基于康達(dá)效應(yīng)的松香粉塵多層過(guò)濾器

崔 悅，劉冰瑾，藍(lán)天茹

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 設(shè)計(jì)背景及意義

為響應(yīng)保綠色環(huán)保、減少排放的號(hào)召，中國(guó)出臺(tái)了最新版的《大氣綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，國(guó)家新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求工業(yè)煙塵排放的質(zhì)量濃度為30 mg/m3以下。松香粉塵作為橡膠生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，其在多個(gè)地方的排放量均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)工作崗位，平均每小時(shí)排放的質(zhì)量濃度為18.6～22.8 mg/m3，超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)空氣粉塵的時(shí)間加權(quán)平均容許質(zhì)量濃度和職業(yè)接觸限值。

松香是生產(chǎn)橡膠和歧化松香酸鉀皂的主要材料，松香的破碎與熔融為裝置的重要工序。在破碎與運(yùn)輸松香過(guò)程中，很容易產(chǎn)生大量松香粉塵，并擴(kuò)散到空氣環(huán)境里。工業(yè)用松香中常含有有毒化合物和一些鉛等重金屬，且氧化后產(chǎn)生的過(guò)氧化物對(duì)空氣環(huán)境和監(jiān)測(cè)工人的健康的毒性較大。因此，松香粉塵超標(biāo)是生產(chǎn)過(guò)程中迫切需要解決的問(wèn)題[1]。

由于施工空間較大，松香粉塵較難收集，傳統(tǒng)的噴淋除塵法和濾筒除塵法均存在易堵塞、成本高等問(wèn)題。因此，擬設(shè)計(jì)一種高效且不易堵塞的多層過(guò)濾裝置，對(duì)松香粉塵進(jìn)行收集處理。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 裝置整體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種基于康達(dá)效應(yīng)的新型防堵塞多層過(guò)濾裝置，裝置主要由粉塵吸收模塊和多層過(guò)濾床除塵模塊2個(gè)模塊組成。

2.2 工作流程

當(dāng)松香被破碎后，會(huì)從下料口下落進(jìn)入收集裝置內(nèi)，在周?chē)L(fēng)力和氣流的作用下會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，這些污染使相關(guān)生產(chǎn)崗位的粉塵質(zhì)量濃度最大值超標(biāo)。因此需要本裝置首先通過(guò)粉塵吸收模塊，利用康達(dá)效應(yīng)將工廠中彌散的松香粉塵進(jìn)行有效收集，進(jìn)而依靠多層過(guò)濾床對(duì)粉塵進(jìn)行分步過(guò)濾處理。

2.3 基于康達(dá)效應(yīng)的粉塵吸收模塊設(shè)計(jì)

粉塵吸收模塊主要包括集塵器、冷卻風(fēng)扇和導(dǎo)流風(fēng)罩等結(jié)構(gòu)。考慮到松香粉塵彌散在工廠內(nèi)部的大氣中，收集難度較大，因此吸收模塊利用康達(dá)效應(yīng)對(duì)其進(jìn)行有效收集。

裝置開(kāi)始供電后，冷卻風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，大氣在冷卻風(fēng)扇與導(dǎo)流風(fēng)罩之間產(chǎn)生一定的負(fù)壓力。經(jīng)過(guò)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，周?chē)兴上惴蹓m顆粒的空氣氣體流速加快，高速射流和周?chē)拇髿饪諝鈱⑵渫葡蚯妗７蹓m氣流由原來(lái)自上而下的垂直方向變?yōu)檠貙?dǎo)流風(fēng)罩弧面的曲線方向，進(jìn)而將高速氣流集中于中部，流入下方多層過(guò)濾床的開(kāi)口處。同時(shí)在開(kāi)口處大氣壓與負(fù)壓的壓力差作用下，裝置中產(chǎn)生氣流，將粉塵氣流吸入，并通過(guò)持續(xù)吸氣防止粉塵溢出[2-3]。

2.4 多層過(guò)濾床除塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

松香粉塵主要產(chǎn)生于加工工藝的破碎流程中，流出的氣體溫度較高，而且粉塵成分中含有松香與少量乳化劑，容易凝結(jié)，因此需要較高的凈化要求。本裝置通過(guò)一種多層過(guò)濾床的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行松香粉塵處理，同時(shí)解決不耐高溫和濾料堵塞問(wèn)題。

2.4.1 多層濾料設(shè)計(jì)

除塵模塊包括自上而下6個(gè)過(guò)濾層，每層過(guò)濾層均由上層濾料、下層濾料及沉降室組成.

模塊工作流程如下：松香粉塵的氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入裝置后，較粗大的粉塵在沉降室中沉降，細(xì)小粉塵先經(jīng)過(guò)粗粒徑的上層濾料進(jìn)行初步除塵，在經(jīng)過(guò)細(xì)粒徑的下層濾料進(jìn)行精除塵。每層過(guò)濾床連接一個(gè)排風(fēng)支管，除塵后的氣體通過(guò)排風(fēng)支管匯集在一起被排放到大氣中。過(guò)濾床進(jìn)行清灰時(shí)，反吹閥門(mén)打開(kāi)，反吹氣流再?gòu)南碌缴辖?jīng)過(guò)布風(fēng)板進(jìn)入濾床，將過(guò)濾時(shí)截留下來(lái)的灰塵反吹到沉降室，進(jìn)行沉降。即使當(dāng)松香粉塵與乳化劑凝結(jié)時(shí)，凝結(jié)成的小顆粒也會(huì)隨灰塵一起落入沉降室沉降。與傳統(tǒng)濾筒除塵裝置相比，在清灰時(shí)不會(huì)產(chǎn)生堵塞和過(guò)濾面積減少等問(wèn)題。

2.4.2 導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

當(dāng)含有粉塵顆粒的氣體進(jìn)入濾床時(shí)，因其含有粒徑較大的粉塵顆粒，進(jìn)入濾床后不易被清出，且當(dāng)反吹氣流不斷地進(jìn)行反吹清灰后，粉塵顆粒易反復(fù)進(jìn)入過(guò)濾床，造成過(guò)濾床負(fù)擔(dān)較重。因此本裝置擬在沉降室入口處加入導(dǎo)流板，改變氣流在過(guò)濾床內(nèi)的流場(chǎng)。加入導(dǎo)板后，通入的高速氣流在進(jìn)入流化床后會(huì)向兩側(cè)產(chǎn)生分流，同時(shí)在導(dǎo)流板開(kāi)口處會(huì)產(chǎn)生渦旋區(qū)域。渦旋區(qū)域的氣流方向變化劇烈，大顆粒粉塵隨渦旋進(jìn)入兩側(cè)的沉降室中。

縮口通道設(shè)計(jì)為從上至下逐步縮小，在縮口處保持較高的氣流速度，采取這種方式可以加大粉塵顆粒在導(dǎo)流板處的慣性分離作用，進(jìn)入過(guò)濾床的粉塵顆粒大量減少，從而提高粉塵顆粒沉降到底部灰斗的沉降效率。

3 可行性分析[4-6]

3.1 反吹氣流可行性分析

本裝置中，在過(guò)濾床除塵模塊加入反吹閥門(mén)的設(shè)計(jì)，通過(guò)控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)進(jìn)而控制反吹氣流的通入進(jìn)行清灰工作。當(dāng)工廠內(nèi)的氣體進(jìn)入過(guò)濾床，松香粉塵沉降在濾料表面時(shí)，應(yīng)計(jì)算出通入的反吹氣體的最小流動(dòng)速度，以保證被濾料表面截獲的粉塵顆粒能夠全部被吹起并落入沉降室中。

設(shè)粉塵顆粒的密度分別為500 kg/m3、1 000 kg/m3、1 500 kg/m3和2 000 kg/m3，通過(guò)斯托克斯公式計(jì)算沉降的速度：

式（1）中：d為顆粒直徑；ρ為顆粒密度；ρ1為氣體密度；g=9.81 m/s；μ為氣體動(dòng)力粘度。

可知，當(dāng)通入反吹氣流進(jìn)行清灰時(shí)，只需要滿足氣流的流速大于其對(duì)應(yīng)的最小反吹流速時(shí)，粉塵顆粒能夠被吹起。

3.2 導(dǎo)流板可行性分析

為了使較大的顆粒直接進(jìn)入沉降室進(jìn)行沉降，不堵塞濾料，造成濾床負(fù)擔(dān)，對(duì)沉降室進(jìn)行優(yōu)化非常有必要。本裝置通過(guò)在沉降室入口處加入導(dǎo)流板能夠?qū)Ω淖儦怏w流場(chǎng)起到輔助作用。為了讓通入的高速氣流在進(jìn)入流化床后向兩側(cè)產(chǎn)生分流，較大顆粒沿導(dǎo)流板方向進(jìn)入沉降室，而降低其進(jìn)入過(guò)濾床的概率。

由于導(dǎo)流板角度對(duì)氣體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡有較大影響，需選取合適角度使顆粒最大概率進(jìn)入底部灰斗。從工程實(shí)際考慮，導(dǎo)流板角度不應(yīng)過(guò)大，也不應(yīng)過(guò)小。當(dāng)導(dǎo)流板角度較大時(shí)，導(dǎo)流板上側(cè)容易積灰；當(dāng)導(dǎo)流板角度較小時(shí)，導(dǎo)流板長(zhǎng)度會(huì)過(guò)長(zhǎng)。

式（2）中：xj為x、y、z方向上的坐標(biāo)，m；ui為氣體在x、y、z方向上的速度，m/s；p為湍流有效壓力，Pa；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)。

可知導(dǎo)流板最佳角度為22°。初步設(shè)計(jì)板厚為5 mm，導(dǎo)流板與垂線夾角為22°，在粉塵顆粒在重力的作用向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，依靠固氣的慣性進(jìn)行分離。通過(guò)軟件對(duì)過(guò)濾床內(nèi)的氣流進(jìn)行仿真分析，可以得出導(dǎo)流板的最優(yōu)深度和流場(chǎng)的變化。

仿真結(jié)果顯示，導(dǎo)流板開(kāi)口處兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生渦旋，且在渦旋區(qū)域的氣流方向變化劇烈，大顆粒粉塵隨渦旋進(jìn)入兩側(cè)的沉降室中。根據(jù)參考數(shù)據(jù)，以其中粒徑為120 μm的粉塵顆粒為例，沉降率從原來(lái)的8.1%提高到了42.6%，說(shuō)明加入導(dǎo)流板后的沉降率明顯提高，改進(jìn)效果較為明顯，因此具有較大的可行性。

3.3 收集模塊可行性分析

根據(jù)伯努利方程，建立以進(jìn)氣口的位置和縫隙出口處的位置為2個(gè)狀態(tài)的方程，可以算出管道中心處的壓力P2：

式（3）中：P1為大氣壓；ρ為空氣密度；α為動(dòng)能修正系數(shù)；g為重力加速度；h1、h2為中心高度；P2為進(jìn)氣口處的大氣壓。

氣流進(jìn)入管道狀態(tài)為湍流，動(dòng)能修正系數(shù)α=1，ρ=1.205 kg/m3，P1=1.01×105，由于高度較小，忽略勢(shì)能因素，可計(jì)算出進(jìn)口處的壓強(qiáng)P2=0.846 14×105Pa，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣口處的壓強(qiáng)明顯小于大氣壓，故可以形成負(fù)壓。

4 節(jié)能減排效益分析

目前橡膠與歧化松香酸鉀皂加工廠中的松香粉塵處理效果較差，僅僅通過(guò)空氣檢測(cè)和讓工作人員佩戴口罩是無(wú)法從根本上解決問(wèn)題的，經(jīng)過(guò)對(duì)工廠中崗位工作環(huán)境的調(diào)查，可知空氣中的粉塵質(zhì)量濃度仍然較高。因此，本裝置首先通過(guò)進(jìn)氣口處的松香粉塵質(zhì)量濃度及吸收模塊中的導(dǎo)流風(fēng)罩引流速率對(duì)吸收效率進(jìn)行計(jì)算?？装搴图瘔m器收塵面積等數(shù)據(jù)，由以下公式計(jì)算可得：

式（4）中：A為含灰量；V為處理粉塵量；S為入口粉塵比表面積；M為粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

噴嘴卷吸率的計(jì)算公式為：

式（5）中：m為射流卷吸周?chē)鷼怏w的質(zhì)量流率；m0為射流的質(zhì)量流率；x為計(jì)算截面距離射流噴嘴的距離；d0為圓形噴嘴射流的直徑；ρ1為周?chē)鷼怏w的密度；ρ0為射流氣體的密度。

通過(guò)計(jì)算可知空氣泵吸入的氣體流速為308 m3/h，根據(jù)多層過(guò)濾床中的濾料面積以及經(jīng)過(guò)導(dǎo)流風(fēng)罩后的氣體流速，利用式（6）—式（8）算出裝置吸塵效率。

式（6）—式（8）中：C1為阻力系數(shù)，m-2；ε為篩分面積百分比；q為滲透率，m2；C2為慣性損失系數(shù)，m-1；d為濾網(wǎng)孔徑，mm。

出氣口的氣體粉塵質(zhì)量濃度大大減小，相比于傳統(tǒng)噴淋式集塵方法，過(guò)濾效率提高43%～45%。故本裝置可產(chǎn)生一定的節(jié)能減排效益。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

應(yīng)用創(chuàng)新：本裝置將過(guò)濾除塵方法進(jìn)行創(chuàng)新，應(yīng)用康達(dá)效應(yīng)進(jìn)行粉塵收集處理，與傳統(tǒng)除松香粉塵方法相比具有更高效率。

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：在集塵器的進(jìn)氣口處加入孔板的設(shè)計(jì)，減小流動(dòng)損失，過(guò)濾床內(nèi)設(shè)計(jì)有反吹閥門(mén)，能夠防止粉塵堵塞，增加了裝置壽命。

結(jié)合創(chuàng)新：將基于康達(dá)效應(yīng)的導(dǎo)流風(fēng)罩多層耐高溫濾料相結(jié)合，提高了粉塵的收集和處理效率。

6 應(yīng)用前景

近年來(lái)，空氣過(guò)濾器市場(chǎng)發(fā)展逐漸全球化，世界范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求更嚴(yán)格。在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展日新月異和環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)的大環(huán)境下，過(guò)濾裝置具有廣闊的市場(chǎng)前景。

本裝置在應(yīng)用康達(dá)效應(yīng)進(jìn)行粉塵收集的基礎(chǔ)上，還加入具有多層濾料和反吹閥門(mén)的過(guò)濾處理裝置，與傳統(tǒng)過(guò)濾裝置相比，具有更加高效、不易堵塞的優(yōu)點(diǎn)，玻璃纖維復(fù)合濾料耐高溫，可延長(zhǎng)裝置的使用壽命。因此，本裝置可應(yīng)用于垃圾焚燒、氣流干燥工藝、食品加工場(chǎng)內(nèi)的空氣凈化等各個(gè)領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。