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(dòng)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(zhǎng)方體抽屜式，減小了除塵器高度。

對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)水平式對(duì)噴流除塵器的數(shù)值模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，得出對(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)于加入對(duì)噴流技術(shù)的小型干式濾筒除塵器，其內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性以及到達(dá)濾筒側(cè)壁的氣流對(duì)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(duì)這些待解決的關(guān)鍵問題，建立幾種數(shù)學(xué)模型，對(duì)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(dòng)，在除塵器中腔體內(nèi)形成對(duì)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(duì)噴區(qū)長(zhǎng)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(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模型，由于該模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，建立一半?yún)^(qū)域即可，建立無對(duì)噴區(qū)的除塵器模型ⅰ以及改變對(duì)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(gè)模型長(zhǎng)×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(duì)噴區(qū)；模型ⅱ對(duì)噴區(qū)長(zhǎng)×寬×高為400 mm×140 mm×140 mm；模型ⅲ對(duì)噴區(qū)長(zhǎng)×寬×高為500 mm×140 mm×140 mm；模型ⅳ對(duì)噴區(qū)長(zhǎng)×寬×高為 300 mm×140 mm×140 mm；模型ⅴ對(duì)噴區(qū)長(zhǎng)×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(gè)環(huán)節(jié)，它對(duì)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(duì)稱，邊界條件設(shè)定結(jié)果如下：對(duì)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(gè)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(duì)噴區(qū)的兩個(gè)除塵器內(nèi)部氣流流場(chǎng)比較

將對(duì)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(duì)含塵氣流運(yùn)動(dòng)情況以及抽屜式集塵腔內(nèi)氣流速度大小等因素對(duì)除塵器腔體流場(chǎng)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(duì)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(duì)噴區(qū)，其對(duì)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(duì)壁面的沖刷作用減小，氣流按照對(duì)噴腔的設(shè)計(jì)流動(dòng)。可以看出，改變模型后，靠近進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的腔體內(nèi)流場(chǎng)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(duì)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(duì)噴區(qū)的模型ⅰ氣流跡線圖中，濾筒底部有個(gè)相對(duì)較小的漩渦，整個(gè)腔體內(nèi)產(chǎn)生了很大的渦流，這個(gè)渦由模型底部集灰腔處開始，說明，這個(gè)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(huì)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(duì)噴腔的除塵器模型中，集塵腔內(nèi)流場(chǎng)更穩(wěn)定一些，更有利于粉塵的收集。在整個(gè)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(gè)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(duì)噴腔的普通除塵器模型下的兩個(gè)濾筒側(cè)壁的四條速度分布曲線；圖b、c、是加入對(duì)噴技術(shù)的模型下的兩個(gè)濾筒側(cè)壁的四條速度分布曲線；圖d是取不同對(duì)噴距離下的最靠近對(duì)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(shí)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(gè)濾筒的迎風(fēng)面還是背風(fēng)面，在濾筒長(zhǎng)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(zhǎng)度方向上，氣流分配不均勻，在沒有對(duì)噴區(qū)的原除塵器模型ⅰ中，氣流主要通過濾筒中上部，對(duì)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(gè)壁面上的速度呈相同走勢(shì)。兩個(gè)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(duì)濾筒壁的沖刷作用要大。

圖5b模型ⅱ是加了對(duì)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(duì)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(zhǎng)度方向上，氣流速度分配均勻。這說明，在加了對(duì)噴腔的除塵器模型中，到達(dá)各個(gè)濾筒壁面上的氣流速度均勻，對(duì)濾筒整體的沖刷作用相當(dāng)。還可以看出，2個(gè)濾筒靠近對(duì)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(duì)噴腔時(shí)候得出的結(jié)論一致。

圖6b、c模型ⅱ、ⅳ分別是改變對(duì)噴區(qū)長(zhǎng)度后得出的曲線圖?？梢钥闯觯淖儗?duì)噴區(qū)長(zhǎng)度后無論在哪個(gè)對(duì)噴長(zhǎng)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(shí)受阻，所以，在濾筒壁面上，氣流速度要小一些。另外，在靠近對(duì)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(shí)的速度曲線Fig.6 Airflow speed curve of the filter side wall

分別取改變對(duì)噴區(qū)長(zhǎng)度的除塵器模型中的最靠近對(duì)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(duì)噴距離500 mm時(shí)，濾筒頂部和底部的速度變化較大，對(duì)噴距離為400 mm時(shí)，濾筒頂部和底部的速度變化較小，而對(duì)噴距離為300 mm、200 mm相對(duì)也較大，但居于500 mm與400 mm之間。而對(duì)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(duì)噴區(qū)長(zhǎng)度可以改變?yōu)V筒頂部與底部速度大小，使整個(gè)濾筒壁面上的速度分布均勻，減小對(duì)頂、底部的沖刷。所以得出，對(duì)噴區(qū)距離為400 mm時(shí)，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(gè)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(duì)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(shí)，Ki會(huì)在1.0上下浮動(dòng)，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(duì)偏差Tab.1 Airflow distribution of relative deviation

圖7中，可以很明顯的看出，無對(duì)噴腔的模型ⅰ的2個(gè)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(duì)偏差由表1看出為31.352%。比允許相對(duì)偏差范圍±15%大的多，說明無對(duì)噴腔的模型ⅰ內(nèi)氣流分配不均勻。而加了對(duì)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(duì)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(duì)噴流預(yù)處理措施后，其內(nèi)部流場(chǎng)更穩(wěn)定。相比無對(duì)噴腔的除塵器而言，抽屜式集塵腔內(nèi)的流場(chǎng)更加的趨于穩(wěn)定；且含塵氣流到達(dá)濾筒壁面時(shí)，速度分配更加均勻，避免了對(duì)濾筒中上部的沖刷；對(duì)噴距離為400 mm時(shí)，效果最好，對(duì)濾筒頂部和底部的影響更均衡；加入對(duì)噴腔的除塵器計(jì)算結(jié)果中，單個(gè)濾筒的流量分配更均勻。

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