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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(huì)惡化周圍大氣環(huán)境,還會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)工作人員的身體健康[3-4]。因此,根據(jù)選礦廠生產(chǎn)場(chǎng)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(jī)理有關(guān)[6-7]。實(shí)際生產(chǎn)過程中,相關(guān)企業(yè)采取了一些除塵措施,同時(shí)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(jìn)行技術(shù)改造,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)一步分選提質(zhì)。濕法工藝應(yīng)用水或水霧對(duì)粉塵顆粒進(jìn)行黏附或包裹,促使顆粒產(chǎn)生沉降或分離,從而實(shí)現(xiàn)除塵,但在霧化抑塵過程中會(huì)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(chǎng)所,選礦廠生產(chǎn)車間對(duì)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(chǎng)所大氣環(huán)境中的顆粒物含量,對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和職業(yè)健康具有重要意義[13]?，F(xiàn)有技術(shù)對(duì)粉塵顆粒脫除效率已達(dá)到99%以上,但針對(duì)微細(xì)顆粒特別是空氣動(dòng)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(chǎng)中慣性碰撞、擴(kuò)散、空間電荷力作用下,多個(gè)微細(xì)顆粒將會(huì)凝并成大粒徑顆粒,再依靠電除塵技術(shù)進(jìn)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(qiáng)化荷電裝置,借助數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究手段,探索電暈作用下粉塵顆粒強(qiáng)化荷電的機(jī)理,結(jié)合顆粒荷電和電凝并除塵實(shí)驗(yàn),研究電暈作用對(duì)強(qiáng)化粉塵顆粒荷電、提高電凝并除塵效率的可行性,為進(jìn)一步推動(dòng)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(gè)過程:

1)微細(xì)顆粒從切向進(jìn)入靜電除塵器圓柱形殼體后,向下旋流運(yùn)動(dòng),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)顆粒可以得到充分荷電。

2)管道上、下側(cè)壁面安裝極性相反電極,形成電凝并電場(chǎng)。在相反的電場(chǎng)力作用下,異性荷電的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化,形成顆粒碰撞。電凝并作用增加了顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡長度,延長顆粒停留時(shí)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(tuán)聚體,有利于被脫除。

3)經(jīng)電凝并形成的大顆粒團(tuán)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(jī)的后端進(jìn)行連接,使裝置形成一個(gè)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(qiáng)化荷電;2—電凝并電場(chǎng);3—靜電除塵。

微細(xì)顆粒在電暈作用下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化荷電,提高了顆粒荷質(zhì)比,使顆粒受到更大的電場(chǎng)力作用,增加運(yùn)動(dòng)路徑長度和碰撞次數(shù),實(shí)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(chǎng)內(nèi)受到的電場(chǎng)力作用越強(qiáng),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(tuán)聚成粒徑較大的顆粒團(tuán),有助于在靜電除塵過程中被脫除,提高除塵效率。

2 電暈強(qiáng)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(duì)微細(xì)顆粒荷電的強(qiáng)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(shì)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(jì)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(qiáng)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(chǎng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定。

圖2 電暈強(qiáng)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(qiáng)化荷電區(qū)氣體流動(dòng)滿足連續(xù)性方程:

(1)

假設(shè)流場(chǎng)中氣體密度恒定不變,則式(1)可以寫為:

(2)

氣相動(dòng)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)能,J;經(jīng)驗(yàn)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(duì)于低電離度的電暈放電而言,計(jì)算過程中忽略電子—電子、電子—離子的庫侖碰撞作用,同時(shí)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)?？臻g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(chǎng)強(qiáng)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(shì),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(chǎng)電荷理論和White的擴(kuò)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)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(duì)電極放電參數(shù)進(jìn)行了初步計(jì)算,設(shè)定電離層空間電荷密度為1.22×10-3C/m3,擴(kuò)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(chǎng)的高度和直徑,依據(jù)連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程,同時(shí)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(qiáng)化荷電數(shù)值模擬

3.1 旋流空間電勢(shì)

旋流空間電勢(shì)分布云圖如圖3所示。

(a)x方向

由圖3(a)可見,電勢(shì)不僅集中于電極附近,靠近絕緣壁面處也存在較高電場(chǎng)。受表面離子源和表面電荷密度的影響,該處的電勢(shì)略高于輸入端供電電勢(shì)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(shì)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(shì)要高于其他部位,電勢(shì)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(shì)在電極尖端處、電極與絕緣壁面的交會(huì)處有極大值,電勢(shì)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(chǎng)荷電速率和擴(kuò)散荷電速率,其可用于評(píng)價(jià)旋流顆粒的荷電過程。隨機(jī)抽取11個(gè)顆粒,獲取顆粒的荷電速率變化情況,如圖4所示。

(a)電場(chǎng)荷電速率

由圖4可知,隨著時(shí)間的推移,微細(xì)顆粒在旋流運(yùn)動(dòng)中,電場(chǎng)荷電速率和擴(kuò)散荷電速率出現(xiàn)多次大幅度波動(dòng)情況,電場(chǎng)荷電速率在0.71 s時(shí)變化最明顯,而擴(kuò)散荷電速率在0.85 s時(shí)變化最明顯。隨機(jī)抽取的11個(gè)顆粒荷電速率變化規(guī)律大致相同。

電場(chǎng)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(kuò)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(duì)于微細(xì)顆粒,電場(chǎng)荷電速率明顯高于擴(kuò)散荷電速率。這是由于擴(kuò)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(kuò)散荷電速率也越大。電場(chǎng)荷電速率主要取決于電場(chǎng)分布和電場(chǎng)強(qiáng)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(shí)間t=0到t=1 s內(nèi),荷電過程投入顆粒3 900個(gè),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?？梢钥闯?當(dāng)顆粒進(jìn)入電暈電場(chǎng)后,在氣流作用下顆粒產(chǎn)生旋流運(yùn)動(dòng),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(huì)處存在高壓電勢(shì),形成的電暈放電強(qiáng)化了顆粒荷電。因此,電暈放電過程提高了電場(chǎng)荷電速率和擴(kuò)散荷電速率,特別是電暈作用使電場(chǎng)局部電勢(shì)增大,電場(chǎng)強(qiáng)度得到增強(qiáng),電場(chǎng)荷電速率增大,提高了顆粒荷電量。對(duì)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(kuò)散荷電速率。

由于電暈過程存在不均勻電勢(shì),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(gè),而荷電量(2～<4)×10-15nC的顆粒為976個(gè)。電暈顆粒平均飽和荷電量2.359×10-15nC。

4 粉塵顆粒電凝并實(shí)驗(yàn)

4.1 電凝并實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

電凝并實(shí)驗(yàn)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(jìn)入電暈強(qiáng)化荷電器,粉塵顆粒在氣流作用下,形成了旋流運(yùn)動(dòng),在與壁面、芒刺電極的摩擦碰撞過程中,顆粒將會(huì)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(chǎng),實(shí)現(xiàn)了粉塵顆粒的強(qiáng)化荷電過程。荷電的粉塵顆粒在通過電凝并電場(chǎng)時(shí),產(chǎn)生團(tuán)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(jī);2—混合儲(chǔ)罐;3—入料口;4—入口管道;5—電暈強(qiáng)化荷電器;6—切換閥;7—電凝并電場(chǎng);8—排氣管道;9—粉塵檢測(cè)口;10—抽吸風(fēng)機(jī);11—集塵濾膜;12—電除塵器。

采集原煤膠帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究。

4.1.1 顆粒荷電實(shí)驗(yàn)

在電暈電壓為0、20 kV時(shí),開展粉塵顆粒荷電實(shí)驗(yàn),對(duì)比電暈對(duì)顆粒荷電的影響。如圖6所示,在入料風(fēng)機(jī)氣體引流作用下,入料口投放的粉塵顆粒進(jìn)到入口管道,在儲(chǔ)罐中充分混合后進(jìn)入電暈強(qiáng)化荷電器;手動(dòng)調(diào)節(jié)切換閥,使粉塵顆粒進(jìn)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(yùn)用EST111型數(shù)字電荷儀測(cè)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(jì)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(shí)驗(yàn)

在電暈電壓為0、20 kV時(shí),實(shí)驗(yàn)研究電暈對(duì)顆粒電凝并除塵效率的影響。手動(dòng)調(diào)節(jié)切換閥,使粉塵進(jìn)入電凝并電場(chǎng);經(jīng)過電除塵器除塵后,在抽吸風(fēng)機(jī)作用下,可以將部分含塵氣體送入電暈強(qiáng)化荷電器再次凝并,其余通過排氣管道進(jìn)入大氣;在排氣管道上設(shè)置有粉塵檢測(cè)口,運(yùn)用激光粉塵檢測(cè)儀GT-1000,對(duì)含塵氣體的粉塵顆粒進(jìn)行檢測(cè),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(duì)比不同粒徑范圍的顆粒數(shù)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以此為依據(jù)計(jì)算對(duì)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(duì)應(yīng)粒徑范圍的顆粒個(gè)數(shù);N2為電暈20 kV作用下粉塵電凝并后對(duì)應(yīng)粒徑范圍的顆粒個(gè)數(shù)。

4.2 電暈對(duì)顆粒荷電的影響

電暈對(duì)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(shí)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(shí)顆粒荷質(zhì)比最高,3 min后變得相對(duì)穩(wěn)定。采樣時(shí)間0.5 min時(shí),電暈電壓0、20 kV所對(duì)應(yīng)的荷質(zhì)比分別為215、432 nC/g;采樣時(shí)間2.5 min時(shí)分別為728、1 478 nC/g;采樣時(shí)間4 min時(shí),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(shí)間的變化曲線

由于電暈場(chǎng)中電極棒的存在,在其尖端、絕緣壁面附近存在高壓電勢(shì),放電過程提高了顆粒的電場(chǎng)荷電速率和擴(kuò)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(shí),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(duì)電凝并的影響

電暈對(duì)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(shí),粒徑0.3～<0.5 μm的粉塵顆粒由121 324個(gè)減少到82 087個(gè),而粒徑0.5～<1.0 μm的粉塵顆粒數(shù)量由62 397個(gè)減少到22 785個(gè)。可以看出,電暈作用對(duì)粒徑小于1.0 μm的粉塵顆粒具有良好的荷電強(qiáng)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(gè)和1 790個(gè),表明電暈強(qiáng)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(jì)圖

對(duì)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(duì)提高粉塵顆粒電凝并除塵效果具有積極作用,特別是對(duì)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(chǎng)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(huì)形成明顯電勢(shì)差,電極尖端處高電勢(shì)形成的電暈放電,可以實(shí)現(xiàn)顆粒荷電強(qiáng)化。

2)顆粒碰撞和電暈電勢(shì)的不均勻是導(dǎo)致顆粒荷電速率大幅度波動(dòng)和荷電量差異的主要原因,電場(chǎng)荷電速率明顯高于擴(kuò)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(diǎn)的粉塵顆粒荷電和電凝并除塵實(shí)驗(yàn)表明,電暈電壓20 kV時(shí)顆粒荷質(zhì)比為1 180 nC/g,比電暈電壓0 kV時(shí)荷質(zhì)比增大了550 nC/g,能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒荷電強(qiáng)化,提高電凝并除塵效率,特別是對(duì)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%。