井下干式濾筒除塵器的改進(jìn)設(shè)計(jì)及氣流均勻性分析

鄭 娟

（浙江海洋學(xué)院石化與能源工程學(xué)院，浙江舟山 316004）

姜艷艷等[1]設(shè)計(jì)了體積小、重量輕、阻力小、除塵效率高且便于井下頻繁移動和快速拆裝的小型除塵器。該除塵器采用Ф350 mm×660 mm，過濾面積為25 m2，重量為8 kg覆膜濾筒，且將除塵器灰斗改為長方體抽屜式，減小了除塵器高度。

對噴流[2](Impinging Stream)是ELOERIN[3-4]于20世紀(jì)60年代初提出并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，其工作原理是兩股等量氣體充分加速固體顆粒后形成的氣－固兩相流同軸高速相向流動并在兩加速管的中間即撞擊面上相互碰撞、團(tuán)聚。以色列BERMAN等[5]的研究中得出,對噴流除塵與傳統(tǒng)的除塵技術(shù)[6-7]相比，具有顯著的低阻性和節(jié)能性。張明星等[8]、李雪等[9]通過對水平式對噴流除塵器的數(shù)值模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，得出對噴流技術(shù)適合于高濕、高粘附性粉塵的收集，且可置于除塵器前端作為預(yù)處理裝置。

筆者將對噴流技術(shù)應(yīng)用于井下濾筒除塵器，作為預(yù)處理裝置。利用了粉塵顆粒在進(jìn)入濾筒過濾前相互碰撞、團(tuán)聚從而沉降的特性除塵。同時，由于粉塵顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)，即使顆粒經(jīng)過撞擊區(qū)后未能團(tuán)聚下來，顆粒的來回振蕩也能有效地增大粉塵顆粒的粒徑，使其更容易在后續(xù)設(shè)備中除去。

對于加入對噴流技術(shù)的小型干式濾筒除塵器，其內(nèi)部流場的均勻性以及到達(dá)濾筒側(cè)壁的氣流對濾筒壁的沖刷影響都是需要解決的關(guān)鍵問題。利用CFD數(shù)值計(jì)算方法，針對這些待解決的關(guān)鍵問題，建立幾種數(shù)學(xué)模型，對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，為井下除塵器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 改進(jìn)后的井下干式濾筒除塵器

改進(jìn)后的井下小型干式除塵器如圖1所示。含塵氣流由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入除塵器上部再分成左右兩股氣流，各自遇壁面再向下流動，在除塵器中腔體內(nèi)形成對噴區(qū)，作為除塵器除塵的預(yù)處理。除塵器由4支尺寸為：Ф325 mm×Ф215 mm×660 mm的聚四氟乙烯覆膜濾筒組成；并在集塵腔上部設(shè)計(jì)一擋板防止含塵氣流直接沖到集塵腔內(nèi)將集塵腔內(nèi)的粉塵二次揚(yáng)起，給粉塵收集帶來困難；集塵腔為抽屜式。除塵器設(shè)計(jì)尺寸為：1 206 mm×1 196 mm×1 305 mm（風(fēng)機(jī)、氣包高度除外）；對噴區(qū)長400 mm，設(shè)計(jì)風(fēng)量為4 000 m3/h，風(fēng)速為20 m/s。

圖1 改進(jìn)后井下干式濾筒除塵器結(jié)構(gòu)示圖Fig.1 The improved structure of the filter cartridge dust collector

2 CFD數(shù)值模型及計(jì)算方法

2.1 建立CFD數(shù)值模型

如圖2建立計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模型，由于該模型是對稱結(jié)構(gòu)，建立一半?yún)^(qū)域即可，建立無對噴區(qū)的除塵器模型ⅰ以及改變對噴距離的模型ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ進(jìn)行比較。

各模型不變參數(shù)為：進(jìn)口直徑Φ120 mm抽屜式集塵腔高200 mm、濾筒為Ф325 mm×Φ215 mm×660 mm，凈氣腔高245 mm、出風(fēng)口直徑為Φ400 mm，擋板高度距腔體底部390 mm、整個模型長×寬×高為：1 206 mm×1 196 mm×1 305 mm。

圖2 模型邊界條件設(shè)置Fig.2 Model boundary condition setting

各模型不同參數(shù)為：模型ⅰ無對噴區(qū)；模型ⅱ對噴區(qū)長×寬×高為400 mm×140 mm×140 mm；模型ⅲ對噴區(qū)長×寬×高為500 mm×140 mm×140 mm；模型ⅳ對噴區(qū)長×寬×高為 300 mm×140 mm×140 mm；模型ⅴ對噴區(qū)長×寬×高為 200 mm×140 mm×140 mm。

2.2 計(jì)算方法和邊界條件的設(shè)定

計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分是關(guān)鍵一個環(huán)節(jié)，它對計(jì)算結(jié)果精度的影響起到?jīng)Q定性作用，本模型劃分了80%的結(jié)構(gòu)化劃分網(wǎng)格，尺度為7～10 mm。采用k-ε湍流方程模型、非穩(wěn)態(tài)3D分離隱式求解器，設(shè)置求平均值以達(dá)到穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)。

由于該除塵器模型結(jié)構(gòu)對稱，邊界條件設(shè)定結(jié)果如下：對稱面處設(shè)為symmetry；濾筒除塵器的入口為velocity inlet邊界條件；出口邊界為Outflow自由出流邊界，出口數(shù)量為1；定義入口速度為20 m/s；壁面是靜止的，壁面處三相速度為零；由于濾筒的的多褶結(jié)構(gòu)，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，設(shè)置為Porous-jump多孔跳躍介質(zhì)，借鑒濾袋的模擬[10]，滲透率為4.2e-06 m2，有限厚度的多孔介質(zhì)的壓強(qiáng)變化是用達(dá)西定律和一個附加的慣性損失來定義的：

式中μ為層流粘度，α為滲透率，C2為壓強(qiáng)躍升系數(shù)，v為法向速度，Δm為介質(zhì)厚度。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析討論

3.1 有無對噴區(qū)的兩個除塵器內(nèi)部氣流流場比較

將對噴流技術(shù)應(yīng)用于除塵器前端作為粉塵預(yù)處理的除塵器數(shù)學(xué)模型與原除塵器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較、分析截面速度梯度和除塵器腔體氣流跡線對含塵氣流運(yùn)動情況以及抽屜式集塵腔內(nèi)氣流速度大小等因素對除塵器腔體流場穩(wěn)定性影響。

圖3是截取除塵器腔體右側(cè)距壁面70 mm處的截面圖。由圖3可以看出，當(dāng)含塵氣流經(jīng)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后分成左右兩股氣流。模型ⅰ中，在接近壁面的區(qū)域氣流速度較大，幾乎都沖向各壁面，而且在擋板下一些區(qū)域有3m/s的速度，且形成渦流；加上對噴腔之后的模型ⅱ中，改變了含塵氣流的走向，在靠近進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的中腔體中明顯形成了對噴區(qū)，其對噴速度為8 m/s，在擋板下面即集塵腔內(nèi)速度在1 m/s之內(nèi)，且氣流對壁面的沖刷作用減小，氣流按照對噴腔的設(shè)計(jì)流動?？梢钥闯?，改變模型后，靠近進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的腔體內(nèi)流場較為均勻且穩(wěn)定，抽屜式集塵腔內(nèi)速度很小且均勻，即對噴流技術(shù)應(yīng)用于干式濾筒除塵器后腔體內(nèi)速度梯度也比較平穩(wěn)。

圖3 除塵器靠近進(jìn)風(fēng)口一側(cè)腔體截面云圖Fig.3 Cavity section contours of the collector inlet

3.2 腔體內(nèi)氣流均勻性比較

圖4是除塵器模型ⅰ和模型ⅱ的腔體內(nèi)部氣流跡線圖。由圖4可以明顯看出，無對噴區(qū)的模型ⅰ氣流跡線圖中，濾筒底部有個相對較小的漩渦，整個腔體內(nèi)產(chǎn)生了很大的渦流，這個渦由模型底部集灰腔處開始，說明，這個除塵器盡管有擋板存在，也使得抽屜式集灰斗內(nèi)產(chǎn)生了渦流，并且由面圖3可知集塵腔內(nèi)的速度在渦流處達(dá)到了3 m/s，這樣一來在集塵腔的灰會被二次揚(yáng)起，使得粉塵的收集困難。

而模型ⅱ中，集塵腔內(nèi)的氣流跡線要少很多，且沒有產(chǎn)生明顯的渦流，這說明，加上對噴腔的除塵器模型中，集塵腔內(nèi)流場更穩(wěn)定一些，更有利于粉塵的收集。在整個中腔體中，氣流跡線基本均勻。

圖4 除塵器腔體氣流跡線圖Fig.4 Air flow trace in collector

3.3 到達(dá)濾筒側(cè)壁面的氣流速度分布

分別取一半模型中兩個濾筒左右兩側(cè)外壁面上的中心線，做出濾筒壁上速度分布曲線如圖5所示。圖a是無對噴腔的普通除塵器模型下的兩個濾筒側(cè)壁的四條速度分布曲線；圖b、c、是加入對噴技術(shù)的模型下的兩個濾筒側(cè)壁的四條速度分布曲線；圖d是取不同對噴距離下的最靠近對噴區(qū)的一側(cè)的濾筒上速度分布曲線。

圖5 氣流到達(dá)濾筒側(cè)壁時的速度曲線Fig.5 Airflow speed curve of the filter side wall

由圖5a模型ⅰ可以看出，無論在2個濾筒的迎風(fēng)面還是背風(fēng)面，在濾筒長度方向上氣流速度分配很不均勻，尤其在濾筒中上部分，氣流的沖刷速度整體較大，只在濾筒中下部，氣流沖刷濾筒的速度要小一些。這說明，在除塵器腔體內(nèi)，濾筒長度方向上，氣流分配不均勻，在沒有對噴區(qū)的原除塵器模型ⅰ中，氣流主要通過濾筒中上部，對濾筒中上部的沖刷較嚴(yán)重，容易造成中上部濾筒的破損、減少濾筒使用壽命。在最靠近進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的濾筒壁上，風(fēng)速達(dá)到了1.6 m/s，其他幾個壁面上的速度呈相同走勢。兩個濾筒壁上靠近進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的壁面上的速度整體都比背向壁面上的速度為0.2～0.4 m/s，這說明，在迎風(fēng)一側(cè)的濾筒壁面上，氣流對濾筒壁的沖刷作用要大。

圖5b模型ⅱ是加了對噴腔的除塵器模型中得出的各濾筒壁面的氣流速度曲線。由圖可以看出，在靠近對噴腔的濾筒的迎風(fēng)壁面上的曲線中，除了在濾筒底部速度較大，達(dá)到了1.2 m/s外，其他幾條速度曲線基本都處于平衡狀態(tài)，即在濾筒長度方向上，氣流速度分配均勻。這說明，在加了對噴腔的除塵器模型中，到達(dá)各個濾筒壁面上的氣流速度均勻，對濾筒整體的沖刷作用相當(dāng)。還可以看出，2個濾筒靠近對噴腔，即靠近含塵氣流進(jìn)來的一側(cè)的濾筒壁面上的速度都整體比背向的一面的速度大，約0.2 m/s。這與無對噴腔時候得出的結(jié)論一致。

圖6b、c模型ⅱ、ⅳ分別是改變對噴區(qū)長度后得出的曲線圖?？梢钥闯?，改變對噴區(qū)長度后無論在哪個對噴長度下，各曲線的走向基本一致。曲線間的速度差值大小相差也基本處于同一水平，在濾筒上部和底部，到達(dá)濾筒壁的氣流速度要稍大一些，這是因?yàn)楫?dāng)氣流通過濾筒時受阻，所以，在濾筒壁面上，氣流速度要小一些。另外，在靠近對噴區(qū)的濾筒中心線上的速度分布較其他幾條曲線變化都要大一些，且濾筒頂部和底部速度也較大。

圖6 氣流到達(dá)濾筒側(cè)壁時的速度曲線Fig.6 Airflow speed curve of the filter side wall

分別取改變對噴區(qū)長度的除塵器模型中的最靠近對噴區(qū)一側(cè)壁面中心線的速度分布曲線，得到圖5 d的曲線圖。由該圖可以看出，當(dāng)對噴距離500 mm時，濾筒頂部和底部的速度變化較大，對噴距離為400 mm時，濾筒頂部和底部的速度變化較小，而對噴距離為300 mm、200 mm相對也較大，但居于500 mm與400 mm之間。而對于濾筒中部，速度分配均勻，基本處于0.4～0.7 m/s之間。這說明，改變對噴區(qū)長度可以改變?yōu)V筒頂部與底部速度大小，使整個濾筒壁面上的速度分布均勻，減小對頂、底部的沖刷。所以得出，對噴區(qū)距離為400 mm時，其濾筒上的速度分布均勻。

3.4 濾筒質(zhì)量流量分配系數(shù)比較

Ki為單個濾筒處理的氣體流量與各濾筒平均處理氣體流量的比值，一般流量的相對偏差不大于±15%則可以認(rèn)為流量分配基本均勻[11]。當(dāng)流量分配不均勻時，Ki會在1.0上下浮動，其值越大，說明該濾筒分配的流量越多；其值越小，說明該濾筒分配的流量越?。▓D7）。

圖7 濾筒流量分配系數(shù)Fig.7 Flow distribution coefficient in filter

表1 氣流分配相對偏差Tab.1 Airflow distribution of relative deviation

圖7中，可以很明顯的看出，無對噴腔的模型ⅰ的2個濾筒的流量分配系數(shù)較大,最大流量分配系數(shù)1.31，最小流量分配系數(shù)0.68，其相對偏差由表1看出為31.352%。比允許相對偏差范圍±15%大的多，說明無對噴腔的模型ⅰ內(nèi)氣流分配不均勻。而加了對噴腔的其它模型的流量分配系數(shù)K值基本都處于1左右，表中的流量系數(shù)分配偏差⊿K都很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于±15%的范圍，氣流分配均勻。

4 結(jié)論

通過對各除塵器模型的模擬，得出在除塵器前端加入除塵效率高、設(shè)備運(yùn)行阻力低的對噴流預(yù)處理措施后，其內(nèi)部流場更穩(wěn)定。相比無對噴腔的除塵器而言，抽屜式集塵腔內(nèi)的流場更加的趨于穩(wěn)定；且含塵氣流到達(dá)濾筒壁面時，速度分配更加均勻，避免了對濾筒中上部的沖刷；對噴距離為400 mm時，效果最好，對濾筒頂部和底部的影響更均衡；加入對噴腔的除塵器計(jì)算結(jié)果中，單個濾筒的流量分配更均勻。

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