孔凡昌，邱泽阳

(兰州交通大学, 甘肃兰州730070)

摘　要:对丝网式除雾技术原理、电场除雾技术原理和声波凝聚理论作了深入的探讨。在此基础上, 提出采用超声波技术, 对现有电场、丝网除雾技术进行改进的设想, 并对此项技术的应用前景作了进一步展望。

关键词:声波凝聚;丝网除雾器;静电除雾器

直径在4 ～ 30μm的水滴称为雾。雾广泛存在于自然界与工业生产过程当中, 形成不同的危害。在工业生产过程中, 雾滴的形成一般有3种途径形成:(1)机械力导致液体雾化;(2)气体冷凝形成雾滴;(3)在一定的温度、压力下, 两种或两种以上的气体反应生成雾滴。不同形式的雾滴给工业生产带来很大危害, 例如:在硫酸生产过程中, 产生的雾滴主要为硫酸雾滴。硫酸雾滴的存在导致设备腐蚀,产品不纯, 换热器或催化剂堵塞, 仪表损坏;释放到大气中会造成环境污染。因此, 国内外都投入大量的人力物力从事除雾器及其生产设备的研制与开发。本文旨在对现有除雾器进行理论探讨, 并结合声波凝聚理论, 提出新的除雾技术。

1.1　丝网除雾装置除雾机理

丝网除雾器广泛用于化工、石油、硫酸、医药、轻工、冶金、机械、建筑、航空、海运、环保等工业中, 我国从国外引进的乙烯、合成氨、化纤等生产设备中,也是使用丝网除雾器作为气液分离装置的。

图1是工业上通常使用的丝网除雾器的主体结构图。图中所示的丝网层的厚度一般在100 ～150mm, 丝网层水平布置。携雾气流通常是从下到上垂直通过网层, 气流速度一般在2 ～ 3m/s。雾滴随气流穿过丝网层时, 会与圆柱形的网丝发生多种作用而被捕获。这些作用在基本原理上可分为6种, 分别是:①惯性碰撞;②直接拦截;③布朗扩散;④静电吸引;⑤重力沉降;⑥气体吸收。

1.2　静电除雾装置除雾机理

静电除雾器在硫酸、有色冶炼、钛白粉生产领域是一个至关重要的设备, 它能否正常工作, 关系到整个系统的正常运行, 且会对尾气的达标排放、硫酸质量、烟气管道的使用寿命、催化剂的使用寿命造成重大的影响。

图2是工业上通常使用的静电除雾器的主体结构图。其机理是:通过电晕放电使雾滴荷电, 然后在静电力的作用下将雾滴捕集。工业上使用的静电除雾器的电极配置通常为线-管式配置。静电除雾可以分为以下3 个基本过程:①电晕放电, ②雾滴荷电, ③雾滴捕集。

2　丝网-电极除雾装置

基于工业除雾机理, 日本的H.Uchiyama和M.Jyunonji等人在90年代初期为研制一种新的人工消雾装置而提出丝网-电极除雾装置, 并于90年代初期成功地做了一些户外实验。其结构示意图, 如图3所示。此装置解决了自然雾气流流动慢, 不易被捕集极捕获的缺点。

其机理是:在电晕机和捕集极之间的强电场作用下, 雾滴荷电后平行于电场方向运动, 最终被捕集极捕获。

3　声场对水雾的消散作用

声波凝聚(acousticagglomeration)为30年代学者于高强度声波管柱中观察到悬浮在管柱中的粒子, 因声场的作用形成粒子聚集在一起的现象。气悬微粒处在声场中会受到力的作用, 进而会产生声波凝聚现象。声场作用在微粒上的力可以分为3类:①交流粘滞力(Stokes力);②作用在单个微粒上的恒定力(包括声辐射压力, 平均Stokes力, 由大振幅畸变所引起的Oseen力等);③微粒之间的相互作用力(包括两微粒间由复散射引起的力、Bernoulli力、Bjerknes力及微粒之间的流体力学Oseen力等)。

声波凝聚是各种力对微粒的综合作用, 在不同的凝聚阶段有不同的主导力。其中交流粘滞力的数值最大, 可以看成是一级力, 在凝聚中始终起着重要作用;所有的恒定力都是二级力, 作为一级力的辅助效应。具体来说, 当微粒的距离较大时, 在小振幅声波的情况下, 恒定力中作用在单个微粒上的平均Stockes力最大, 但它却促使各微粒以相同的速度前进, 因而对碰撞的作用不大。在大振幅声波的情况下, 畸变Oseen力在所有的单向力中最大。当微粒靠得很近时, 交流粘滞力起着主导作用, 导致微粒进一步靠近。

4　结论

现在工业上使用的除雾器主要为丝网除雾器(又名丝网除沫器、捕沫器), 有些企业用的是电除雾器, 除雾效果明显。进一步提高除雾器的效率, 有利于改善操作条件, 优化工艺指标, 减少设备腐蚀,延长设备使用寿命, 增加处理量及回收有价值的物料, 保护环境, 减少大气污染等。

为此, 本文提出:在丝网除雾装置除雾机理和静电除雾装置除雾机理的基础上, 加上声场。工业上传统的丝网除雾装置, 主要靠携雾气流的定向移动使雾滴向捕集极移动, 最终被捕获;电除雾器主要解决携雾气流速度不大, 丝网除雾装置除雾效果不明显的问题。如果在雾滴荷电过程中以及在雾滴向丝网捕集极的运动过程中, 在声场的作用下不断聚集,使得雾滴在到达捕集极之前就达其自身产生的重力就超过气体的上升力而下降, 这样必然会提高除雾的效率。

本文只就工业除雾器的原理提出理论上的建议, 具体到理论的可行性以及理论的实现都需要再做深入的研究、探讨。在许多工业生产过程中都会产生雾, 如果采用高效率的除雾器, 带回来的经济效益是非常可观的, 这样对于除雾器的理论研究就更显得重要。我国对除雾器的研究已经取得了很大的成果, 但是与发达工业国家相比较还相差很远。

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