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(jìn)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(dāng)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(xiàn)標(biāo)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(jìn)行安全有效的脫除已成為當(dāng)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(jī)制進(jìn)行了深入研究,建立了考慮擴(kuò)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(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,分析了粉塵粒度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及液氣比等參數(shù)對濕式除塵風(fēng)機(jī)除塵效率的影響,結(jié)果表明,粉塵粒度越大、風(fēng)機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(jìn)行Polyhedra體網(wǎng)格劃分,在近壁面處及導(dǎo)流板周圍進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)k?ε方程,質(zhì)量、動量、能量守恒方程表達(dá)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(biāo),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(jìn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)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(jìn)入霧化吸附區(qū)域中的流線圖。由圖4可知,粉塵顆粒進(jìn)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(dá)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(jìn)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(dá)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(jìn)入霧化吸附區(qū)進(jìn)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(jìn)噴淋液滴和粉塵顆粒間的相互作用。由圖6可見,當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dá)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(dāng)含塵氣流流速大于6 m/s后,除塵效率呈下降趨勢。當(dāng)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(dāng)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(dāng)含塵氣流進(jìn)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(jìn)粉塵的凝聚和沉降,從而進(jìn)一步提升除塵效率;然而,當(dāng)含塵氣流流速達(dá)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(dá)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(dāng)導(dǎo)流板角度為15°時,除塵效率達(dá)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(dāng)含塵氣流流速為6 m/s時,除塵效率達(dá)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(dá)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(xiàn)
[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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(yuǎn)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.