含尘气流中粉尘—泡沫间相互作用的理论研究.doc
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1、精品论文含尘气流中粉尘泡沫间相互作用的理论研究王兵兵 1,2,任万兴 1,2,巫斌伟 1,2,黄本斌 1,21 中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州(221008)2 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州(221008)E-mail: 摘要:泡沫除尘和其他除尘方法相比,具有除尘小率高、用水量少等优点,为了分析泡沫除尘机理,针对泡沫与粉尘的碰撞过程,以单个颗粒体为基础,提出截留、惯性碰撞、扩散、 粘附等作用在这一过程中起主导作用。此外,运用流体力学知识,对上述各作用进行了理论 分析,这些分析可用于泡沫除尘效率的理论分析与计算中,并得出提高单颗泡沫的捕尘效率 及泡沫密度是提高总的捕尘效率的有效
2、途径之一,这对煤矿粉尘的防治工作具有重要的指导 意义。关键词:泡沫除尘,截留,惯性碰撞,扩散,粘附泡沫除尘就是由泡沫剂和水一起按一定比例混合,通过发泡器产生大量泡沫喷洒到尘源 上或空气中,形成大量的泡沫粒子群,其总体积和总面积很大,从而大大增加与尘粒的接触 面和附着力,提高了除尘效果。矿尘在液膜中水分液桥力的作用下,由小颗粒聚集成大颗粒, 最终随破裂的泡沫液滴一起沉降下来1。泡沫之所以能捕集空气中飞扬的粉尘,主要是粉尘与泡沫间的截留、惯性碰撞、扩散、 黏附等多种相互作用的结果,如图 1 所示。本文将以单个泡沫与粉尘颗粒为基础,就各个机理的理论模型进行分析,提出提高泡沫除尘效率的有效途径。- 7
3、 -1 截留效应图1 泡沫除尘的机理Fig.1 Mechanism of froth aspirating截留机理认为:粒子有大小而无质量或粒径小于 5 m时,当流动的气体对着泡沫流动时,气流将在泡沫的上游折转而绕泡沫流过。如果在某一流线上的粒子中心正好使 d p / 2能接触到泡沫,则该粒子被截留,如图 2 所示。此流线以下范围为 b,大小同为 d p 的所有 粒子均被截留。于是,这条流线是距泡沫最远处能被截留粒子的运动轨迹,即极限轨迹。图 2 截留效应Fig.2 Function of interception设泡沫直径为 D f = 2a 的球体,对于绕球体的势流,Ranz2给出的对势流
4、下绕球体的截 留效率为:2d P D fd pR =令2a= d pD f R = 1 + Df 为拦截参数,D f + d p21(1) R = (1 + R) 而式(1)中 R 应满足 0 R 1,于是有:1 + R(2)0 d p 0.3247D f在实际问题的分析中 d p 0.3 时,球体的惯性碰撞效率经验式为:2 =Stk3 扩散效应I(Stk+ 0.25)2(5)微细尘粒( d p 1 m ),特别是直径小于 0.1m 的粉尘,在气流中受到气体分子的撞击后,并不均衡地跟随流线,而是在气体中作布朗运动。由于这种不规则的热运动,在紧靠泡沫附近,微细尘粒可能与泡沫相碰撞而被捕集,称为扩
5、散效应(如图 5 所示)。气体流线粉尘颗粒的初始 流线(非截流)由于 Brown 运动 的粉尘颗粒轨迹中心线泡沫图 5 扩散捕集Fig.5 Dust catching by diffusing粉尘粒子向泡沫扩散过程十分复杂,其扩散率通常是泡沫绕流雷诺数 Re D 和粒子贝克莱特(Peclet)数 Pe 的函数。对于 d p 1 m 粒子的布朗扩散,由斯托克斯爱因斯坦公式给出:D = k B TCu式中kB 波耳兹曼常数, kBD扩散系数,m2 / s3d p=1.3810-23 J / K;(6)Cu Cunningham 修正系数,其表达式为:Cu = 1 + 21.257 + 0.4 ex
6、p 1.1d p d p2 (7)式中 气体分子平均自由程, m 。不同粒径的扩散系数 D 如表 1 所示:表 1 扩散系数表5Table 1 Coefficient of diffusing粒径(m)D(cm2/s)102.410-812.710-70.16.110-60.014.010-40.0013.810-2对于球体尘粒的扩散效率,在 Re D 1,Pe1cm/s)的情况下,作用的除尘 机理主要是截留和碰撞效应;在粒径小于 10 m 的粉尘,其主要的除尘机理是扩散效应;而在除尘机理中黏附效应伴随泡沫除尘的全过程。在泡沫除尘过程中不是单单由某一个除尘机理作用的结果,尽管有时是某个除尘机理
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- 关 键 词:
- 气流 粉尘 泡沫 相互作用 理论研究
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