CN111859821A - 一种基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法 - Google Patents

一种基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法 Download PDF

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高贵军
冉霞
寇子明
赵悦
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Abstract

本发明属于除尘方法技术领域，公开了一种基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，建立液体在离心力和横向风流作用下破碎雾化数学模型，建立液滴撞击超声振动壁面的破碎雾化的数学模型；利用离心力与横向风流作用破碎雾化机理获得中心粒径小于20μm的雾群，进而利用撞击超声振动壁面的雾化机理进一步破碎获得中心粒径小于10μm的微雾群；构建不同性质的呼吸性微尘与不同性质的微雾在气液固三相耦合降尘机制实验平台，获得呼吸性粉尘降尘规律。本发明通过应用离心破碎和碰撞破碎的风机雾化方式，达到比传统高压喷雾较好的降尘效果，相对传统高压喷雾具有平均雾滴粒径小、分布均匀，耗水量小，具有节能降耗的特点。

Description

一种基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法
技术领域
本发明属于除尘方法技术领域，尤其涉及一种基于离心射流雾化和超声振 动雾化的除尘方法。
背景技术
目前国内使用较多的是高压喷雾降尘，在一定程度上起到了降尘效果，但 存在雾滴较大(体积中径约为100um)对呼吸性粉尘的沉降效果不佳，地面易 积水、形成二次污染与浪费，另外还存在喷嘴易堵且难于维护等问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
现有的高压喷雾降尘存在雾滴较大，对呼吸性粉尘的沉降效果不佳，地面 易积水、形成二次污染与浪费，另外还存在喷嘴易堵且难于维护等问题。
解决以上问题及缺陷的难度为：高压喷雾降尘技术通过增压可以一定程度 上解决雾滴较大问题，但增压设备需要电动机来提供动力。另外，为了不使喷 嘴堵塞和增压泵损坏，可安装大型过滤器对水进行净化。但是增加大型设备使 得应用高压喷雾降尘系统复杂，成本较高，应用范围局限且降尘效率提高有限， 尚不能从根本上解决现有技术的问题及缺陷。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明提出的一种基于离心射流雾化和超 声振动雾化的除尘方法不采用喷嘴形式，不需增压设备，不需大型过滤器，所 应用设备较为简单，并具有良好的降尘效果。该方法的提出为除尘技术提供了 一种新的思路，结合离心射流雾化和超声振动雾化两种方式，让液滴两次雾化， 获得中心粒径小于10μm的微雾群。该方法应用成本较低、范围较广、能得到分 布均匀、粒径更小的雾滴，大大提高了降尘效率，具有节水特性，改善了高压 喷雾降尘的不足，降低粉尘事故发生率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于离心射流雾化和超声振 动雾化的除尘方法。
本发明是这样实现的，一种基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法 包括：
步骤一，建立液体在离心力和横向风流作用下破碎雾化数学模型，建立液 滴撞击超声振动壁面的破碎雾化的数学模型；
步骤二，利用离心力与横向风流作用破碎雾化机理获得雾群，进而分析初 次雾化液滴的入射速度、初始动能、粒径大小、壁面疏水性等因素，利用撞击 超声振动壁面的雾化机理进一步破碎获得微雾群；
步骤三，构建不同性质的呼吸性微尘与不同性质的微雾在气液固三相耦合 降尘机制实验平台，获得呼吸性粉尘降尘规律。
进一步，在步骤一中，建立破碎雾化数学模型的方法为利用SolidWorks三 维建模软件、Fluent仿真软件，设置材料参数、导入模型、划分网格、仿真分析， 并同时结合多相流理论和计算流体力学的方法进行建立。
进一步，在步骤二中，雾群的中心粒径小于20μm。
进一步，在步骤二中，微雾群的中心粒径小于10μm。
进一步，在步骤二中，离心力的改变是取决于改变叶片内管道直径、形状、 数量、长度、叶片转速等参数。
进一步，在步骤二中，横向风流的大小是取决于实验设备及液体的粘性、 表面张力、密度、气动力、气流旋转强度、We数和Oh数等因素。
进一步，步骤三中，具体包括：
建立雾化降尘模拟实验系统，通过改变粉尘浓度、微雾浓度、气流状态等 参数，利用在线粉尘测量仪、滴谱仪检测降尘前后浓度参数，利用接触角测量 仪测得亲水性参数，高速摄像机及PIV技术、风速表可获得各种流场形态和速 度矢量图，利用气液固三相流耦合理论和计算流体力学(CFD)方法分析多相 流耦合降尘机制，得到最优匹配参数。
进一步，所述液体在离心力和横向风流作用下破碎雾化数学模型的建立方 法包括：
通过改变叶片内管道直径、形状、数量、长度、叶片转速等，得到不同参 数下离心雾化条件，利用滴谱仪、高速摄像机及PIV、风速表等采集不同参数条 件下的破碎雾化数据，通过线性回归法得到雾化粒度、速度等与输入条件参数 的影响关系，再利用液-固、液-气两相流耦合计算流体动力学(CFD)方法建立 管道内液滴运动模型、二次雾化模型，分析离心力和横向风流场作用下液滴破 碎机理及破碎影响因素。
进一步，所述液滴撞击超声振动壁面的破碎雾化的数学模型的建立方法包 括：
通过改变入射液滴的速度、直径、入射角度和振动频率等参数，得到不同 参数下撞击振动破碎条件，利用滴谱仪、高速摄像机及PIV技术采集不同参数 条件下的破碎雾化过程和二次液滴的运动参数，并分析其雾化机理，通过线性 回归法得到雾化粒度、速度与条件参数的影响关系，利用液-固两相流耦合计算 流体力学(CFD)方法建立撞击超声振动壁面时的波的叠加模型、反弹模型、 雾化模型，揭示液滴撞击超声振动壁面情况下液滴破碎机制。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通 过应用离心破碎和碰撞破碎的风机雾化方式，达到比传统高压喷雾较好的降尘 效果，相对传统高压喷雾具有平均雾滴粒径小(小于12um占到30％)、分布 均匀，耗水量小，具有节能降耗的特点。离心雾化，利用风扇的高速旋转，离 心力越大，甩出液丝的直径越小，最后甩出形成的液滴越小。另外，风扇转速 的提高有利于降低雾滴直径，横向风流的存在也同样有利于液滴扭曲变形分裂， 雾化成更小的液滴。通过改变叶片内管道直径、形状、数量、长度、叶片转速 等因素，可以得到不同参数条件下的离心雾化效果。撞击雾化，液滴撞击固体 表面时铺展生长行为要受到接触角、液滴粘度、液滴半径、冲击速度、壁面的 亲疏水性等因素影响。结合超声雾化理论，采用液滴撞击超声振动壁面的雾化 方式，通过控制振动频率产生不同波长的振动，与撞击毛细波相叠加促进液滴 雾化，以得到雾滴中心粒径更小的微雾群。超声波雾化优势在于微细水雾的产 生，有利于呼吸性粉尘的捕集，其捕尘效率高于较大粒径的雾滴；具有节省用 水量、后续处理简单、节省运行成本的特点。
本发明结合离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，液体在离心风扇中 发生初次雾化，进而撞击到超声振动片发生二次雾化，得到更微细的雾粒群， 降尘效率高，节约用水。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所 需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法 流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于离心射流雾化和超声振 动雾化的除尘方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法包括：
S101，建立液体在离心力和横向风流作用下破碎雾化数学模型，建立液滴 撞击超声振动壁面的破碎雾化的数学模型；
S102，利用离心力与横向风流作用破碎雾化机理获得雾群，进而分析初次 雾化液滴的入射速度、初始动能、粒径大小、壁面疏水性等因素，利用撞击超 声振动壁面的雾化机理进一步破碎获得微雾群；
S103，构建不同性质的呼吸性微尘与不同性质的微雾在气液固三相耦合降 尘机制实验平台，获得呼吸性粉尘降尘规律。
在S101中，建立破碎雾化数学模型的方法为利用SolidWorks三维建模软件、Fluent仿真软件，设置材料参数、导入模型、划分网格、仿真分析，并同时结合 多相流理论和计算流体力学的方法进行建立。
在S102中，雾群的中心粒径小于20μm。
在S102中，微雾群的中心粒径小于10μm。
在S102中，离心力的改变是取决于改变叶片内管道直径、形状、数量、长 度、叶片转速等参数。
在S102中，横向风流的大小是取决于实验设备及液体的粘性、表面张力、 密度、气动力、气流旋转强度、We数和Oh数等因素。
本发明提供的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法业内的普通技 术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于离心射流雾化和 超声振动雾化的除尘方法仅仅是一个具体实施例而已。
步骤S103中，具体包括：
建立雾化降尘模拟实验系统，通过改变粉尘浓度、微雾浓度、气流状态等 参数，利用在线粉尘测量仪、滴谱仪检测降尘前后浓度参数，利用接触角测量 仪测得亲水性参数，高速摄像机及PIV技术、风速表可获得各种流场形态和速 度矢量图，利用气液固三相流耦合理论和计算流体力学(CFD)方法分析多相 流耦合降尘机制，得到最优匹配参数。
本发明实施例中的液体在离心力和横向风流作用下破碎雾化数学模型的建 立方法包括：
通过改变叶片内管道直径、形状、数量、长度、叶片转速等，得到不同参 数下离心雾化条件，利用滴谱仪、高速摄像机及PIV、风速表等采集不同参数条 件下的破碎雾化数据，通过线性回归法得到雾化粒度、速度等与输入条件参数 的影响关系，再利用液-固、液-气两相流耦合计算流体动力学(CFD)方法建立 管道内液滴运动模型、二次雾化模型，分析离心力和横向风流场作用下液滴破 碎机理及破碎影响因素。
本发明实施例中的液滴撞击超声振动壁面的破碎雾化的数学模型的建立方 法包括：
通过改变入射液滴的速度、直径、入射角度和振动频率等参数，得到不同 参数下撞击振动破碎条件，利用滴谱仪、高速摄像机及PIV技术采集不同参数 条件下的破碎雾化过程和二次液滴的运动参数，并分析其雾化机理，通过线性 回归法得到雾化粒度、速度与条件参数的影响关系，利用液-固两相流耦合计算 流体力学(CFD)方法建立撞击超声振动壁面时的波的叠加模型、反弹模型、 雾化模型，揭示液滴撞击超声振动壁面情况下液滴破碎机制。
下面结合具体实验对本发明的技术方案进一步的说明。
本发明拟采用理论分析与实验相结合的方法，对离心雾化与撞击超声振动 雾化的原理实验和机理性分析，以及对呼吸性粉尘的微雾降尘规律性分析。分 析从浅到深对离心雾化与撞击超声振动疏水壁面的雾化和呼吸性粉尘的微雾降 尘原理及规律性实验；从分析内容方面可分为离心雾化实验和撞击超声振动亲 水壁面雾化实验和微细粉尘的微雾降尘实验，对不同实验内容采取的不同深入 方法。对于离心雾化来说从低转速到高转速分析雾化实验分析，低转速时不考 虑叶片产生的横向风流，高转速时是在低转速情况下叠加上叶片产生的横向风 流；对于撞击超声振动雾化来说从液滴入射速度从慢速到快速，依次得到撞击 超声振动不同亲水性表面所产生的实验结果，最终撞击速度达到离心雾化产生液滴的速度；对于微细呼吸性粉尘的微雾降尘来说，首先是在降尘实验系统里 分别单独建立均匀的微细呼吸性粉尘流场和微雾流场，然后将两个流场结合起 来验证微雾对呼吸性粉尘的沉降作用。规律性分析主要是指叶片转速、叶片直 径、环境温度、振动频率、表面张力等对雾滴直径、降尘效率等的影响规律， 通过规律性实验获得最优的雾化效率和降尘效率及其匹配条件。
1.1实验研究理论依据
离心破碎和撞击破碎的理论基础都来自于Navier-Stokes方程，液膜(或液 丝)中的稳定流动由质量方程和动量守恒方程控制，即：
Figure RE-GDA0002693620830000071
Figure RE-GDA0002693620830000072
Figure RE-GDA0002693620830000073
一旦液膜达到其极限厚度，法向速度v就会处处相等且为零，由1式知u 将仅在y方向发生变化，根据3式可以得出此时压力处处均匀，所以简化2式 可得得出速度的表达式如下。
Figure RE-GDA0002693620830000074
解此微分方程，可以得到任意截面平均速度表达式，进而通过流量守恒方 程可以得出液膜厚度表达式。将We数和Oh数引入分析中，从而得到粒径及速 度的表达式。
Figure RE-GDA0002693620830000075
其中：μL是速度，q是单位面积上的流量，Ω是转速，deq是当量直径。
1.2实验实施方案
(1)液体在叶片离心力和横向风流作用下的破碎雾化实验研究
叶片离心力和横向风流作用下的破碎雾化实验方案，利用高速摄像机可以 记录液滴离开叶片瞬间的形貌与特征，通过PIV可以分析液滴飞离叶片的速度 矢量，利用滴谱仪、风速表可以分别测得液滴直径分布和风速，改变叶片内管 道直径、形状、数量、长度、叶片转速等，得到不同参数下离心雾化条件，再 利用液-固、液-气两相流耦合计算流体动力学方法建立管道内液滴运动模型、二 次雾化模型，分析离心力和风流场作用下液滴破碎机理及破碎影响因素。
(2)研究液滴撞击超声振动壁面的破碎雾化实验研究
液滴撞击超声振动疏水壁面的破碎雾化实验方案，超声振动体表面涂有亲 水性物质，促进液滴铺展和飞溅；利用微型柱塞泵产生不同压力，并通过改变 喷射器喷嘴产生不同速度、直径的液滴，超声波发生器可以改变振动壁面的频 率；同时利用角度控制器改变壁面角度，从而得到不同的撞击振动壁面的参数； 利用滴谱仪、高速摄像机及PIV技术采集从低速到高速的不同参数条件下的破 碎雾化过程参数；利用液-固两相流耦合计算流体力学(CFD)方法建立撞击超 声振动壁面时的波的叠加模型、反弹模型、雾化模型，揭示液滴撞击超声振动 壁面情况下液滴破碎机制。
(3)呼吸性微尘与微小雾滴在不同气流场环境中的气液固三相流耦合降 尘实验研究
呼吸性微尘与微小雾滴在不同气流场环境中的气液固三相流耦合降尘实验 方案，利用在线粉尘测量仪、激光粒度分析仪、风速表、高速摄像机及PIV技 术可以采集微尘和微雾单独作用及耦合作用时的流场参数，通过变换粉尘浓度、 微雾浓度、气流状态等参数得到不同降尘效率，利用实验和流体力学理论相结 合的方法分析多相流耦合降尘机制，得到关键影响因素及最优匹配参数。
1.3.可行性分析
基于N-S方程建立液滴在离心力和横向风流中的雾化模型是可行的，目前 基于N-S方程建立的甩油盘雾化方程是成熟的，这给离心力和横向风流中的雾 化模型建立奠定了基础。离心力和横向风流中的雾化模型是在甩油盘的雾化模 型基础上增加了横向风流的作用，因此建立液滴在离心力和横向风流中的雾化 模型是可行的。同理，液滴撞击超声振动壁面的破碎雾化模型是在成熟的液滴 撞击破碎模型(目前很多人分析)基础上，增加壁面振动因素，利用两种波的 干涉衍射叠加的成熟理论分析，因此液滴撞击超声振动壁面的破碎理论分析也 是可行的。壁面亲水性的改变不会改变撞击波形成的根本机理，只是促进了液 滴撞击铺展的发生，因此壁面亲水性不影响理论分析。同时，对于呼吸性微尘 与微小雾滴在不同气流场环境中的气液固三相流耦合降尘机理分析，也是在成 熟的N-S方程的基础上，分别建立微尘流场和微雾流场以及三相流耦合流场， 分析结果得出相互作用关系，因此这部理论分析也是可行的。
2、本发明提出的雾化具有以下相关特色与创新点：
(1)提出离心雾化与撞击超声振动雾化相结合雾化方法
本发明提出的离心雾化是在甩油盘雾化基础上增加叶片产生的横向风流作 用的雾化，本发明提出的撞击超声振动雾化是在撞击静态壁面雾化基础上增加 了壁面超声振动的雾化，因此离心雾化与撞击超声振动雾化是一种新型复合雾 化方法。这种复合雾化方法不是相互孤立的，而是前后紧密连接的相互影响的， 离心雾化结果会影响撞击超声振动雾化，同时撞击雾化又影响超声雾化，因为 在撞击波与超声振动波的相遇过程会产生不同的毛细波，波的叠加情况直接影 响雾化结果。
(2)建立叶片离心作用与横向风流作用的破碎雾化模型，建立液滴撞击超 声振动的破碎雾化模型
叶片离心作用与横向风流作用的破碎雾化是在离心雾化基础上提出的，横 向风流会产生二次雾化，使液滴直径变小；撞击超声振动壁面的破碎雾化是在 撞击雾化基础上提出的，是毛细波作用的结果。对以上两种雾化方式的描述与 模型建立，会促进雾化理论的发展。
(3)揭示呼吸性微尘与微小雾滴在不同气流场环境中的气液固三相流耦合 降尘机理
目前，呼吸性微尘与微小雾滴在不同气流场环境中相互作用沉降机理尚不 明确，尤其是不同类型的呼吸性粉尘与具有不同表面张力的微雾颗粒之间的相 互作用沉降机理还不明确，这一机理的探究对于煤矿井下呼吸性粉尘的治理， 以及对于大气雾霾的治理有积极作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法包括：
步骤一，建立液体在离心力和横向风流作用下破碎雾化数学模型，建立液滴撞击超声振动壁面的破碎雾化的数学模型；
步骤二，利用离心力与横向风流作用破碎雾化机理获得雾群，进而分析初次雾化液滴的入射速度、初始动能、粒径大小、壁面疏水性等因素，利用撞击超声振动壁面的雾化机理进一步破碎获得微雾群；
步骤三，构建不同性质的呼吸性微尘与不同性质的微雾在气液固三相耦合降尘机制实验平台，获得呼吸性粉尘降尘规律。
2.如权利要求1所述的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述在步骤一中，建立破碎雾化数学模型的方法为利用SolidWorks三维建模软件、Fluent仿真软件，设置材料参数、导入模型、划分网格、仿真分析，并同时结合多相流理论和计算流体力学的方法进行建立。
3.如权利要求1所述的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述在步骤二中，雾群的中心粒径小于20μm。
4.如权利要求1所述的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述在步骤二中，微雾群的中心粒径小于10μm。
5.如权利要求1所述的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述在步骤二中，离心力的改变是取决于改变叶片内管道直径、形状、数量、长度、叶片转速等参数。
6.如权利要求1所述的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述在步骤二中，横向风流的大小是取决于实验设备及液体的粘性、表面张力、密度、气动力、气流旋转强度、We数和Oh数等因素。
7.如权利要求1所述的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述在步骤三中，构建不同性质的呼吸性微尘与不同性质的微雾在气液固三相耦合降尘机制实验平台，获得呼吸性粉尘降尘规律具体包括：建立雾化降尘模拟实验系统，通过改变粉尘浓度、微雾浓度、气流状态参数，利用在线粉尘测量仪、滴谱仪检测降尘前后浓度参数，利用接触角测量仪测得亲水性参数，高速摄像机及PIV技术、风速表可获得各种流场形态和速度矢量图，利用气液固三相流耦合理论和计算流体力学CFD方法分析多相流耦合降尘机制，得到最优匹配参数。
8.如权利要求1所述的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述在步骤二中，液体在离心力和横向风流作用下破碎雾化数学模型的建立方法包括：通过改变叶片内管道直径、形状、数量、长度、叶片转速，得到不同参数下离心雾化条件，采集不同参数条件下的破碎雾化数据，通过线性回归法得到雾化粒度、速度与输入条件参数的影响关系，再利用液-固、液-气两相流耦合计算流体动力学CFD方法建立管道内液滴运动模型、二次雾化模型，分析离心力和横向风流场作用下液滴破碎机理及破碎影响因素。
9.如权利要求8所述的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述采集不同参数条件下的破碎雾化数据的装置为滴谱仪、高速摄像机及PIV、风速表等。
10.如权利要求1所述的基于离心射流雾化和超声振动雾化的除尘方法，其特征在于，所述在步骤二中，液滴撞击超声振动壁面的破碎雾化的数学模型的建立方法包括：通过改变入射液滴的速度、直径、入射角度和振动频率参数，得到不同参数下撞击振动破碎条件，利用滴谱仪、高速摄像机及PIV技术采集不同参数条件下的破碎雾化过程和二次液滴的运动参数，并分析其雾化机理，通过线性回归法得到雾化粒度、速度与条件参数的影响关系，利用液-固两相流耦合计算流体力学CFD方法建立撞击超声振动壁面时的波的叠加模型、反弹模型、雾化模型，揭示液滴撞击超声振动壁面情况下液滴破碎机制。
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