袁 娜，林龍沅，劉侹楠

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，工業(yè)粉塵顆粒物排放所引起的環(huán)境問題及安全問題日益嚴(yán)重。《2017年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》表明，2017年全國總共338個地級及以上城市中，以PM2.5(細(xì)顆粒物)為首要污染物的天數(shù)占重度及以上污染天數(shù)的74.2%，以PM10(可吸入顆粒物)為首要污染物的占20.4%[1]。此外，各類粉塵爆炸事故也帶來持續(xù)的安全威脅[2]。而工業(yè)粉塵是引發(fā)霧霾及安全問題的重要因素之一，因此加強(qiáng)對工業(yè)粉塵顆粒物排放的控制具有重要意義。當(dāng)前，在高效過濾除塵設(shè)備中，應(yīng)用最為廣泛的是袋式和濾筒除塵器。袋式除塵器雖然除塵效率高，但存在除塵器體積龐大，占地空間大的缺點[3]。隨著除塵技術(shù)的迅速發(fā)展，濾筒除塵器被越來越多應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)除塵中[4]。相較于袋式除塵器，濾筒除塵器不僅除塵效率高，而且具有過濾面積大，占用空間相對較小等優(yōu)點[5]。對于高度空間受限場所應(yīng)用較為廣泛的除塵器有臥式濾筒除塵器。以唐納森除塵器廠家為例，其生產(chǎn)的濾筒除塵器產(chǎn)品大部分為臥式除塵器。相較于立式除塵器，一方面，臥式除塵器的箱體結(jié)構(gòu)更有利于粉塵沉降，能夠有效避免立式脈沖濾筒除塵器中時常發(fā)生的二次揚(yáng)塵現(xiàn)象；另一方面，其體積往往較小，上部不設(shè)凈氣室高度，也不用預(yù)留濾筒拔出高度，適用于高度受限的除塵場所。此外，臥式除塵器還具有安裝便捷、易于檢修、維護(hù)費(fèi)用少，具有擴(kuò)展性等顯著優(yōu)勢[6]。但目前對臥式除塵器的研究相對于立式而言較少，其中具有代表性的是，楊龍軍[7]通過對臥式脈沖濾筒除塵器的清灰效果進(jìn)行試驗研究，發(fā)現(xiàn)該類除塵器在清灰方面存在濾筒各部位清灰不均的現(xiàn)象。目前，大部分學(xué)者主要還是集中于立式濾筒除塵器的相關(guān)研究，對于除塵器內(nèi)部流場方面的研究，郭建章等[8]提出了三維湍流的重整化群k-ε模型，確認(rèn)臥式環(huán)流除塵器的結(jié)構(gòu)和尺寸對內(nèi)部流場有重要影響；鄧斌等[9]、張相亮等[10]用Fluent分別模擬了濾筒和布袋除塵器進(jìn)口對內(nèi)部流場的影響，并通過改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化了流場，以提高凈化效率；郗元等[11]分析不同濾筒結(jié)構(gòu)下除塵器內(nèi)氣流分布規(guī)律，指出在常規(guī)工況四筒結(jié)構(gòu)布置時，建議選取圓柱濾筒或矩形濾筒作為除塵器濾芯以提高除塵性能；余歡等[12]探究了濾筒長度對流場的影響，得出長濾筒不適宜在高過濾風(fēng)速下運(yùn)行；Chen等[13]研究了安裝導(dǎo)流擋板對袋式除塵器氣流組織的影響等。

綜上所述，在立式除塵器內(nèi)部流場方面，學(xué)者們做了系統(tǒng)的研究，而對臥式除塵器的研究相對較少，至于臥式濾筒除塵器氣流組織方面的研究更為不足。臥式除塵器內(nèi)部氣流組織與其過濾效率、使用壽命密切相關(guān)，但由于實驗的局限性，無法得到除塵器內(nèi)部流場分布情況，因此在實際開發(fā)前運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行流場的模擬與優(yōu)化對于認(rèn)識和改善臥式濾筒除塵器的氣流組織、提高過濾效率以及節(jié)省研究與開發(fā)成本具有重要的現(xiàn)實意義。

1 計算模型與數(shù)值方法

1.1 臥式濾筒除塵器模型

參考目前市場常見的臥式濾筒除塵器，利用CAD三維建模所建立的簡化臥式濾筒除塵器模型，如圖1所示。該模型為上進(jìn)風(fēng)臥式濾筒除塵器，箱體包括：凈氣室、濾室和灰斗，進(jìn)氣口位于濾室上壁正中，凈氣室和濾室2部分由花板隔開，同時凈氣室與4個濾筒內(nèi)部相通。含塵氣體從上部進(jìn)氣口進(jìn)入濾室，經(jīng)過濾筒過濾后，潔凈的氣體進(jìn)入凈氣室，經(jīng)左下部出氣口排入大氣。

無擋板模型的尺寸在xzy方向分別表示為：凈氣室400 mm×1 000 mm×1 200 mm；濾室660 mm×1 000 mm×1 200 mm；進(jìn)氣口和出氣口均為直徑200 mm柱體，濾筒為φ350 mm×660 mm的常規(guī)濾筒，濾筒與前后壁間距為100 mm，與上下壁間距200 mm。加設(shè)擋板的模型是將濾室和凈氣室整體加高100 mm，在進(jìn)氣口與濾筒間加設(shè)人字形擋板 ， 2擋板的夾角分別選取為 150°，160°，165°，170°，175°和180° 。對過濾過程進(jìn)行數(shù)值模擬時，將濾筒做圓柱形簡化處理，且不考慮灰斗部分。

圖1 臥式濾筒除塵器模型Fig.1 Models of horizontal filter cartridge dust collector

1.2 邊界條件與數(shù)值方法

用Fluent進(jìn)行模擬計算時，進(jìn)口邊界條件選擇速度入口，速度為10 m/s；出口邊界條件選擇壓力出口，出口靜壓為-500 Pa；濾筒模型的邊界條件設(shè)置為一維簡化的多孔介質(zhì)，即多孔跳躍介質(zhì)模型，濾筒壁厚2 mm。此外，濾室、凈氣室、進(jìn)出氣口等壁面均設(shè)置為固體壁面(wall)。過濾過程使用穩(wěn)態(tài)的壓力基求解器，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程湍流模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，梯度項設(shè)置為Least Squares Cell Based，標(biāo)準(zhǔn)壓力項，動量項、湍流能項、湍流耗散率項均為一階迎風(fēng)格式。利用Gambit來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合，對濾筒部位進(jìn)行加密以提高準(zhǔn)確性。

1.3 控制方程

假定進(jìn)氣口風(fēng)速均勻且垂直于入口端面，且為恒溫不可壓縮、做定常單向流運(yùn)動的一種連續(xù)的均勻介質(zhì)。除塵器內(nèi)部屬十分復(fù)雜的湍流流場，對比分析各湍流模型后，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程湍流模型，并滿足質(zhì)量、動量、能量守恒方程，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型湍動能k方程和耗散率ε方程對應(yīng)的輸送方程為[14]：

(1)

(2)

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能K產(chǎn)生項；Gb是由于浮力引起的湍動能K產(chǎn)生項；YM代表可壓縮湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk和σε分別是湍動能K與耗散率ε的湍流普朗特數(shù)，根據(jù)Fluent推薦值分別為σk=1.0，σε=1.3;Sk和Sε是用戶定義的源項；ρ是流體密度；μ是動力粘度；x是空間坐標(biāo)；u是速度。

2 有、無擋板下的氣流組織分析

2.1 流場速度分布

圖2所示的是無擋板與165°擋板角度下x=730 mm平面的速度云圖，該平面為x方向濾室正中間且過進(jìn)氣口的yz平面?？梢钥闯?，無擋板時，氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入后存在明顯射流現(xiàn)象，且2列濾筒間風(fēng)速過大，上排濾筒間近10 m/s；而在165°擋板模型下，整體速度則較低。分析其原因是：無擋板時，除塵器本身體積和進(jìn)氣口徑小，進(jìn)氣口距灰斗口僅1.2 m，所以氣流以10 m/s的速度進(jìn)入箱體后，產(chǎn)生的射流幾乎延續(xù)到了灰斗處，在接近灰斗口仍有高達(dá)4 m/s的速度，這勢必會引起灰斗內(nèi)二次揚(yáng)塵的問題；而加設(shè)擋板后，不僅阻擋了高速射流，還對氣流進(jìn)行分散引導(dǎo)，使得濾室內(nèi)氣流速度整體較均勻，中心最大速度降低到3 m/s以下，并且到達(dá)灰斗口的風(fēng)速也明顯降低，氣流組織均勻性顯著提高。

圖2 x=730 mm平面速度云圖Fig.2 Nephogram of plane velocity at x=730 mm

濾筒是除塵器的核心部件，由其表面的速度分布可以分析各個濾筒及不同部位的過濾情況。由于2列濾筒處于對稱分布且主要分析射流的影響，在此只對第1列，即1，3號濾筒進(jìn)行示例分析。

由圖3(a)～(b)可以看出：無擋板時，濾筒內(nèi)側(cè)中心速度達(dá)到8～9 m/s，遠(yuǎn)高于外側(cè)及其他部位；上排，即1，2號濾筒的內(nèi)側(cè)速度要高于下排2個，即3，4號；下排濾筒的底部速度要高于其他地方。分析其原因，是入口氣流的射流所引起，氣流到達(dá)底部后向兩邊擴(kuò)散并向上爬，同時沖刷筒壁，其速度同樣達(dá)到了4.5 m/s，此外濾筒其他部位也表現(xiàn)出不同程度的速度差異。而表面速度較高的地方磨損會比較嚴(yán)重，極容易破損也容易引起濾筒局部堵塞，從而導(dǎo)致無法充分發(fā)揮出濾筒的性能，影響整體的除塵效果。如圖4所示，在165°的擋板角度下時，濾筒表面速度整體位于0.8～2.6 m/s間，僅在兩端局部區(qū)域出現(xiàn)較高風(fēng)速，最大也只有3 m/s。可以看出加設(shè)擋板后，濾筒表面風(fēng)速均勻性明顯提高。

圖3 無擋板濾筒表面速度云圖Fig.3 Nephogram of surface velocity for filter cartridge without baffle

圖4 165°擋板下濾筒表面速度云圖Fig.4 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 165°

2.2 流量分配均勻性

(3)

ΔK=Kimax-Kimin

(4)

(5)

式中：qi為第i個濾筒實際處理氣量，kg/s；qm為濾筒平均處理氣流，kg/s；Kimax,Kimin分別為單個濾筒最大及最小流量分配系數(shù)；N為濾筒總個數(shù)。

表1為各濾筒的流量分配系數(shù)。由于受進(jìn)氣口射流影響，在無擋板情況下的內(nèi)部流場十分紊亂，各濾筒的流量分配情況難以達(dá)到穩(wěn)定，僅能給出一個系數(shù)的浮動范圍，這也反映出無擋板情況下除塵器內(nèi)的氣流組織情況是極不均勻的，但下排濾筒系數(shù)的最小值仍很大，說明射流嚴(yán)重影響了上排濾筒的過濾。而加設(shè)擋板后，經(jīng)過一段時間，計算各濾筒的流量分配情況達(dá)到穩(wěn)定，從表1中數(shù)據(jù)可看出，1號濾筒的系數(shù)最大，2號最小，3，4號在1上下略微浮動。這說明1號的過濾負(fù)荷最重，可能會最先出現(xiàn)破損，2號則可能無法充分發(fā)揮出其性能。而3，4號相對而言過濾情況較好。從表2可看出，165°擋板下的最大正負(fù)偏差均在±15%以內(nèi)，即是說該種模型下的氣流組織基本達(dá)到均勻。

表1 流量分配系數(shù)Table 1 Flow distribution coefficient

表2 165°擋板下流量分配結(jié)果Table 2 Results of flow distribution under 165°baffle

3 不同擋板角度下的氣流組織分析

3.1 不同擋板角度設(shè)計模型

除了對有無擋板下臥式濾筒除塵器的氣流組織進(jìn)行分析外，還設(shè)計了對不同擋板角度下氣流組織情況的探究，在前文165°擋板模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)置150°，160°，170°，175°和180° 5種情況并將它們進(jìn)行對比，由此得出該種模型下氣流組織的分布規(guī)律。其中擋板角度為165°時的除塵器模型右視圖如圖5所示，余下5種情況僅是擋板角度的不同，擋板距2側(cè)壁距離及箱體模型均一致。

圖5 165°擋板模型右視圖Fig.5 Right view of 165° baffle model

3.2 流場速度分布

圖6所示分別為150°和180°2種擋板角度下x=730 mm平面的速度云圖，由于160°，170°、175°在該平面的速度分布與165°擋板相似，可參見圖2，故不做展示。

圖6 x=730 mm平面速度云圖Fig.6 Nephogram of plane velocity at x=730mm

將圖6與圖2對比可見，增設(shè)擋板后，射流現(xiàn)象均已消失且濾室內(nèi)流場速度顯著降低，最大速度出現(xiàn)在下排濾筒的間隙，約3 m/s，是因為在擋板的分流下，沿兩側(cè)而下的部分未過濾氣體在濾室底部匯合，進(jìn)而沿下排2濾筒間隙向上爬升，使得此處氣流速度增大。此外，隨著擋板角度的減小，上排濾筒處的氣流速度也逐漸降低，而對比180°擋板下1號濾筒、160°～175°擋板下2號濾筒、150°擋板下2號和4號濾筒所處部位相對于其他濾筒速度偏小，結(jié)合流量分配系數(shù)發(fā)現(xiàn)，速度偏小的濾筒，其流量分配系數(shù)也最小或是較小，可以得出濾筒表面速度過低并不利于過濾的結(jié)論。

圖7～9分別是150°，175°，180°擋板角度下的濾筒表面速度云圖。通過在Fluent里對比各個擋板角度下的濾筒表面速度云圖發(fā)現(xiàn)，從150°到175°的5種角度下4個濾筒的表面速度分布特點基本相似，下排濾筒的風(fēng)速隨著擋板角度的增大而減小，而上排除了外側(cè)兩端小區(qū)域的最大速度有所增大，其余無明顯變化，與180°時存在較明顯差異。但整體來看，所有角度下濾筒的表面速度大多分布在0.4～2.8 m/s這個區(qū)間，上排濾筒(1號和2號)位于0.4～2 m/s，下排濾筒(3號和4號)位于1～2.8 m/s，上排整體低于下排。低速區(qū)位于1，2號濾筒上側(cè)及上下2排濾筒的間隙，考慮是由于布局緊湊間距不足所導(dǎo)致，最大速度基本出現(xiàn)在濾筒兩端小范圍區(qū)域。由濾筒表面的風(fēng)速分布特點可以得出，下排濾筒的沖刷會較上排嚴(yán)重，且下排濾筒兩端可能會最先出現(xiàn)磨損。

圖7 150°擋板時，濾筒表面速度云圖Fig.7 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 150°

圖8 175°擋板時，濾筒表面速度云圖Fig.8 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 175°

圖9 180°擋板時，濾筒表面速度云圖Fig.9 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 180°

3.3 流量分配均勻性

圖10的折線圖可直觀看出，各擋板角度下濾筒流量分配系數(shù)在1.0上下的浮動情況以及隨著角度變化而變化的情況。可以看出，除了180°的折線與其他明顯不同，余下5種的走勢規(guī)律基本相似：都是1，3號濾筒的流量分配系數(shù)較大，1號最大，且隨著角度減小，最大系數(shù)逐漸增大至1.216，說明1號濾筒的過濾負(fù)荷最大，容易出現(xiàn)破損，而2，4號可能無法充分發(fā)揮其性能。

圖10 不同擋板角度下濾筒流量分配系數(shù)Fig.10 Flow distribution coefficient of filter cartridge under different angles of baffle

表3～4是6種角度下各濾筒具體的流量分配系數(shù)及相關(guān)表征氣流分配均勻性的系數(shù)，從各項具體系數(shù)可以看出，在6種角度中只有165°和170°時的最大正負(fù)偏差在±15%以內(nèi)，最大流量不均系數(shù)和綜合流量不均系數(shù)都較小，能達(dá)到氣流組織基本均勻的標(biāo)準(zhǔn)。此外，將濾筒表面的速度分布與各濾筒流量分配情況結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)：濾筒表面過濾風(fēng)速對其流量分配系數(shù)影響較大，其中當(dāng)濾筒表面風(fēng)速在0.85～1.87 m/s的過濾面積最大時，其分配系數(shù)最大；風(fēng)速>2 m/s的過濾面積最大時，流量分配系數(shù)最?。划?dāng)風(fēng)速<1 m/s的濾筒面積越大往往分配系數(shù)也會越偏小。這表明，濾筒表面風(fēng)速過高或過低都不利于過濾。

表3 流量分配系數(shù)Table 3 Flow distribution coefficients

表4 流量分配結(jié)果Table 4 Results of flow distribution

4 結(jié)論

1)無擋板的臥式濾筒除塵器以10 m/s的入口速度進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，存在射流和內(nèi)部氣流分布不均的問題，高達(dá)10 m/s流速會導(dǎo)致濾筒內(nèi)側(cè)遭到嚴(yán)重的氣流沖刷，使該部位容易破損，且易造成二次揚(yáng)塵問題。加設(shè)165°擋板及適度增加濾室高度后，射流問題解決，同時氣流均勻性得到顯著提升。

2)在同樣濾室高度下，對比分析150°，160°，165°，170°，175°和180° 6種擋板角度下的除塵器內(nèi)部速度分布及各濾筒流量分配情況發(fā)現(xiàn)，從150°到175°的5種角度下4個濾筒的表面速度分布特點基本相似，但在165°和170°時，濾筒表面風(fēng)速更為均勻且其流量分配系數(shù)偏差在±15%以內(nèi)。結(jié)合流量分配結(jié)果可以認(rèn)為，只有在165°～170°擋板角度時，氣流組織達(dá)到均勻標(biāo)準(zhǔn)。

3)除塵器內(nèi)部的氣流組織與其內(nèi)部構(gòu)造密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化都會引起氣流組織的較大改變，在進(jìn)行臥式除塵器的設(shè)計制造時，對其進(jìn)行氣流組織的模擬進(jìn)而尋求最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置方式是十分必要的，后續(xù)研究可在本文基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化擋板(流線型擋板、多孔擋板等)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而獲得更優(yōu)的氣流組織設(shè)計。