粉塵在邊界層內的二次懸浮與運移探討(其他 )

                                  陳明軍

                         山西天地賽福蒂科技有限公司

摘要：針對粉塵經常堵塞除塵管道引起除塵效率降低，能耗增加的情況，對粉塵在湍流主體區和邊界層內的受力進行分析，推導出在邊界層內粉塵二次懸浮與粒徑、風速的關系。邊界層內，風速越大，粉塵粒徑越大，二次懸浮能力越強。通過試驗觀察到粉塵在邊壁上呈波浪式沉積，且粒徑在10～40m的粉塵沉積量最大。得出在邊界層內能二次懸浮的粉塵占總粉塵量的10%時，粉塵不會沉積，且輸運風速最低。提出以邊界層內粉塵二次懸浮量為10%作為除塵管路風速選擇的依據。

關鍵詞：粉塵二次懸浮輸運管網

0  引言

    粉塵在除塵管道中沉積，甚至堵塞管道，導致除塵效率下降、能耗增加是除塵系統運行管理最主要的問題之一。除塵系統管網風速選擇大多是依照推薦標準或設計人員的經驗，沒有考慮粉塵的顆粒群性質對輸運的影響，設計的結果差異很大。因此探討不同粒徑粉塵在管道內不同區域的受力、運動情況對為除塵管網風速選擇提供依據具有重要意義。

    粉塵的粒徑范圍為0～150m，具有粒度小、粒徑分布范圍廣等特性。粉粒體在管道內的輸運特性研究主要集中在氣力輸送和空調系統氣溶膠沉積兩大領域。但氣力輸送主要研究對象粒徑一般大于1 mm，而空調系統中氣溶膠的粒徑一般小于10m。對工業粉塵在管道中的輸運特性研究較少。

    除塵系統中，除塵管道直徑一般為90～500 mm，風速一般為10-20 m/s，層流邊界層厚度一般在300m左右。在粉塵重力、湍流擴散等作用力下，粉塵會經過湍流主體區進入邊界層區域。因此分別考察粉塵在這兩個區域的運動對探討粉塵在管道內的最佳輸運風速具有重要指導作用。

1  粉塵在湍流主體區受力分析

    圓管內充分發展的湍流流動，從管道中心到管道壁面劃分為三個區域，如圖1所示。從A點到B點所在區域為湍流核心區；從B點到C點所在區域為過渡區；從C點到D點所在區域為粘性層流邊界層。

    當不考慮湍流脈動時，可以將湍流核心區認為是均勻流場。在粘性層流邊界層內，流體的流速與離壁面的長度呈直線關系。

    粉塵在流體中的受力情況如圖2所示。由圖2可知，在水平管道中，重力、浮力、Saffman升力以及Magnus作用力影響粉塵在垂直方向上的沉積。除塵系統穩定運行時，粉塵顆粒在湍流核心區域垂直方向上主要受到重力作用。因此，在水平除塵管道中輸運的粉塵一定會沉積到管壁邊緣的邊界層內。

2  粉塵在邊界層內的受力分析

    粉塵顆粒在水平管道中重新懸浮起來主要有以下幾種作用因素：紊流分速度、管壁反作用力、壓差作用力、馬格努斯效應。

    本文在進行邊界層內粉塵受力分析時，僅考慮粉塵已經沉積在管壁的極限情況。當沉積在管壁上的粉塵能二次懸浮時，在其他懸浮因素共同影響下，粉塵就一定能夠二次懸浮。因此僅考慮二次懸浮力為靜壓差力，分析粉塵在層流邊界層中的運動狀況。

2.1粉塵二次懸浮靜壓力

    當粉塵沉積到管壁上時，其底部的流體速度為0，僅有粉塵顆粒頂部有流體流過，其懸浮力FL表達式為：

2.2管壁邊界層速度分布

    對于圓管，當Re>10⁵時，邊界層內流體的速度分布于距離管壁的距離關系為：

    將式(3)和式(4)聯合作圖，如圖3所示，從圖中可以看出：粒徑越小的粉塵，其二次懸浮能力越??；粒徑越大的粉塵越容易二次懸浮。

將粉塵懸浮速度式(3)與邊界層速度分布式(4)聯合求解，可以得到不同粒徑粉塵在管道中的臨界懸浮風速，關系式如下：

3  試驗設計

    對式(5)分析發現，當風管內的平均風速v _f越大，對應的臨界懸浮粒徑d₀就越小，能夠二次懸浮的粉塵的比例就越大。但是由于粉塵的粒徑在0～150m之間，風速不可能無限制增大以此來保證所有的粉塵二次懸浮。因此，必須通過試驗的方法探討燒結粉塵最佳的通風速度和與之對應的懸浮粒徑，以及粉塵在邊界層中的運動機理。

    根據試驗要求，設計了如圖4所示的試驗系統，考察粉塵在水平直管道中的最佳通風速度。

    為了消除沿管長方向沉積量變化對試驗的影響，采用多點采樣法。圖4中A、B、C、D為取樣點，每隔1.5 m取一次樣，每次分別取管道的底部、頂部和側面。每個取樣點離管道端面的距離為100 mm。

    試驗樣品取至燒結廠布袋除塵器，使用激光粒度分析儀對樣品進行粒度分析，其粒度組成見圖5。

    通過將鐵皮鏤空，彎曲成與試驗管道具有相同曲率的弧形，保證了每次取樣面積的一致性。利用酒精清洗管壁的辦法，解決了其他采樣辦法對管壁邊界層造成流動狀態影響，導致取樣不準確的難題。采樣結果見圖6。

    圖6(a)圖是傳統的通過將鋁箔紙貼在管壁對沉積粉塵進行取樣的效果圖，從圖中可知，鋁箔紙的存在嚴重干擾了粉塵在邊界層內的沉積規律。圖6(b)是通過酒精取樣的效果圖，取樣結果能很好地滿足試驗的需要。

4  試驗結果分析

4.1沉積粉塵與原料粉塵粒徑對比

    從圖7中可知：粒徑小于10m的顆粒在原料和沉積粉塵中占有的比例相差不大，均在9%左右；粒徑為10-40m的顆粒，在沉積粉塵中的含量大于在原料中的含量；粒徑大于50m的顆粒，在原料中的含量大于在沉積粉塵中的含量。

    10 m以下的粉塵主要受到湍流擴散作用，所以原料和沉積料中粒徑比例變化不大；10-40m粉塵在重力作用下進入邊界層且不容易二次懸??；所以在沉積料中的比例大于在原料中的比例；40m以上的粉塵在邊界層內容易二次懸浮，所以在沉積料中的比例小于在原料中的比例。

4,2粉塵在邊界層中運動機理

    從圖8可以看出粉塵在管道中呈現波浪式沉積。分析認為粉塵在管道中的運移機理如下：①粉塵中不同粒徑的顆粒在湍流擴散作用、重力作用下都有可能會運動到管壁的層流邊界層內；②粒徑較小的顆粒，進入層流邊界層以后，由于其靜壓差作用力小，粉塵不能夠再次懸浮，便逐漸沉積在管壁上。⑧大粒徑的粉塵，由于沉入層流邊界層后，受到靜壓差力的作用容易二次懸浮進入湍流主體。因此大粒徑粉塵在垂直方向上是往返于在層流邊界層與湍流主體之間，在水平方向上隨風流運動，呈現出跳躍式的前進。正是因為大顆粒粉塵跳躍式前進，間斷式沖刷管壁，才使沉積在管壁的小粒徑粉塵重新懸浮，被風流帶走，也才導致沉積粉塵呈現波浪式分布。

4.3燒結粉塵最佳輸運風速

    從圖9中可知：隨著風速的增加粉塵沉積量逐漸減少。當風速較小時，粉塵沉積量隨風速增加快速較少；當風速較大時，粉塵沉積量隨風速增加較少速度降低。當風速大于19 m/s的時候，即使提高風速，粉塵沉積量幾乎不再減少。以此可以認定最佳通風速度為19 m/S。

    輸運試驗樣品的最佳通風速度約為19 m/s；實驗測得粉塵的真密度約為4.02g/cm³；PVC管的相對粗糙度為0.009 mm；實驗用管徑為160 mm。將上述參數代入式(6)可以得到粉塵的懸浮粒徑為107m。參照粉塵在原料中所占的比例，大于107m的顆粒約占粉塵總量的10%。

    根據上述結果，對除塵系統風速設計時首先對粉塵進行取樣，進行粒徑分析，找出累計量為90%的粒徑，根據式(5)可以計算出通風系統最優的通風速度。

5  結論

    1)粉塵中小于10m的微粒，主要受湍流擴散作用沉積，在沉積粉塵和原料粉塵中所占比例相同。20-40m的粉塵二次懸浮能力小，受重力影響最大，最容易沉積在管壁上。大于40m的粉塵在管道中二次懸浮的能力逐漸加強，不易沉積在管壁上。

  2)粉塵在管道內輸運機理是：不同粒徑的粉塵都會沉入管壁的邊界層內，大粒徑粉塵比小粒徑粉塵二次懸浮能力強，對沉積在管壁上的小粒徑粉塵的進行沖刷，導致小粒徑粉塵二次懸浮，從而使粉塵能順利輸運出較長的水平直管。

    3)通過試驗得出，二次懸浮粉塵占總粉塵量的10%時，沉積在管壁上的粉塵能被沖刷完全，此時的通風速度是最優通風速度，為除塵系統管網風速選擇提供依據。