条件下,过滤效率随喷雾量的增加而升高。当喷雾量

时,随着喷雾量的增大,过滤效率升高趋势放缓。这是由于喷雾使纤维丝捕集粉

-1

尘时反弹作用减小,当喷雾量达到一定值时,反弹现象基本消失,净化效率升高梯度降低。

度的增大而升高,符合理论分析结论;但是随着厚度的增大,密集纤维栅净化阻力也会随之增大,因此考虑综合效应,厚度选用15~20mm为宜。在H=20mm,Q=490L·(h·m2)

-1

在v=2.0m·s-1,Q=490L·(h·m2)

实验条件下,由图10可看出:密集纤维栅净化效率随着厚

,v=2.0m·s-1实验条件

下,纤维直径与净化效率关系图11所示。0.3mm的纤维直径在喷雾的作用下出现了凝并现象,导致过滤效率下降,而0.4~0.6mm纤维直径净化效率最高,0.7~0.9mm纤维直径净化效率明显下降,基本符合净化效率理论式。

图10　净化效率随密集纤维栅厚度变化图Fig.10　Changeofefficiencyofpurificationwith

thicknessinfibergrid

图11　净化效率随纤维直径变化Fig.11　Changeofefficiencyofpurificationwith

fiberdiameter

3.4分级净化效率理论值修正

密集纤维栅在最优实验组合下的分级净化效率理论值与实验值绘于图12中,可以看出分级净化效率随粒径增大而变大。湿式密集纤维栅对于粒径小于5μm的呼吸性粉尘净化效率高达92.36%,对粒径在2μm以下粉尘净化效率达到43.34%。实验值不完全吻合于理论值是由于理论假设忽略了实验过程中的复杂影响因素,因此对净化理论式进行实验修正。

将式(11)做如下处理:éê-ξ

1-η=expê

êπdë式中:ξ为修正系数。

将(12)式两边取对数得:

ln

1

,X=1-η

1

=ξ

1-η

πd

ùú

βwú1+[1-(βw+βf)]úûβf4(βf+βw)HE

图12　湿式密集纤维栅分级净化效率曲线Fig.12　Gradepurificationefficiencycurveof

wetdensefibergrid

(12)

4(βf+βw)HE1+

令,Y=ln

πd

βw

1+[1-(βw+βf)]

βf

Y=ξX

4(βf+βw)HEβw

[1-(βw+βf)]βf

代入式(13)得直线方程:

(13)

(14)

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将不同粒径下的分级实验数据代入式(14),得到0.9263X。于是,湿式密集纤维栅净化效率修正式为:éê-0.9263

η=1-expê

êπdë

4(βf+βw)HE

实验散点图,并对其进行线性回归分析[19],可得Y=

ùú

βwú1+[1-(βw+βf)]úûβf

(15)

将湿式密集纤维栅过滤净化效率修正曲线、理论曲线以及实验曲线绘于图13中,可以看出:经过修正后的曲线与实验曲线更加接近。这是由于理论曲线导出时假设粉尘粒子一经接触到湿纤维表面的液膜便被捕获,没有考虑到液膜的表面张力作用可

修正,得到半理论半经验的修正式,使其更加接近于实验测定的结果。

上述分析说明,在应用湿式密集纤维栅过滤净化时,尽可能采取措施降低清洗液的表面张力是提高微细粉尘捕集效率的重要途径。

图13　湿式密集纤维栅分级净化效率修正曲线Fig.13　Gradepurificationefficiencycorrectioncurveof

wetdensefibergrid

以使得细微粉尘逃逸,因此理论过滤效率高于实验测定结果。经过应用实际的实验测定结果对其进行了

4　结论

体,将水膜破裂后的水柱等效假设,利用数学模型计算出密集纤维栅的湿式净化效率式:

é

ê-η=1-expê

ê

ëπd

ùú

βwú1+[1-(βw+βf)]úûβf

4(βf+βw)HE

1)提出了湿式密集纤维栅除尘机制的物理模型。水雾在毛细管作用下产生的柱状水膜为最初捕集

490L·(h·m2)参考文献

维丝直径,并得出系统运行的最佳参数:过滤风速2m·s-1,直径0.6mm,纤维栅厚度20mm,喷雾量为

-1

2)通过正交实验确定了影响湿式密集纤维栅净化效率的主要因素为风速、纤维栅厚度、喷雾量和纤3)应用回归分析对密集纤维栅理论式进行了量纲一修正,得到近似实验曲线的分级净化效率曲线。

,对粒径小于5μm呼吸性粉尘净化效率达到92.36%。

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