崔 悅，劉冰瑾，藍天茹

（武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 設(shè)計背景及意義

為響應(yīng)保綠色環(huán)保、減少排放的號召，中國出臺了最新版的《大氣綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，國家新環(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，其在多個地方的排放量均超過國家標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)工作崗位，平均每小時排放的質(zhì)量濃度為18.6～22.8 mg/m3，超過現(xiàn)場空氣粉塵的時間加權(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。在破碎與運輸松香過程中，很容易產(chǎn)生大量松香粉塵，并擴散到空氣環(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)生的過氧化物對空氣環(huán)境和監(jiān)測工人的健康的毒性較大。因此，松香粉塵超標(biāo)是生產(chǎn)過程中迫切需要解決的問題[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、成本高等問題。因此，擬設(shè)計一種高效且不易堵塞的多層過濾裝置，對松香粉塵進行收集處理。

2 設(shè)計方案

2.1 裝置整體設(shè)計

本項目設(shè)計了一種基于康達效應(yīng)的新型防堵塞多層過濾裝置，裝置主要由粉塵吸收模塊和多層過濾床除塵模塊2個模塊組成。

2.2 工作流程

當(dāng)松香被破碎后，會從下料口下落進入收集裝置內(nèi)，在周圍風(fēng)力和氣流的作用下會產(chǎn)生大量揚塵，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粉塵吸收模塊，利用康達效應(yīng)將工廠中彌散的松香粉塵進行有效收集，進而依靠多層過濾床對粉塵進行分步過濾處理。

2.3 基于康達效應(yīng)的粉塵吸收模塊設(shè)計

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)?？紤]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效應(yīng)對其進行有效收集。

裝置開始供電后，冷卻風(fēng)扇高速運轉(zhuǎn)，大氣在冷卻風(fēng)扇與導(dǎo)流風(fēng)罩之間產(chǎn)生一定的負壓力。經(jīng)過冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，周圍含有松香粉塵顆粒的空氣氣體流速加快，高速射流和周圍的大氣空氣將其推向曲面。粉塵氣流由原來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，進而將高速氣流集中于中部，流入下方多層過濾床的開口處。同時在開口處大氣壓與負壓的壓力差作用下，裝置中產(chǎn)生氣流，將粉塵氣流吸入，并通過持續(xù)吸氣防止粉塵溢出[2-3]。

2.4 多層過濾床除塵結(jié)構(gòu)設(shè)計

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。本裝置通過一種多層過濾床的設(shè)計來進行松香粉塵處理，同時解決不耐高溫和濾料堵塞問題。

2.4.1 多層濾料設(shè)計

除塵模塊包括自上而下6個過濾層，每層過濾層均由上層濾料、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氣口進入裝置后，較粗大的粉塵在沉降室中沉降，細小粉塵先經(jīng)過粗粒徑的上層濾料進行初步除塵，在經(jīng)過細粒徑的下層濾料進行精除塵。每層過濾床連接一個排風(fēng)支管，除塵后的氣體通過排風(fēng)支管匯集在一起被排放到大氣中。過濾床進行清灰時，反吹閥門打開，反吹氣流再從下到上經(jīng)過布風(fēng)板進入濾床，將過濾時截留下來的灰塵反吹到沉降室，進行沉降。即使當(dāng)松香粉塵與乳化劑凝結(jié)時，凝結(jié)成的小顆粒也會隨灰塵一起落入沉降室沉降。與傳統(tǒng)濾筒除塵裝置相比，在清灰時不會產(chǎn)生堵塞和過濾面積減少等問題。

2.4.2 導(dǎo)流板設(shè)計

當(dāng)含有粉塵顆粒的氣體進入濾床時，因其含有粒徑較大的粉塵顆粒，進入濾床后不易被清出，且當(dāng)反吹氣流不斷地進行反吹清灰后，粉塵顆粒易反復(fù)進入過濾床，造成過濾床負擔(dān)較重。因此本裝置擬在沉降室入口處加入導(dǎo)流板，改變氣流在過濾床內(nèi)的流場。加入導(dǎo)板后，通入的高速氣流在進入流化床后會向兩側(cè)產(chǎn)生分流，同時在導(dǎo)流板開口處會產(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入兩側(cè)的沉降室中。

縮口通道設(shè)計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，進入過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，在過濾床除塵模塊加入反吹閥門的設(shè)計，通過控制閥門的開關(guān)進而控制反吹氣流的通入進行清灰工作。當(dāng)工廠內(nèi)的氣體進入過濾床，松香粉塵沉降在濾料表面時，應(yīng)計算出通入的反吹氣體的最小流動速度，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，通過斯托克斯公式計算沉降的速度：

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為氣體動力粘度。

可知，當(dāng)通入反吹氣流進行清灰時，只需要滿足氣流的流速大于其對應(yīng)的最小反吹流速時，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入沉降室進行沉降，不堵塞濾料，造成濾床負擔(dān)，對沉降室進行優(yōu)化非常有必要。本裝置通過在沉降室入口處加入導(dǎo)流板能夠?qū)Ω淖儦怏w流場起到輔助作用。為了讓通入的高速氣流在進入流化床后向兩側(cè)產(chǎn)生分流，較大顆粒沿導(dǎo)流板方向進入沉降室，而降低其進入過濾床的概率。

由于導(dǎo)流板角度對氣體顆粒的運動軌跡有較大影響，需選取合適角度使顆粒最大概率進入底部灰斗。從工程實際考慮，導(dǎo)流板角度不應(yīng)過大，也不應(yīng)過小。當(dāng)導(dǎo)流板角度較大時，導(dǎo)流板上側(cè)容易積灰；當(dāng)導(dǎo)流板角度較小時，導(dǎo)流板長度會過長。

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為動力粘性系數(shù)。

可知導(dǎo)流板最佳角度為22°。初步設(shè)計板厚為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動的時候，依靠固氣的慣性進行分離。通過軟件對過濾床內(nèi)的氣流進行仿真分析，可以得出導(dǎo)流板的最優(yōu)深度和流場的變化。

仿真結(jié)果顯示，導(dǎo)流板開口處兩側(cè)會產(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，沉降率從原來的8.1%提高到了42.6%，說明加入導(dǎo)流板后的沉降率明顯提高，改進效果較為明顯，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，建立以進氣口的位置和縫隙出口處的位置為2個狀態(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為動能修正系數(shù)；g為重力加速度；h1、h2為中心高度；P2為進氣口處的大氣壓。

氣流進入管道狀態(tài)為湍流，動能修正系數(shù)α=1，ρ=1.205 kg/m3，P1=1.01×105，由于高度較小，忽略勢能因素，可計算出進口處的壓強P2=0.846 14×105Pa，可以發(fā)現(xiàn)進氣口處的壓強明顯小于大氣壓，故可以形成負壓。

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，僅僅通過空氣檢測和讓工作人員佩戴口罩是無法從根本上解決問題的，經(jīng)過對工廠中崗位工作環(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，本裝置首先通過進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)罩引流速率對吸收效率進行計算?？装搴图瘔m器收塵面積等數(shù)據(jù)，由以下公式計算可得：

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)。

噴嘴卷吸率的計算公式為：

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

通過計算可知空氣泵吸入的氣體流速為308 m3/h，根據(jù)多層過濾床中的濾料面積以及經(jīng)過導(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

應(yīng)用創(chuàng)新：本裝置將過濾除塵方法進行創(chuàng)新，應(yīng)用康達效應(yīng)進行粉塵收集處理，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：在集塵器的進氣口處加入孔板的設(shè)計，減小流動損失，過濾床內(nèi)設(shè)計有反吹閥門，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，空氣過濾器市場發(fā)展逐漸全球化，世界范圍內(nèi)對環(huán)境保護的要求更嚴(yán)格。在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展日新月異和環(huán)保意識逐漸增強的大環(huán)境下，過濾裝置具有廣闊的市場前景。

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