2 自激式水幕除尘机理研究
2 Self-excitation water curtain dust removal
2.1湿式除尘(Wet dust removal)
湿式除尘[1]也叫洗涤式除尘，是利用水(或其他液体)与含尘气体相互接触,伴随有热、质的传递，经过洗涤使尘粒与气体分离的一种除尘方法。早在19世纪末钢铁行业中就已经采用这种方法来去除大颗粒粉尘了。湿式除尘与干式除尘各自的优缺点[2]见表2-1。
表2-1 湿式除尘与干式除尘比较表
Table 2-1 Comparison between wet dust removal and dry dust removal 湿 式 除 尘 优点： 1.可同时捕集气体与粉尘 2.回收到的可溶解物质可泵送到另一设备 进行下一步处理 3.可冷却和洗涤高温气体 4.可回收及中和有腐蚀性气体及液珠 5.用水作洗涤液可防止火灾及爆炸 6.设备投资少，构造比较简单，体较小 缺点： 1.要消耗一定量的水（或其他液体），除尘 后需对污水进行处理，防止二次污染 2.粉尘回收困难 3.黏性粉尘易发生堵塞及挂灰现象 4.冬季需考虑防冻问题 5.洗涤后排气湿度高露点低 6.超微颗粒不易润湿，能穿越洗涤器 干 式 除 尘 优点： 1.回收到的干料不需要进行再处理 2.绝大多数情况下可避免腐蚀作用 3.可生产出高效除尘器 4.有放射性的粉尘可用可燃烧的滤料 缺点： 1.吸湿性物质会结饼难于清除 2.设备维修与下粉尘的处置会危及运 转 3.高温可能限制除尘方法 4.对于某些除尘器（如滤袋除尘器）因 有腐蚀性液珠使用上受到限制 5.处置捕集到的粉尘时会遇到再造尘 的问题 2.1.1 湿式除尘机理
湿式除尘中的捕集物是水或其他液体，根据其在捕集粉尘颗粒时的不同形态[3]：液滴、液膜、液层，湿式除尘又可相应地分为三种。其中以液滴作为粉尘捕集物的除尘方式应用最为广泛，且由于产生液滴的方式不同，又可细分为若干种类。
1）液滴湿式除尘
液滴湿式除尘主要是靠含尘气体与均匀散开的液滴在一封闭空间内充分接触，通过惯性碰撞、拦截、扩散、重力、静电力等效应实现液滴对粉尘颗粒的捕集，如图2-1所示。
下面将分述其中基本的惯性碰撞、拦截和扩散效应[4-9]。假定粉尘粒子一接触捕集
体即被捕集。
图2-1 液滴捕尘机理 Figure 2-1 Mechanism of droplet removing dust （1）惯性碰撞
惯性碰撞是湿式除尘中最常见的除尘作用，惯性碰撞效应只考虑粉尘粒子质量而不考虑其体积。
图2-2 惯性碰撞效应示意 Figure2-2 Inertial collision effect 如图2-2所示，含尘气流前方有一液滴，气流流线在液滴前方发生偏转，流线偏转状况随气流速度的大小而不同，速度较高时，流线要贴近液滴表面前端才发生偏转绕过捕集体，而速度较低时，流线在离捕集体较远处就会发生偏转。气流中的粉尘颗粒由于密度比气体密度大得多，因此其在惯性力的作用下运动轨迹偏离气流流线而向靠近捕集体的方向运动，图中m粒子所在轨迹为偏离流线后与捕集体发生碰撞的最远轨迹，称为极限轨迹，在图中所示b范围内，所有质量不小于m粒子的粉尘颗粒均会因与捕集体发生惯性碰撞而被捕集。
定义惯性碰撞因数为：
??b （2.1） dl碰撞因数φ在0~1之间变化，碰撞因数越大，则粉尘因惯性碰撞而被捕集的几率就
越大。惯性参数Ψ，也叫斯托克斯数，其定义为：
??式中：C—库宁汉滑动修正系数
v0—尘粒与液滴的相对速度，m/s； ρp—尘粒密度，kg/m3； dp—尘粒直径，μm； μg—气体动力黏度，Pa·s； dl—液滴直径，μm。
Cv0?pdp218?gdl?10?6 （2.2） 图2-3 碰撞因数φ与惯性参数Ψ和参变数雷诺数Rer的关系曲线 Figure 2-3 Relationship curve between collision factor φ and inertial parameter Ψ 由图2-3所示可以看出，碰撞因数φ对惯性参数Ψ有依赖关系，参变数Rer是雷诺数。
Rer?v0dl?g?g （2.3） 以上定义中，ρg是气体密度，kg/m3。
因此，随着尘粒与液滴之间相对速度v0、尘粒密度ρp、尘粒直径dp的增加，由于惯性作用，碰撞因数将增大，粉尘被捕集的几率增大；而当气体黏度μg液滴直径dl增大时，碰撞力和摩擦力占支配地位，粉尘将绕过液滴而不被捕集。
对于单个液滴，定义其惯性碰撞捕集效率为与液滴发生惯性碰撞的尘粒颗粒数占经过液滴周围的含尘气流中最初的尘粒颗粒数的百分比。国内外许多学者都研究过单个液滴惯性碰撞的捕集效率。
Wong和Johnstone[10-11]，对于势流和惯性参数Ψ>0.2的状况提出了单个液滴惯性碰撞捕集效率为：
??p?()2 (2.4) ??0.7许多人的研究结果表明，式（2.4）与实验结果吻合很好。
Sell.W等通过试验研究水流流线经不同形状物体（球、柱及平板直径都是10cm）的纵剖面，得出惯性碰撞捕集效率ηp与惯性参数Ψ的关系曲线如图2-4所示。
图2-4 惯性碰撞捕集效率与惯性参数关系 Figure 2-4 Relationship between Inertial collision efficiency and inertial parameter （2）拦截
与惯性碰撞效应正好相反，拦截效应只考虑粉尘粒子的体积，而忽略其质量。由于没有质量就不存在惯性力，因此不同大小的粒子均沿流线绕流捕集体，若粒子所在流线距捕集体表面的最小距离小于或等于粒子半径，则粒子即会与捕集体发生接触而被捕集，这就是拦截效应。
图2-5 拦截效应示意 Figure 2-5 Interception effect 如图2-5所示，在距捕集体水平中心线b位置处有一粒子以速度v0沿气流流线向捕集体靠近，在接近捕集体前，气流流线发生偏转，由于不考虑粒子的质量，因此粒子也随流线偏转绕流捕集体，若此流线距捕集体表面最近距离为dp/2，则图中所示粒子刚好与捕集体发生接触而被捕集，此粒子的运动轨迹即为相同大小粒子的极限轨迹。b范围以内，直径不小于dp的粒子均会与捕集体发生接触而被捕集。 表征拦截作用的无量纲拦截因数定义为：
R?dpdl （2.5） 单个液滴的拦截效率为：
b2?R? 2 （2.6）（dl2）对于绕静止球体的势流，流函数为：
31??dl2??22 ???0?1????rsin? （2.7）2???r???在图2-5所示极限轨迹上，当??式（2.7），得
dl?dpπ时，r?；r??时，rsin??b。代入223??d?d??dl21?1p2?(l)??0b2 （2.8） ?01?? ???2??（dl?dp）2??22??2将式（2.8）两边同除以，并简化，即得单个球形液滴的拦截效率： （dl2）2?R?（1+R）?1 （2.9） 1?R对于绕静止球体的粘性流，流函数为：
31?3?a?1?a??2 ???0?1???????rsin2? （2.10） 2?2r2r???????依以上步骤得出单个球形液滴的拦截效率为： ?R??1?R??2311?R??? （2.11） 22?1?R?以上所得拦截效率的计算公式可做如下简化： 对于势流，兰兹（Ranz）公式为[12-13]：
2（1+R）? ?R?1?3R (R<0.1) （2.12） 1?R对于粘性流，兰格米尔（Langmuir）公式为[14]：
3132?R (R<0.1) （2.13） ?R??1?R???1?R?? 22?1?R?22由此可见，单个球形液滴的拦截效率只与尘粒直径和液滴直径之比有关，而与气流速度无关。因此，在尘粒直径一定的情况下，减小液滴直径可提高液滴的拦截效率。