環(huán)柵式動力除塵器分離性能的數(shù)值模擬與實驗

雷 鵬,宋健斐,李 強,魏耀東,孫國剛

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院,北京 102249; 2. 北京航天動力研究所,北京 100076)

水泥、電力、天然氣、運輸?shù)刃袠I(yè)對原料純度及尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)有較高的要求,因此設(shè)置除塵系統(tǒng)對粉塵顆粒物進行收集具有重要的現(xiàn)實意義[1-3]。慣性分離法利用顆粒物在氣流中的慣性作用進行分離[4-7],慣性除塵裝置具有分離性能穩(wěn)定、無耗材等優(yōu)點,一般作為預(yù)除塵裝置或多級串聯(lián)連接在除塵系統(tǒng)中進行高效除塵。環(huán)柵式動力除塵器性能穩(wěn)定,占用空間小,安裝布置方式多樣,運行成本低廉,是一種集多種優(yōu)勢于一身的慣性除塵裝置[8-9],其結(jié)構(gòu)形式與百葉式除塵器相似[10-15],不同點在于環(huán)柵式動力除塵器依靠沿軸向逐漸縮小的環(huán)柵作為擋板實現(xiàn)氣體與顆粒的分離。林楓等[16]采用數(shù)值模擬方法對環(huán)柵式動力除塵器進行了研究,發(fā)現(xiàn)分離效率隨環(huán)柵錐角、環(huán)柵節(jié)距以及顆粒性質(zhì)而變化,然而,影響環(huán)柵式動力除塵器分離性能的結(jié)構(gòu)因素相關(guān)研究文獻也較少。

為了研究環(huán)柵式動力除塵器的分離性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)之間的關(guān)系,本文中首先采用數(shù)值模擬方法研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對除塵器分離性能的影響,優(yōu)化除塵器的結(jié)構(gòu)和尺寸,然后依據(jù)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計除塵器并搭建分離性能測試實驗平臺,考察不同工況參數(shù)下除塵器的分離性能,為環(huán)柵式動力除塵器的工業(yè)設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

環(huán)柵式動力除塵器的工作原理示意圖如圖1所示。由圖可見,除塵器主要由導(dǎo)流錐、筒體、環(huán)柵和排塵管等組成;含塵氣流從導(dǎo)流錐進入除塵器,在主氣流的曳力和自身慣性作用下,大部分顆粒向排塵管運動,少部分隨凈氣流逃逸的顆粒在撞擊環(huán)柵內(nèi)壁后反彈回主氣流中,再次向排塵管運動; 除塵后的凈氣流從環(huán)縫流向環(huán)柵外側(cè),經(jīng)除塵器筒體尾端排出。

圖1 除塵器工作原理示意圖

在建立除塵器的幾何模型時,設(shè)定筒體直徑為150 mm,環(huán)厚為20 mm。采用Gambit軟件對除塵器進行網(wǎng)格劃分,全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后選取網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為14.8萬個。除塵器的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 除塵器網(wǎng)格劃分

1.2 計算模型和邊界條件

由于RNGk-ε湍流模型能夠較好地反映環(huán)柵式動力除塵器內(nèi)部氣相流動情況,而且計算效率較高[17-18],因此選用該模型對氣相流場進行分析。除塵器入口顆粒質(zhì)量濃度設(shè)置為0.2 kg/m3,由于除塵器內(nèi)部空間顆粒相體積分?jǐn)?shù)≤1%,因此選用基于拉格朗日方法的離散相模型(discrete phase model,DPM)描述顆粒相的運動[19-20]。

設(shè)置除塵器入口為速度入口邊界條件,入口氣速為15 m/s,氣相出口為自由出流邊界條件。氣固兩相流中,氣相介質(zhì)為常溫常壓空氣;顆粒相介質(zhì)為滑石粉顆粒,密度2 700 kg/m3,最小粒徑為1 μm,最大粒徑為70 μm,平均粒徑為26 μm,分布系數(shù)為1.66,其粒徑滿足Rosin-Rammler分布。實際氣體流動中,排塵管出口與排氣管出口均有顆粒流出,因此排氣管出口DPM選項設(shè)置為逃逸(escape),排塵管出口設(shè)置為捕集(trap),抽氣流量分?jǐn)?shù)為0。

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

采用單因素法優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù),環(huán)間距分別設(shè)為2、3、5、8、10、15 mm,環(huán)錯位分別設(shè)為1、2、2.5、3 mm,環(huán)高分別設(shè)為3、5、10 mm,環(huán)柵數(shù)量分別設(shè)為20、30、40、50,通過逐項分析環(huán)間距、環(huán)錯位、環(huán)高和環(huán)柵數(shù)量這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對除塵器分離性能的影響,最終確定除塵器的最佳幾何參數(shù)組合。

2 實驗

2.1 性能測試系統(tǒng)

基于數(shù)值模擬優(yōu)化后的除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù),搭建除塵器實驗系統(tǒng),考察工況參數(shù)對環(huán)柵式動力除塵器分離性能的影響。除塵器性能測試實驗系統(tǒng)如圖3所示。由圖可見,實驗系統(tǒng)主要由供風(fēng)系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、喂料機5和除塵器10組成。其中,供風(fēng)系統(tǒng)由引風(fēng)機1、閥門2和過濾器3組成,保證實驗處于負(fù)壓操作條件;抽氣系統(tǒng)由抽風(fēng)機7、過濾器8和集塵器9組成;測量系統(tǒng)由測壓計4和畢托管測速儀6組成。

1—引風(fēng)機; 2—閥門; 3、8—過濾器; 4—測壓計; 5—喂料機; 6—畢托管測速儀; 7—抽風(fēng)機; 9—集塵器; 10—除塵器。

2.2 計算方法

抽氣流量分?jǐn)?shù)φ的計算公式為

(1)

式中:q0為引風(fēng)機的氣流總流量;qe為抽風(fēng)機的氣流流量。

實驗分離效率η的計算方法采用稱重法,計算公式為

(2)

式中:mc為分離捕集到的顆粒質(zhì)量;m0為喂料機投入的顆粒總質(zhì)量。

2.3 材料與工況參數(shù)

實驗采用的粉塵顆粒種類和粒徑分布與模擬的顆粒相同。氣速分別設(shè)為10、12、15 m/s,抽氣流量分?jǐn)?shù)分別設(shè)為0、10%、20%,顆粒質(zhì)量濃度分別設(shè)為0.2、0.5、1、2 kg/m3,分別通過實驗研究3個工況參數(shù)對除塵器分離性能的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣固兩相流場分析

除塵器各部分的氣相速度云圖及局部流線圖如圖4所示。由圖可見,除塵器的前部和中部從環(huán)縫逸出的凈氣流流量較小,環(huán)縫處氣速較低,氣流在環(huán)縫處形成低強度漩渦; 除塵器后部的漩渦主要出現(xiàn)在環(huán)柵頂部,這是由于凈氣流主要從最后幾級環(huán)縫處逸出導(dǎo)致的,凈氣流以較高氣速通過環(huán)縫,最后1級環(huán)縫處氣速最高,為57.88 m/s。

(a)前部 (b)中部 (c)后部

除塵器內(nèi)部的顆粒運動軌跡如圖5所示。由圖可以看出,一些顆粒在與環(huán)柵壁面碰撞后反彈進入主氣流中,跟隨主氣流向顆粒出口運動;顆粒的逃逸發(fā)生在最后2級環(huán)縫處,而且最后1級環(huán)縫處逃逸的顆粒數(shù)量最多;一般逃逸顆粒的粒徑≤22 μm,這是因為顆粒最終依靠慣性作用進入排塵管,粒徑越小的顆粒受到的慣性作用越弱,易被凈氣流裹挾帶出。

圖5 除塵器內(nèi)部顆粒的運動軌跡

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對除塵器分離性能的影響

3.2.1 環(huán)錯位

環(huán)間距為3 mm,環(huán)高為5 mm,環(huán)柵數(shù)量為30,改變環(huán)錯位,環(huán)錯位對分離效率的影響如圖6所示。由圖可見,環(huán)錯位為1、2、3 mm時的分離效率分別為77.47%、74.69%、64.4%,說明隨著環(huán)錯位的增大,除塵器分離效率呈下降趨勢,且下降速率逐漸加劇。由于相鄰環(huán)柵的軸向重合面積隨環(huán)錯位的增大而減小,環(huán)縫處氣流速度梯度增大,凈氣流更易攜帶顆粒流出,因此造成分離效率降低。綜上,環(huán)錯位應(yīng)選為1 mm。

圖6 環(huán)錯位對除塵器分離效率的影響

3.2.2 環(huán)高

環(huán)傾角代表了環(huán)柵傾斜程度,直接影響顆粒撞擊環(huán)柵內(nèi)壁后形成的反彈角度,進而影響除塵器分離性能。本文中設(shè)定環(huán)厚度為定值,此時環(huán)傾角大小隨環(huán)高的增大而增大,因此只需討論環(huán)高對除塵器分離性能的影響即可。

假定環(huán)間距為3 mm,環(huán)錯位為1 mm,環(huán)柵數(shù)量為30時,改變環(huán)高,環(huán)高對除塵器分離性能的影響圖如圖7所示。由圖可見,壓降隨環(huán)高的增大呈上升趨勢,而分離效率曲線呈拋物線狀,在環(huán)高為5 mm時分離效率達(dá)到最大值77.47%,此時環(huán)傾角約為24°。環(huán)高<5 mm時環(huán)傾角過小,導(dǎo)致顆粒撞擊環(huán)柵內(nèi)壁后形成的反彈角較大,顆粒直接在下一級環(huán)縫被凈氣流帶出,而環(huán)高>5 mm時環(huán)傾角過大,顆粒撞擊環(huán)柵內(nèi)壁后形成的反彈角較小,顆粒動量損失嚴(yán)重,在返回主氣流前即被凈氣流裹挾帶出,導(dǎo)致分離效率下降。綜上,環(huán)高應(yīng)選為5 mm。

圖7 環(huán)高對除塵器分離性能的影響

3.2.3 環(huán)柵數(shù)量

假定環(huán)間距為3 mm,環(huán)錯位為1 mm,環(huán)高為5 mm,改變環(huán)柵數(shù)量。環(huán)柵數(shù)量對除塵器分離性能的影響見圖8。由圖可見,壓降隨環(huán)柵數(shù)量的增大而上升;分離效率在環(huán)柵數(shù)量≥30時大幅下降,這是由于環(huán)柵數(shù)量≥30時,環(huán)柵錐頂半徑大幅減小,顆粒在此處運動空間減小,加劇了顆粒與環(huán)柵內(nèi)壁及顆粒間的碰撞,本應(yīng)進入排塵管的顆粒被凈氣流帶出。除塵器筒體軸向長度因環(huán)柵數(shù)量增加而增大,氣流在運動過程中受到的阻力增大,壓降隨之增大,因此,環(huán)柵數(shù)量應(yīng)選為20。

圖8 環(huán)柵數(shù)量對除塵器分離性能的影響

3.2.4 環(huán)間距

假定環(huán)錯位為1 mm,環(huán)高為5 mm,環(huán)柵數(shù)量為20,改變環(huán)間距,環(huán)間距對除塵器分離性能的影響如圖9所示。由圖可見,隨著環(huán)間距的增大,分離效率先緩慢升高再快速降低;環(huán)間距為8 mm時分離效率最高,為79.2%。這是因為,隨著環(huán)間距增大,氣流在環(huán)縫處的速度梯度逐漸減小,凈氣流對顆粒的攜帶能力減弱,分離效率隨之升高;當(dāng)環(huán)間距>8 mm時,各環(huán)縫處逸出的凈氣流流量增大,導(dǎo)致環(huán)柵內(nèi)主氣流流速降低,顆粒受主氣流的軸向曳力減小,顆粒的慣性作用減弱,在最后幾級環(huán)縫處易跟隨凈氣流逃逸,同時,環(huán)間距增大也降低了顆粒與環(huán)柵壁面的撞擊概率,所以分離效率大幅降低。由圖9還可以看到,氣流通過環(huán)縫時壓降隨環(huán)間距的增大而減小;環(huán)間距≥2～10 mm時壓降減小了0.65 kPa,環(huán)間距≥10～15 mm時壓降減小了0.04 kPa,可見環(huán)間距≥10 mm時壓降受環(huán)間距的影響減弱。綜上,除塵器最佳的環(huán)間距應(yīng)為2～8 mm,同時,為避免顆粒從最后幾級環(huán)縫處逃逸,要適當(dāng)縮小最后幾級環(huán)間距。為了兼顧分離效率和壓降,前16個環(huán)間距設(shè)為8 mm,后4個環(huán)間距設(shè)為2 mm。

圖9 環(huán)間距對除塵器分離性能的影響

綜上,環(huán)柵式動力除塵器優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸為:筒體直徑為150 mm,環(huán)厚為20 mm,環(huán)錯位為1 mm,環(huán)高為5 mm,環(huán)柵數(shù)量為20,前16個環(huán)間距為8 mm,后4個環(huán)間距為2 mm。

3.3 工況參數(shù)對除塵器分離性能的影響

3.3.1 氣速與抽氣流量分?jǐn)?shù)

氣速與抽氣流量分?jǐn)?shù)對除塵器壓降的影響如圖10所示。由圖可見,實驗與模擬壓降均著隨抽氣流量分?jǐn)?shù)的增大而減小。這是因為,抽氣流量分?jǐn)?shù)增大時,部分氣流通過顆粒出口流出,從環(huán)縫逸出的凈氣流流量減少,流速降低,阻力損失也隨之降低。抽氣流量分?jǐn)?shù)相同時,實驗與模擬壓降均隨著氣速的增大而增大,這是因為,除塵器內(nèi)的壓力損失主要來自氣流經(jīng)過環(huán)縫時的動能損失,隨著氣速的增大,動能損失增大; 當(dāng)抽氣流量分?jǐn)?shù)為20%,氣速為15 m/s時,壓降的實驗與模擬結(jié)果分別為1.54、1.41 kPa,實驗與模擬所得的壓降差值僅為0.13 kPa。綜上,數(shù)值模擬與實驗的結(jié)果差值較小,數(shù)值模擬方法具有可行性。

圖10 氣速與抽氣流量分?jǐn)?shù)對除塵器壓降影響

氣速與抽氣流量分?jǐn)?shù)對除塵器分離效率的影響如圖11所示。由圖可知,除塵器分離效率隨抽氣流量分?jǐn)?shù)的增大而增大。這是因為,增大抽氣流量分?jǐn)?shù)后,環(huán)柵錐頂處的顆粒持續(xù)受到氣流的軸向曳力作用,同時,凈氣流流量隨抽氣流量分?jǐn)?shù)增大而減小,凈氣流裹挾顆粒逃逸的能力減弱。實驗與模擬的分離效率曲線均隨著氣速的增大而增大,氣速為15 m/s時,抽氣流量分?jǐn)?shù)為0時實驗與模擬分離效率分別為27.75%、62.17%,相差34.42%,抽氣流量分?jǐn)?shù)為20%時實驗與模擬分離效率分別為79.15%、92.28%,相差13.13%,說明實驗與模擬分離效率在抽氣流量分?jǐn)?shù)較大時的差距較小,因此,抽氣流量分?jǐn)?shù)為20%時模擬值更接近實驗值,分離效率最高。

圖11 氣速與抽氣流量分?jǐn)?shù)對除塵器分離效率影響

3.3.2 顆粒質(zhì)量濃度

入口氣速15 m/s,抽氣流量分?jǐn)?shù)為20%時,顆粒質(zhì)量濃度對除塵器分離效率的影響如圖12所示。由圖可知,顆粒質(zhì)量濃度分別為0.2、2 kg/m3時,實驗和模擬分離效率分別為79.15%、77.17%和92.28%、92%,實驗和模擬的分離效率下降值分別為1.98%、0.28%,可見顆粒質(zhì)量濃度的變化對分離效率影響不大,說明環(huán)柵式動力除塵器適用于分離不同濃度粉塵顆粒。

圖12 顆粒質(zhì)量濃度對除塵器分離效率的影響

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對環(huán)柵式動力除塵器分離性能的影響,優(yōu)化除塵器的結(jié)構(gòu)參數(shù),然后依據(jù)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計除塵器,并搭建分離性能測試實驗平臺,研究不同工況參數(shù)對除塵器的分離效率和壓降的影響,確定除塵器的最佳工況參數(shù)。結(jié)論如下:

1)數(shù)值模擬結(jié)果表明,凈氣流以較高氣速通過除塵器后部環(huán)縫,顆粒的逃逸發(fā)生在最后2級環(huán)縫處,最后1級環(huán)縫處最高氣速為57.88 m/s;一般逃逸顆粒的粒徑≤22 μm。

2)環(huán)柵式動力除塵器優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸為:筒體直徑為150 mm,環(huán)厚度為20 mm,環(huán)柵數(shù)量為20,前16個環(huán)間距為8 mm,后4個環(huán)間距為2 mm,環(huán)高為5 mm,環(huán)錯位為1 mm。

3)環(huán)柵式動力除塵器優(yōu)化工況參數(shù)為:抽氣流量分?jǐn)?shù)為20%,氣速為15 m/s。在最優(yōu)工況參數(shù)條件下,分離效率最高,模擬值更接近實驗值。

4)顆粒質(zhì)量濃度的變化對分離效率影響不大,環(huán)柵式動力除塵器適用于分離不同質(zhì)量濃度的粉塵顆粒。

利益沖突聲明(Conflict of Interests)

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(Author’s Contributions)

雷鵬,宋健斐和李強進行了數(shù)值模擬與實驗研究,魏耀東和孫國剛參與了論文的寫作和修改。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The numerical simulation and experimental research was conducted by LEI Peng,SONG Jianfei and LI Qiang.The manuscript was written and revised by WEI Yaodong and SUN Guogang.All authors have read the last version of paper and consented for submission.