復(fù)合濕式除塵器霧化吸附區(qū)除塵性能的研究

摘 要 以復(fù)合濕式除塵器的核心除塵區(qū)——霧化吸附區(qū)為研究對象，采用歐拉-拉格朗日法進行氣-液-固三相流數(shù)值模擬，研究工作參數(shù)對除塵效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：導(dǎo)流板在霧化吸附區(qū)內(nèi)可促使產(chǎn)生多個大小不同的渦流，能有效增加粉塵與液滴的接觸時間和在導(dǎo)流板間的停留時間，增加了粉塵顆粒被導(dǎo)流板及壁面碰撞捕集的概率，在加入噴淋液滴后，除塵效率得到顯著提升;當導(dǎo)流板角度為15°，導(dǎo)流板層數(shù)為6層，含塵氣流流速為6 m/s時，除塵效率最高;粒徑為1.0 μm的顆粒除塵效率大于85%;粒徑在2.5 μm及以上的顆粒除塵效率都大于95%;顆粒粒徑增至10.0 μm及以上時，除塵效率接近于100%;噴嘴壓力對除塵效率的提升作用并不顯著。

關(guān)鍵詞 復(fù)合濕式除塵器 霧化吸附區(qū) 氣-液-固三相流 導(dǎo)流板 除塵效率 數(shù)值模擬

中圖分類號 TQ086.1" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2025）02?0261?07

煤礦開采、金屬拋光、粉體投料等行業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)過程中占據(jù)著越來越重要作用的同時也會產(chǎn)生大量的粉塵。這些粉塵既污染環(huán)境，又對作業(yè)人員的身體健康構(gòu)成極大威脅[1～3]。因此，如何對各種工業(yè)粉塵進行安全有效的脫除已成為當前的研究熱點。與傳統(tǒng)除塵技術(shù)相比，濕式除塵技術(shù)因其能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣及安全可靠等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對濕式除塵技術(shù)開展了大量研究。劉曉燕等討論了液滴速度、液滴直徑和顆粒物粒徑對捕集效率的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒物的捕集效率隨著液滴速度和直徑的增大而增大，并且模擬與實驗結(jié)果吻合[5]。KIM H T等對重力式濕式洗滌器除塵機制進行了深入研究，建立了考慮擴散、截留和碰撞作用的重力式濕式除塵器除灰效率及粒徑分布特征預(yù)測方法[6]。趙海鳴等運用歐拉-拉格朗日法對濕式除塵風(fēng)機內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬研究，分析了粉塵粒度、風(fēng)機轉(zhuǎn)速及液氣比等參數(shù)對濕式除塵風(fēng)機除塵效率的影響，結(jié)果表明，粉塵粒度越大、風(fēng)機轉(zhuǎn)速越高、液氣比越大，除塵效率越高[7]。吳敬宇等對SCC型濕式除塵器的除塵區(qū)域進行了多相流仿真，并通過正交實驗的方法得出了除塵效率最高時導(dǎo)流板的最佳參數(shù)組合[8]。許浩潔等對一種帶有擋板結(jié)構(gòu)的濕式除塵系統(tǒng)進行了研究，分析了不同折流板角度下的渦流流動特征，并探討了入口風(fēng)速、擋板布置角度及粒度等因素對噴霧液滴運動特征的影響[9]。

筆者采用歐拉-拉格朗日法對一種復(fù)合濕式除塵器的霧化吸附區(qū)進行數(shù)值模擬研究，將氣相作為連續(xù)相，粉塵顆粒和液滴作為離散相，同時考慮兩相之間的耦合作用[10]，對霧化吸附區(qū)內(nèi)流場進行分析，并在此基礎(chǔ)上研究導(dǎo)流板角度等工作參數(shù)對霧化吸附區(qū)除塵效率的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

復(fù)合濕式除塵器（圖1）主要由粉塵過濾區(qū)、水幕過濾區(qū)和霧化吸附區(qū)3部分組成[11，12]。其中，霧化吸附區(qū)是復(fù)合濕式除塵器的核心除塵區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)液滴與粉塵顆粒間的相互作用是去除細小粉塵顆粒（PM10、PM2.5）的重要因素，因此，后續(xù)將對霧化吸附區(qū)進行氣-液-固多相流分析，探究該區(qū)域的顆粒物流動特性和除塵效率。

根據(jù)相關(guān)尺寸，對霧化吸附區(qū)建立1∶1的三維幾何模型，具體尺寸如下：

霧化吸附區(qū)高度H 1 500 mm

直徑R 800 mm

入口直徑R 200 mm

出口直徑R 250 mm

導(dǎo)流板夾角θ 20°

導(dǎo)流板高度L 400 mm

相鄰導(dǎo)流板間距L 300 mm

導(dǎo)流板長度L 420 mm

水霧噴頭位于導(dǎo)流板中央，噴淋方向豎直向下，建立計算模型如圖2所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

利用Fluent Meshing軟件對計算區(qū)域進行Polyhedra體網(wǎng)格劃分，在近壁面處及導(dǎo)流板周圍進行加密處理，網(wǎng)格劃分如圖3所示。在數(shù)值模擬計算中，為提高計算效率的同時保證計算的準確性和精度，分別選取網(wǎng)格數(shù)為25萬、60萬、100萬、150萬、180萬、240萬的模型對計算區(qū)域進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，表1顯示了在不同網(wǎng)格數(shù)量時，出口速度和相對誤差的變化情況。由表1可知，出口速度的相對誤差隨網(wǎng)格數(shù)量的增大而降低，當網(wǎng)格數(shù)量增至150萬時，其相對誤差小于0.1%，能夠滿足后續(xù)計算的精度需求，因此，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為150萬。

1.3 數(shù)學(xué)模型

霧化吸附區(qū)內(nèi)流體和顆粒的運動過程是一種典型的氣-液-固三相流，在進行數(shù)值計算時，需對仿真過程提出如下基本假設(shè)和簡化[13]：

a. 將空氣視為不可壓縮流體;

b. 假設(shè)粉塵和液滴為惰性球體;

c. 不考慮液滴的碰撞、破碎、聚并;

d. 不考慮粉塵和液滴間的傳質(zhì)、傳熱。

筆者采用標準k?ε方程，質(zhì)量、動量、能量守恒方程表達式如下[14]：

動量守恒方程

k?ε湍流方程

式中 C、C、C——常數(shù)，分別取1.44、1.92、0.09;

G——湍動能變化率;

g——重力體積力，N·kg;

k——湍動能，m2/s2;

p——流體壓力，Pa;

t——時間，s;

u、u——空氣在不同方向上的速度，m/s;

x、xj——不同方向上的坐標，m;

ρ——空氣密度，kg/m3;

τ——應(yīng)力張量，N/m2;

ε——湍動能耗散率，m2/s3;

μ——空氣動力黏度，Pa·s;

μ——湍流黏性系數(shù)，Pa·s;

σ、σ——常數(shù)，分別取1.3、1.0。

通過對空氣中的粉塵和液滴受力平衡進行積分求解，可以得到其軌跡方程。除重力、曳力外，其他作用力較小，可忽略不計，直角坐標系下的顆粒受力微分方程如下[15]：

式中 C——阻力系數(shù);

D——顆粒直徑，m;

F——曳力，N;

g——重力加速度，m/s2;

Re——相對雷諾數(shù);

u——空氣速度，m/s;

u——顆粒速度，m/s;

ρ——顆粒密度，kg/m3。

1.4 數(shù)值方法及邊界條件

由于RNG k?ε湍流模型能將渦流對湍流造成的影響考慮在內(nèi)，并提高對旋流流動的預(yù)測精度，因此筆者選用RNG k?ε湍流模型[16]。入口條件設(shè)置為速度入口，速度為5 m/s，出口為壓力出口，壁面采用標準無滑移壁面。采用DPM模型對霧化吸附區(qū)的粉塵顆粒和液滴進行描述，同時考慮重力影響，水霧噴頭沿軸線方向豎直向下，采用DPM模型中的壓力旋流噴嘴模型;粉塵顆粒采用面注入方式，其速度方向及大小與連續(xù)相保持一致，并開啟隨機軌道模型。由于液滴與導(dǎo)流板及壁面發(fā)生碰撞后會在其表面形成穩(wěn)定的水膜，能有效地捕獲液滴和粉塵顆粒，因此對導(dǎo)流板和壁面均設(shè)置為捕集（trap）。由于噴淋液滴與含塵氣流呈逆流接觸，會對氣-液兩相流動造成干擾，因此，在數(shù)值模擬中采用連續(xù)相與離散相間耦合的方法，以提高數(shù)值模擬精度，具體離散相參數(shù)如下：

粉塵材質(zhì) 鋁

粒徑 5 μm

粉塵流量 0.01 kg/s

噴嘴壓力 2 MPa

噴嘴角度 60°

噴嘴直徑 2 mm

噴嘴流量 0.01 kg/s

2 霧化吸附區(qū)顆粒流動分析

圖4為含塵氣流進入霧化吸附區(qū)域中的流線圖。由圖4可知，粉塵顆粒進入霧化吸附區(qū)域內(nèi)，由于導(dǎo)流板的剪切、分離作用，粉塵顆粒跟隨氣流在霧化吸附區(qū)域下部以及各導(dǎo)流板間形成多個不同大小的渦流，這些渦流能有效增加粉塵與液滴的接觸時間和在導(dǎo)流板間的停留時間，還增加了粉塵顆粒被導(dǎo)流板及壁面碰撞捕集的概率，從而達到提高除塵效率的效果。

圖5為氣-固兩相流和氣-液-固三相流粉塵顆粒數(shù)目n=20時的運動軌跡。由圖5a可知，粉塵顆粒進入霧化吸附區(qū)域內(nèi)，隨著氣流流動不斷受到導(dǎo)流板和壁面的碰撞和反射，其運動軌跡十分復(fù)雜，粉塵顆粒全部逃逸，導(dǎo)致除塵效率較低。由圖5b可知，在加入噴淋液滴后，大部分粉塵顆粒被導(dǎo)流板上液滴形成的水膜捕獲沉降，20個粉塵顆粒中僅有3個逃逸，除塵效率達到85%，可見，噴淋液滴的加入不但減少了顆粒的逃逸時間，而且極大地提高了除塵效率。

3 工作參數(shù)影響分析

數(shù)值模擬過程中，分別選取粒徑為1.0、2.5、5.0、10.0、15.0、20.0 μm的6種顆粒。每次模擬計算只有一種粒徑的顆粒進入霧化吸附區(qū)進行除塵效率計算，并選取導(dǎo)流板角度、導(dǎo)流板層數(shù)、含塵氣流流速和噴嘴壓力這4個工作參數(shù)（表2），分析其對霧化吸附區(qū)除塵性能的影響。

3.1 導(dǎo)流板角度對除塵效率的影響

不同粒徑顆粒下導(dǎo)流板角度對除塵效率的影響如圖6所示。導(dǎo)流板角度是霧化吸附區(qū)域內(nèi)能否形成不同尺度渦流的主要影響參數(shù)，而渦流尺度的增大可以使霧化吸附區(qū)域內(nèi)氣相湍流強度大幅增加，從而有效促進噴淋液滴和粉塵顆粒間的相互作用。由圖6可見，當導(dǎo)流板角度一定時，隨著顆粒粒徑的增大，除塵效率從80.62%增加到100%，這是因為顆粒粒徑越大，慣性越大，粉塵顆粒與液滴和導(dǎo)流板的碰撞加劇，使得慣性碰撞等的除塵作用增強。當顆粒粒徑一定時，導(dǎo)流板角度在5～15°范圍內(nèi)，隨著導(dǎo)流板角度的增大，除塵效率從85.76%增加到100%;當導(dǎo)流板角度在15～30°范圍內(nèi)，隨著導(dǎo)流板角度的增大，除塵效率從100%降低到80.62%;分析可知，當導(dǎo)流板角度為15°時，霧化吸附區(qū)域內(nèi)渦流尺度最大，氣相湍流強度最高，除塵效率也達到最高。

3.2 導(dǎo)流板層數(shù)對除塵效率的影響

不同粒徑顆粒下導(dǎo)流板層數(shù)對除塵效率的影響如圖7所示。由圖7可見，霧化吸附區(qū)域內(nèi)不同粒徑顆粒的除塵效率均隨著導(dǎo)流板層數(shù)的增加而增加，整體呈現(xiàn)先快速升高后升速變緩的趨勢。導(dǎo)流板層數(shù)從1層增加到6層，顆粒的除塵效率按照粒徑從小到大分別增加了23.33%、28.81%、25.73%、21.95%、16.98%、9.43%，說明導(dǎo)流板層數(shù)的增加對不同粒徑顆粒的除塵效率都有著明顯的提升效果，是較為有效的優(yōu)化方式。

這是因為隨著導(dǎo)流板層數(shù)的增加，其延長含塵氣流在霧化吸附區(qū)內(nèi)部停留時間、改變氣流方向使其產(chǎn)生大量渦流等作用得到了大幅提升，增加了顆粒被碰撞捕集的概率，從而提升了除塵效率。另外，導(dǎo)流板層數(shù)受到霧化吸附區(qū)高度尺寸所限，變化幅度有限，因此，在實際運用中，霧化吸附區(qū)內(nèi)布置6層導(dǎo)流板為最優(yōu)選擇。

3.3 含塵氣流流速對除塵效率的影響

不同粒徑顆粒下含塵氣流流速對除塵效率的影響如圖8所示。由圖8可見，霧化吸附區(qū)域內(nèi)不同粒徑顆粒的除塵效率均隨著含塵氣流流速的增加而增大，當含塵氣流流速大于6 m/s后，除塵效率呈下降趨勢。當含塵氣流流速為6 m/s時，粒徑為1.0 μm的顆粒除塵效率大于85%;粒徑在2.5 μm及以上的顆粒除塵效率都大于95%;當顆粒粒徑增至10.0 μm及以上時，除塵效率接近于100%。這是因為當含塵氣流進入霧化吸附區(qū)后，由于導(dǎo)流板的剪切、分離作用，會形成大量的渦旋，并隨著含塵氣流流速的增加，在霧化吸附區(qū)內(nèi)會形成更大、更多的渦旋，這將加劇粉塵與噴淋液滴之間的接觸，促進粉塵的凝聚和沉降，從而進一步提升除塵效率;然而，當含塵氣流流速達到某一臨界值時，粉塵將在渦旋中旋轉(zhuǎn)，減少了粉塵與噴淋液滴的有效接觸，從而使得除塵效率減小。因此，為了使霧化吸附區(qū)能達到較好的除塵效果，可將含塵氣流流速控制在5～7 m/s的范圍內(nèi)。

3.4 噴嘴壓力對除塵效率的影響

不同粒徑顆粒下噴嘴壓力對除塵效率的影響如圖9所示。由圖9可見，隨著噴嘴壓力的增大，不同粒徑顆粒的除塵效率整體呈現(xiàn)先緩慢上升后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。噴嘴壓力從1 MPa增加到6 MPa，顆粒的除塵效率按照粒徑從小到大僅增加了1.58%、1.65%、1.37%、1.39%、0.86%、0.52%，說明噴嘴壓力的改變對除塵效率的提升效果很小，幾乎沒有影響。

4 結(jié)論

4.1 導(dǎo)流板在霧化吸附區(qū)內(nèi)促使產(chǎn)生了多個大小不同的渦流，能有效增加粉塵與液滴的接觸時間和在導(dǎo)流板間的停留時間，增加了粉塵顆粒被導(dǎo)流板撞擊捕獲的幾率，并且對比加入噴淋液滴前后的顆粒運動軌跡可知，噴淋液滴的加入不但減少了顆粒的逃逸時間，而且極大地提高了除塵效率。

4.2 導(dǎo)流板角度的變化對除塵效率具有顯著影響，當導(dǎo)流板角度為15°時，除塵效率達到最高;增加導(dǎo)流板層數(shù)，除塵效率隨之增加，但由于霧化吸附區(qū)高度尺寸所限，在實際運用中，霧化吸附區(qū)內(nèi)布置6層導(dǎo)流板為最優(yōu)選擇。

4.3 隨著含塵氣流流速的增加，除塵效率先增大后減小，當含塵氣流流速為6 m/s時，除塵效率達到最高;粒徑為1.0 μm的顆粒除塵效率大于85%;粒徑在2.5 μm及以上的顆粒除塵效率都大于95%;顆粒粒徑增至10.0 μm及以上時，除塵效率接近于100%。為了使霧化吸附區(qū)能夠達到較好的除塵效果，可將含塵氣流流速控制在5～7 m/s的范圍內(nèi)。

4.4 隨著噴嘴壓力的增大，除塵效率呈現(xiàn)先緩慢上升后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢，噴嘴壓力對除塵效率的影響并不顯著。

參 考 文 獻

[1] 陳剛，張曉蕾，徐帥，等.我國2005-2020年粉塵爆炸事故統(tǒng)計分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2022，32（8）：76-83.

[2] 劉貞堂，周西方，林松，等.我國工業(yè)粉塵爆炸事故統(tǒng)計及趨勢分析[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（6）：879-882.

[3] 王國棟，楊秀鐵.近年來煤礦瓦斯爆炸事故技術(shù)原因及應(yīng)對措施研究[J].煤礦安全，2018，49（1）：230-232;236.

[4] 蔣仲安.濕式除塵技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999：139-140.

[5] 劉曉燕，亢燕銘，張健.濕式除塵中液滴特性對粒子捕集效率的影響[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2012，31（6）：44-47.

[6] KIM H T，JUNG C H，OH S N，et al.Particle removal efficiency of gravitational wet scrubber considering diffusion，interception，and impaction[J].Environmental Engineering Science，2004，18（2）：125-136.

[7] 趙海鳴，謝信，夏毅敏，等.濕式除塵風(fēng)機三相除塵運行參數(shù)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，48（6）：1505-1512.

[8] 吳敬宇，虞斌，江超，等.SCC型濕式除塵器除塵區(qū)域流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化工機械，2023，50（2）：244-248;255.

[9] 許浩潔，王軍鋒，王東保，等.新型濕法除塵系統(tǒng)內(nèi)氣液兩相流動的數(shù)值模擬[J].化工進展，2020，39（9）：3590-3599.

[10] 葛春亮，蔣楠，劉文櫸，等.脫硫吸收塔深度除塵氣液固三相模擬研究[J].熱力發(fā)電，2021，50（4）：103-108.

[11] 虞斌，吳敬宇，江超，等.一種粉塵中防爆顆粒物的捕集處理裝置：CN217431261U[P].2022-09-16.

[12] 虞斌，吳敬宇，江超，等.一種粉塵中防爆顆粒物的捕集處理裝置及方法：CN202210219840.1[P].2022-06-03.

[13] 李立清，胡薔，黃貴杰，等.環(huán)柵噴淋泡沫塔歐拉-離散相模型三相除塵模擬[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32（5）：68-77.

[14] 楊澤安，王義亮.綜掘工作面濕式除塵條件下塵霧耦合數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2021，52（11）：170-175.

[15] ESTAKHRSAR M H H，RAFEE R.Effects of wavelength and number of bends on the performance of zigzag demisters with drainage channels[J].Applied Mathematical Modelling，2016，40（2）：685-699.

[16] 王遠成，吳文權(quán).基于RNG k?ε湍流模型鈍體繞流的數(shù)值模擬[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2004，26（6）：519-523.