孔凡昌，邱澤陽

(蘭州交通大學(xué), 甘肅蘭州730070)

摘　要:對絲網(wǎng)式除霧技術(shù)原理、電場除霧技術(shù)原理和聲波凝聚理論作了深入的探討。在此基礎(chǔ)上, 提出采用超聲波技術(shù), 對現(xiàn)有電場、絲網(wǎng)除霧技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的設(shè)想, 并對此項技術(shù)的應(yīng)用前景作了進(jìn)一步展望。

關(guān)鍵詞:聲波凝聚;絲網(wǎng)除霧器;靜電除霧器

直徑在4 ～ 30μm的水滴稱為霧。霧廣泛存在于自然界與工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中, 形成不同的危害。在工業(yè)生產(chǎn)過程中, 霧滴的形成一般有3種途徑形成:(1)機(jī)械力導(dǎo)致液體霧化;(2)氣體冷凝形成霧滴;(3)在一定的溫度、壓力下, 兩種或兩種以上的氣體反應(yīng)生成霧滴。不同形式的霧滴給工業(yè)生產(chǎn)帶來很大危害, 例如:在硫酸生產(chǎn)過程中, 產(chǎn)生的霧滴主要為硫酸霧滴。硫酸霧滴的存在導(dǎo)致設(shè)備腐蝕,產(chǎn)品不純, 換熱器或催化劑堵塞, 儀表損壞;釋放到大氣中會造成環(huán)境污染。因此, 國內(nèi)外都投入大量的人力物力從事除霧器及其生產(chǎn)設(shè)備的研制與開發(fā)。本文旨在對現(xiàn)有除霧器進(jìn)行理論探討, 并結(jié)合聲波凝聚理論, 提出新的除霧技術(shù)。

1.1　絲網(wǎng)除霧裝置除霧機(jī)理

絲網(wǎng)除霧器廣泛用于化工、石油、硫酸、醫(yī)藥、輕工、冶金、機(jī)械、建筑、航空、海運、環(huán)保等工業(yè)中, 我國從國外引進(jìn)的乙烯、合成氨、化纖等生產(chǎn)設(shè)備中,也是使用絲網(wǎng)除霧器作為氣液分離裝置的。

圖1是工業(yè)上通常使用的絲網(wǎng)除霧器的主體結(jié)構(gòu)圖。圖中所示的絲網(wǎng)層的厚度一般在100 ～150mm, 絲網(wǎng)層水平布置。攜霧氣流通常是從下到上垂直通過網(wǎng)層, 氣流速度一般在2 ～ 3m/s。霧滴隨氣流穿過絲網(wǎng)層時, 會與圓柱形的網(wǎng)絲發(fā)生多種作用而被捕獲。這些作用在基本原理上可分為6種, 分別是:①慣性碰撞;②直接攔截;③布朗擴(kuò)散;④靜電吸引;⑤重力沉降;⑥氣體吸收。

1.2　靜電除霧裝置除霧機(jī)理

靜電除霧器在硫酸、有色冶煉、鈦白粉生產(chǎn)領(lǐng)域是一個至關(guān)重要的設(shè)備, 它能否正常工作, 關(guān)系到整個系統(tǒng)的正常運行, 且會對尾氣的達(dá)標(biāo)排放、硫酸質(zhì)量、煙氣管道的使用壽命、催化劑的使用壽命造成重大的影響。

圖2是工業(yè)上通常使用的靜電除霧器的主體結(jié)構(gòu)圖。其機(jī)理是:通過電暈放電使霧滴荷電, 然后在靜電力的作用下將霧滴捕集。工業(yè)上使用的靜電除霧器的電極配置通常為線-管式配置。靜電除霧可以分為以下3 個基本過程:①電暈放電, ②霧滴荷電, ③霧滴捕集。

2　絲網(wǎng)-電極除霧裝置

基于工業(yè)除霧機(jī)理, 日本的H.Uchiyama和M.Jyunonji等人在90年代初期為研制一種新的人工消霧裝置而提出絲網(wǎng)-電極除霧裝置, 并于90年代初期成功地做了一些戶外實驗。其結(jié)構(gòu)示意圖, 如圖3所示。此裝置解決了自然霧氣流流動慢, 不易被捕集極捕獲的缺點。

其機(jī)理是:在電暈機(jī)和捕集極之間的強(qiáng)電場作用下, 霧滴荷電后平行于電場方向運動, 最終被捕集極捕獲。

3　聲場對水霧的消散作用

聲波凝聚(acousticagglomeration)為30年代學(xué)者于高強(qiáng)度聲波管柱中觀察到懸浮在管柱中的粒子, 因聲場的作用形成粒子聚集在一起的現(xiàn)象。氣懸微粒處在聲場中會受到力的作用, 進(jìn)而會產(chǎn)生聲波凝聚現(xiàn)象。聲場作用在微粒上的力可以分為3類:①交流粘滯力(Stokes力);②作用在單個微粒上的恒定力(包括聲輻射壓力, 平均Stokes力, 由大振幅畸變所引起的Oseen力等);③微粒之間的相互作用力(包括兩微粒間由復(fù)散射引起的力、Bernoulli力、Bjerknes力及微粒之間的流體力學(xué)Oseen力等)。

聲波凝聚是各種力對微粒的綜合作用, 在不同的凝聚階段有不同的主導(dǎo)力。其中交流粘滯力的數(shù)值最大, 可以看成是一級力, 在凝聚中始終起著重要作用;所有的恒定力都是二級力, 作為一級力的輔助效應(yīng)。具體來說, 當(dāng)微粒的距離較大時, 在小振幅聲波的情況下, 恒定力中作用在單個微粒上的平均Stockes力最大, 但它卻促使各微粒以相同的速度前進(jìn), 因而對碰撞的作用不大。在大振幅聲波的情況下, 畸變Oseen力在所有的單向力中最大。當(dāng)微粒靠得很近時, 交流粘滯力起著主導(dǎo)作用, 導(dǎo)致微粒進(jìn)一步靠近。

4　結(jié)論

現(xiàn)在工業(yè)上使用的除霧器主要為絲網(wǎng)除霧器(又名絲網(wǎng)除沫器、捕沫器), 有些企業(yè)用的是電除霧器, 除霧效果明顯。進(jìn)一步提高除霧器的效率, 有利于改善操作條件, 優(yōu)化工藝指標(biāo), 減少設(shè)備腐蝕,延長設(shè)備使用壽命, 增加處理量及回收有價值的物料, 保護(hù)環(huán)境, 減少大氣污染等。

為此, 本文提出:在絲網(wǎng)除霧裝置除霧機(jī)理和靜電除霧裝置除霧機(jī)理的基礎(chǔ)上, 加上聲場。工業(yè)上傳統(tǒng)的絲網(wǎng)除霧裝置, 主要靠攜霧氣流的定向移動使霧滴向捕集極移動, 最終被捕獲;電除霧器主要解決攜霧氣流速度不大, 絲網(wǎng)除霧裝置除霧效果不明顯的問題。如果在霧滴荷電過程中以及在霧滴向絲網(wǎng)捕集極的運動過程中, 在聲場的作用下不斷聚集,使得霧滴在到達(dá)捕集極之前就達(dá)其自身產(chǎn)生的重力就超過氣體的上升力而下降, 這樣必然會提高除霧的效率。

本文只就工業(yè)除霧器的原理提出理論上的建議, 具體到理論的可行性以及理論的實現(xiàn)都需要再做深入的研究、探討。在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中都會產(chǎn)生霧, 如果采用高效率的除霧器, 帶回來的經(jīng)濟(jì)效益是非常可觀的, 這樣對于除霧器的理論研究就更顯得重要。我國對除霧器的研究已經(jīng)取得了很大的成果, 但是與發(fā)達(dá)工業(yè)國家相比較還相差很遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn):

[1] 　程小東.線 網(wǎng)式電極的電暈放電特性及除霧性能的研究[ D] .碩士學(xué)位論文.西安建筑科技大學(xué), 2004.

[2] 　章肖融, 干昌明, 魏榮爵。聲波對水霧消散作用的初步實驗研究[ J] .南京大學(xué)學(xué)報(物理學(xué)), 1963(1):21-28.

[3] 　魏榮爵, 章肖融, 王耀俊.氣懸微粒在聲場中的作用力對凝聚的貢獻(xiàn)[ J] .南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)), 1964, 8(2):249-264.

[4] 　陳曉波.電除霧器電場特性的探討[ J] .硫酸工業(yè),1998, (3):26-29.

[5] 　王耀俊, 魏榮爵.氣懸微粒聲凝聚效率與聲場參數(shù)的關(guān)系[ J] .科學(xué)通報, 1984(12):901-903.

[6] 　侯雙全, 吳嘉, 席葆樹.低頻聲波對水霧消散作用的實驗研究[ J] .流體力學(xué)實驗與測量, 2002, 16(4):52-63.

[7] 　向曉東, 鄒霖, 黃鶯, 等.線——— 板式電除塵器場強(qiáng)正態(tài)分布模式假設(shè)及其檢驗[ J] .武漢科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006, 29(4).

[8] 　謝立紀(jì).新型電除霧器的工業(yè)應(yīng)用情況[ J] .硫酸工業(yè), 1995, (3):19-20.

[9] 　杭德森, 高小玲.國外硫酸工業(yè)纖維除霧器簡介[ J] .硫酸工業(yè), 1998, (4):18-21.