基于電暈強化荷電的選礦廠粉塵電凝并除塵研究

李海生,徐子茵,蔡豐義,陳英華,馮維剛,陳聚凱

(1.中國礦業大學 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.中國礦業大學 化工學院,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生粉塵污染,不但會惡化周圍大氣環境,還會影響現場工作人員的身體健康[3-4]。因此,根據選礦廠生產場所的環境特殊性,設置相應的除塵系統很有必要[5]。

選礦廠生產性粉塵治理方法可以分為干法和濕法,主要與粉塵性質、塵源及產塵機理有關[6-7]。實際生產過程中,相關企業采取了一些除塵措施,同時開展除塵控制系統優化[8-9],應用干霧抑塵[10-11]、布袋除塵、濕式除塵[7]等進行技術改造,實現對選礦粉塵的捕集,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。濕法工藝應用水或水霧對粉塵顆粒進行黏附或包裹,促使顆粒產生沉降或分離,從而實現除塵,但在霧化抑塵過程中會引發粉塵顆粒泥化或聚集,極易堵塞設備[12]。

隨著環保要求的逐漸提高,作為粉塵污染的主要場所,選礦廠生產車間對大氣環境中顆粒污染物控制提出了更高的技術要求,盡可能降低工作場所大氣環境中的顆粒物含量,對生態環境保護和職業健康具有重要意義[13]?，F有技術對粉塵顆粒脫除效率已達到99%以上,但針對微細顆粒特別是空氣動力學當量直徑小于5.0 μm的微細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,電凝并除塵技術已被廣泛應用,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,多個微細顆粒將會凝并成大粒徑顆粒,再依靠電除塵技術進行脫除,特別適合脫除當量直徑小于5.0 μm的微細粉塵顆粒。

粉塵顆粒的荷電效果是影響電凝并除塵過程的技術關鍵。依據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顆粒電凝并除塵效率提升奠定基礎。

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過3個過程:

1)微細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,微細顆?？梢缘玫匠浞趾呻?。

2)管道上、下側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)經電凝并形成的大顆粒團聚體,一部分在靜電除塵器內,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。除塵區上方有排氣口,其通過管道與風機的后端進行連接,使裝置形成一個循環結構,可以達到二次除塵的目的。

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。

微細顆粒在電暈作用下實現強化荷電,提高了顆粒荷質比,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,實現大粒徑顆粒的聚集,有利于后續的收集除塵。因此,粉塵顆粒荷電過程是形成凝并和除塵的技術關鍵。粉塵顆粒荷質比越大,在凝并電場內受到的電場力作用越強,顆粒間產生碰撞接觸的概率越高,從而使微細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關鍵。為了探索電極電暈放電對微細顆粒荷電的強化作用,可以采用數值模擬方法,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律,探索顆粒飽和荷電量的分布情況,為除塵裝置設計和工藝參數制訂提供指導依據。

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。將模型導入COMSOL中進行網格劃分和邊界條件設定。

圖2 電暈強化荷電幾何模型

2.2 數學模型

1)氣相數學模型

電暈強化荷電區氣體流動滿足連續性方程:

(1)

假設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量力,N。

電凝并區內氣體流動符合標準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為層流速度梯度產生的湍流動能,J;經驗常數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,認為正離子的遷移速率可以是常數?？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;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,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,更符合實際電力環境。

依據幾何空間電極的長度、直徑、尖端傾斜角等結構參數,以及電極空間布局特征和容積大小,對電極放電參數進行了初步計算,設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)。

設定氣體壓力為標準大氣壓,根據旋流電場的高度和直徑,依據連續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,可以設定顆粒入口速度為3 m/s,顆粒質量流率為0.03 g/s,顆粒電導率為500 S/m,顆粒初始電荷數為0,電極電壓20 kV。

3 電暈強化荷電數值模擬

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,達到20.8 kV;而在荷電區中心,由于接地電極的存在而出現電勢渦。由圖3(b)可見,荷電區內旋流區域的頂部和底端電勢要高于其他部位,電勢峰值可達到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,在忽略荷電區壁面電離鞘層的影響下,可以發現電勢在電極尖端處、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,微細顆粒在旋流運動中,電場荷電速率和擴散荷電速率出現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

當顆粒質量流率為0.03 g/s,從時間t=0到t=1 s內,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正態分布特征,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?當顆粒進入電暈電場后,在氣流作用下顆粒產生旋流運動,一方面顆粒與電極產生碰撞荷電,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、數量多,增加了顆粒接觸碰撞的次數,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

電凝并實驗裝置如圖6所示。氣體和粉塵顆粒形成了穩定的氣固兩相流,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,產生團聚和凝并,形成粒徑較大的粉塵顆粒,有助于在后續的靜電除塵器中被吸附而脫除。

1—入料風機;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—抽吸風機;11—集塵濾膜;12—電除塵器。

采集原煤膠帶轉載點區域的粉塵顆粒300 g,充分混合后用400目網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量濃度0.03 g/s,入口流速2 m/s,凝并區交流電壓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;手動調節切換閥,使粉塵顆粒進入切換閥右側旁路管道,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,運用EST111型數字電荷儀測量荷電量后,再取出放入電子天平稱重;粉塵質量可由集塵濾膜質量減去濾膜原始質量獲得。因此,粉塵顆粒荷質比計算公式如下:

(13)

式中:q/m為粉塵荷質比,nC/g;Q為粉塵荷電量,nC;m1為濾膜原始質量,g;m2為集塵濾膜質量,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。手動調節切換閥,使粉塵進入電凝并電場;經過電除塵器除塵后,在抽吸風機作用下,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。在增加電暈作用前后,對比不同粒徑范圍的顆粒數量統計數據,以此為依據計算對應粒徑范圍的顆粒數量變化率,定義如下:

(14)

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

4.2 電暈對顆粒荷電的影響

電暈對粉塵顆粒荷質比的影響如圖7所示。由圖7可知,隨著采樣時間的延長,粉塵顆粒荷質比先快速增大后逐漸趨于穩定,2 min時顆粒荷質比最高,3 min后變得相對穩定。采樣時間0.5 min時,電暈電壓0、20 kV所對應的荷質比分別為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下粉塵顆粒荷質比可以達到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內形成凝聚,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)粉塵顆粒數量統計圖

對比不同粒徑的顆粒數量變化率可知,粒徑0.5～<1.0 μm的顆粒數量變化率最大,達到了63.48%,而粒徑0.3～<0.5 μm的顆粒數量變化率最小,為32.34%。1.0～<2.5 μm和2.5～<5.0 μm的顆粒數量變化率均超過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 結論

1)氣體流場和顆粒電暈荷電的數值模擬研究表明,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,可以實現顆粒荷電強化。

2)顆粒碰撞和電暈電勢的不均勻是導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正態分布特征,平均飽和荷電量為2.359×10-15nC。

3)膠帶轉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時顆粒荷質比為1 180 nC/g,比電暈電壓0 kV時荷質比增大了550 nC/g,能夠實現顆粒荷電強化,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,其數量變化率為63.48%。