旋风-滤板一体式除尘器性能优化数值研究_杨宏刚.pdf

102大气污染治理旋风-滤板一体式除尘器性能优化数值研究*杨宏刚姚蕾孟晓静王楠曹莹雪（西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055）摘要为弥补旋风除尘器尤其是大筒径旋风除尘器对微细颗粒除尘效率低的不足，通过在旋风除尘器环形空间内安装金属纤维滤板构造出旋风-滤板一体式除尘器，将离心与过滤两种除尘机理联合以提高微细颗粒的除尘效率。数值模拟研究了旋风-滤板一体式除尘器的滤板宽度 W、高度 h 与个数 N 等因素对其分离性能的影响，在此基础上采用正交试验对金属纤维滤板的几何结构进行参数优化设计。结果表明：滤板参数对除尘效率显著性排序为NhW，滤板参数推荐取值为W=0.05Dc、h=1.5L、N=4，此时一体式除尘器对于 2.5 m 颗粒的分离效率为 80.8%，与旋风除尘器相比分离效率提高 22.9%，并使压降降低 28.8%。关键词旋风除尘器过滤分离效率压降Numerical study on performance optimization of cyclone-filter plate combined dust collectorYANG Honggang YAO Lei MENG Xiaojing WANG Nan CAO Yingxue（College of Resources Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian Shaanxi 710055，China）AbstractTo compensate for the low efficiency of cyclone dust collector，especially the large diameter cyclone dustcollector，a cyclone-filter plate combined dust collector was made by installing metal fiber filter plate in the annularspace of cyclone dust collector.Then the dust removal efficiency for fine particles of which could be effectively im-proved by combiningthe centrifugaland filtrationmechanisms.The influence of thewidth，height and number of metalfiber filter plate on the Separation performance of combined dust collector were investigated through numerical simu-lation.Based on the above influence law，the parameters of geometric structure of metal fiber filter plate were optimi-zed by orthogonal experiment.The results indicate that the significance order of the influence of these parameters onthe efficiency of combined dust collector is NhW.The optimum values of filter plate parameters are W=0.05Dc，h=1.5L，N=4.Under this condition，the separation efficiency for 2.5 m particles of combined dust collector is 80.8%，which is 22.9%higher than that of the cyclone separator，and the pressure drop is 28.8%lower.Key wordscyclone separatorfilterseparation efficiencypressure drop0引言旋风除尘器作为一种常用的气固分离设备之一，具有成本低、结构简单、耐高温等优点，然而，因其仅依靠惯性除尘机理的限制，使其对粒径在 5 m以下的微细颗粒的分离效率较低。为了提高旋风除尘器对微细颗粒的除尘效率，许多学者尝试对旋风除尘器进行优化研究，主要包括以下 3 个方面，即旋风除尘器的结构与尺寸1-2、操作条件3以及在传统旋风除尘器上增加其他分离机理4-11。赵新义等6参照旋风除尘器的结构在普通脉冲袋式除尘器下方设置了外筒体，在外筒体设置切向入口使得进入除尘器的气体在内外筒体间产生旋转，设计出了具有袋式过滤和旋风分离双重作用机理的组合除尘器，在提高除尘效率和简化工艺流程上有明显优势。XIE B 等7在传统旋风除尘器的排气管内增加了一组滤筒，提出了联合滤筒过滤的新型旋风除尘器，并对其性能进行了实验研究，结果表明在入口流量为50m3/h的情况下，新型旋风除尘器对2.5m颗粒的分离效率为99.11%，相比较原普通旋风分离器高出 70.80%，但压降也增加了约 50%。盛成龙等8采用嵌入式结构将布袋通过固定环及支撑杆设置在排气口下方并竖直固定在整个旋风舱内，研究结果表明复合除尘器有效降低了由于气流返混、上灰环、短路流等现象造成的细微尘粒从排气口逃逸的概率，对于5 m以下细微颗粒去除效率达到99%，但由于布袋两侧内外压差大，导致能耗过高，所以在旋风除尘器内添加过滤机理的方式十分重要。MA-SON S9通过实验在微型除尘器的环形空间内添加2023 年第 49 卷第 3 期March 2023*基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFC0705300)。103两种不同的过滤材料，实验研究结果表明对于 1m的颗粒捕集效率最高提高了 41%，同时压降降低了25.7%。RACHAD10采用数值模拟的方法对添加不锈钢滤芯的一体式除尘器内部的速度和压力流场进行了分析，更详细地揭示了一体式除尘器的除尘机理。但由于其研究的一体式除尘器筒径仅 41 mm，无法满足工程对较大处理风量的除尘要求。已有研究表明，通过在旋风除尘器的环形空间内添加滤板的方式能联合旋风、过滤两种除尘机理，进而有效地提高除尘器对微细颗粒的除尘效率。但目前关于在旋风除尘器环形空间内添加滤板的几何尺寸以及滤板数量对于旋风-滤板一体式除尘器性能的影响规律仍不明确，这将不利于旋风-滤板一体式除尘器的实际推广应用。因此，本工作针对大筒径旋风-滤板一体式除尘器，利用数值模拟方法研究了金属纤维滤板宽度 W，高度 h 和个数 N 等 3 个参数对于一体式除尘器除尘性能的影响规律，在此基础上采用正交试验对金属纤维滤板的几何参数进行了优化设计，旨在为旋风-滤板一体式除尘器的优化设计提供参考。1数值模拟1.1模型建立旋风-滤板一体式除尘器是通过在除尘器的环形空间内添加滤板，将除尘机理由惯性离心力转变为联合旋风除尘和过滤除尘双重机理。大颗粒在离心力的作用下被甩向旋风器筒体壁面，借助重力和外涡旋气流轴向速度的作用下落入灰斗被捕集，小颗粒因其受到的离心力较小而倾向于在筒体内由外向内跟随内涡旋逃逸，在筒体内小颗粒由外向内移动过程中被设置于筒体内部环形空间的滤板捕集，从而提高除尘器的除尘效率。图 1 为旋风-滤板一体式除尘器的几何模型，除尘器总高 H 为 872 mm，外筒直径 Dc 为 328 mm，内筒直径 De 为 164 mm，外筒体高 s 为 512 mm，进气口高 a 为 96 mm，宽 b 为 48 mm，排气管插入深度 L为 160 mm，滤板厚度 为 5 mm。研究滤板宽度 W，高度h和个数N三个影响因素对一体式除尘器性能的影响。1.2模拟方法和初始条件旋风-滤板一体式除尘器内具有三维强旋流，鉴于 Realizable k-模型对于较强旋流、分离流和二次流等复杂流动有很好的表现，本次模拟选用 Realizablek-模型来计算，并采用DPM模型求解颗粒运动方程。设置入口速度为 19.9 m/s，处理风量 Q 为 330m3/h，气体密度=1.225 kg/m3，动力黏度=1.7810-5图 1旋风-滤板一体式除尘器模型Pas，设定颗粒相初始速度与气相入口速度相同。气流入口边界条件为入口速度，气流出口边界条件为自由出流边界，压力速度耦合格式为 SIMPLEC，压力离散格式为 PRESTO。滤板材料为金属纤维，将滤板部分设置为多孔介质。为了获得多孔介质的边界条件，根据文献 9 的实测数据，首先将纤维滤板过滤速度与压降的关系拟合成二次多项式形式如式（1）：P=0.875 5V2+3.851 9V（1）式中，P 为压降，Pa；V 为过滤速度，m/s。多孔介质具有有限厚度，通过它的压降是在达西定律的基础上附加内部损失项11，如式（2）：P=(C212V2+V)（2）式中，C2为惯性阻力系数，m-1；为流体动力黏度，Pas；为流体密度，kg/m3；为多孔介质厚度，m；1/为粘性阻力系数，m-2。通过比较式（1）与式（2），得到纤维滤板的惯性阻力系数C2=285m-1和粘性阻力系数1/=4.3107m-2。1.3网格独立性验证采用ICEM对旋风-滤板一体式除尘器进行整体划分，均为六面体结构网格，完成 4 个不同网格数下一体式除尘器内部两相流流场模拟，获取y=0，z=600mm 处静压分布曲线，由图 2 可知当网格数量达到110万时，随着网格数继续增加静压分布已基本保持稳定，所以后期计算选取网格数为 110 万左右。104图 2不同网格数下静压分布曲线（y=0，z=600 mm）1.4模型验证为了确保流场模拟结果的可靠性，对文献 9 中的实验条件下的一体式除尘器进行两相流模拟，并与实验数据进行对比。由图 3 可知，在滤板宽度为 8mm条件下压降值最大降低了 49.9%，与论文中所给实验值压降最大降低52.1%的数据相比较偏差较小。模拟结果与实验值的总体变化趋势基本一致。图 3实验值与模拟值对比2结果与讨论2.1滤板宽度固定滤板的个数为 4，高度为 1.0L，入口速度为19.9 m/s，来研究不同宽度滤板下一体式除尘器的除尘效率影响规律。对于不同宽度滤板下一体式除尘器 15m 粒径的收集效率见图 4，在滤板宽度为0.05Dc、0.10Dc 和 0.15Dc 的情况下，随着粒子直径增大除尘效率明显增加，相比较原旋风除尘器分离效率整体有了提升，1m 颗粒效率提升了 13.4%33.1%，5 m 颗粒效率提升了 2.5%6.5%。而在宽度为 0.20Dc 和 0.25Dc 的情况下，对于 5 m 的颗粒效率相比较原旋风除尘器降低了 8.4%，而且随着颗粒粒径增加，除尘效率变化趋势不明显，此时颗粒被分离主要依赖滤板的过滤作用。图 5 为不同宽度滤板下 z=800 mm 截面切向速度云图，由图可知，旋风-滤板一体式除尘器与旋风除尘器切向速度图一致性良好，添加滤板后一体式除尘器内仍为双涡旋分布，分为外部下涡旋区和内部上涡旋区，且外部分离区速度值较大。在 W=0.05Dc时，对于筒体外涡旋切向速度影响不明显，外涡旋切线速度对粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用，此时离心力对于大颗粒的分离效率影响较小。而对于图 4滤板宽度对一体式除尘器分级效率的影响内涡旋速度有明显降低，内涡旋速度降低能有效避免内涡旋轴上气流速度梯度过大造成的内摩擦损失，从而降低一体式除尘器内部能耗。在 W=0.20Dc 时，由于滤板与旋风筒体壁面距离较小，除尘器内部流场被过度干扰，外侧切向速度大幅降低，同时由于气流紊乱在排气管外壁面处产生涡旋，易引起粉尘逃逸，不利于颗粒的分离。通过模拟可以发现，滤板宽度对除尘效率有一定的影响，当滤板宽度超过0.15Dc 时，会造成一体式除尘器筒体外涡旋切向速度过低进而减弱离心力对于较大颗粒的分离效果。图 5不同滤板宽度下 z=800 mm 截面切向速度图6为旋风除尘器和滤板宽度分别为0.05Dc和0.20Dc 的一体式除尘器在 z=800mm 截面静压分布云图，由图可知，旋风除尘器流场分布均匀稳定，压力分布在入口夹角处最大，轴向上由两端向中间逐渐递减，直到中心轴线处降到最低。宽度为 0.05Dc的一体式除尘器内静压与旋风除尘器变化趋势一致，但与原旋风除尘器相比，筒体外壁面处静压有一定程度降低。在径向上中心到边壁的压强梯度降低，使得各层流体之间的剪切力减小。径向静压梯度的减小使得颗粒在向边壁运动时的运动阻力减小，进而可能使更多的粉尘粒子容易进入下行流区而得到分离12，同时相比较原除尘器总压降降低了 10.9%。0.20Dc宽度下一体式除尘器环形空间内外侧的静压分布无差别，相比原旋风除尘器总压降降低了 59%，此时离心力对于大颗粒的去除效果几乎不起作用。2.2滤板高度固定滤板的个数为 4，宽度为 0.05Dc，入口速度为 19.9m/s，图 7 为不同滤板高度下一体式除尘器对于5 m及以下粒径的分级效率曲线，在高度为0.5L，1.0L 和 1.5L 的情况下，随着粒子直径增大除尘效率明显增加，相比较原旋风除尘器分离效率整体有了105提升，1m 颗粒效率提升 5.4%41.2%，5m 颗粒效率提升6%左右，而在高度为2L和2.5L的情况下，对于 5m 颗粒的除尘效率相比普通除尘器降低10%，4m 颗粒的除尘效率降低 2%3.5%。随着颗粒粒径增加，除尘效率变化趋势不明显。图 6不同滤板宽度下 z=800 mm 截面静压分布图 7滤板高度对一体式除尘器分级效率的影响图 8 所示为不同高度滤板下 y=0，z=400 mm 处切向速度曲线，随着滤板高度增加，切向速度逐渐降低，当高度在1.5L处继续增加时，对外涡旋切向速度几乎无影响，而对内涡旋的速度影响较大。图 9 为0.5L、1.5L 和 2.5L 三种高度下 y=0 截面切向速度云图，通过观察可知，在高度为 2.5L时，筒体内部气流分布极不稳定，这是由于随着滤板插入深度的不断增加，导致一体式除尘器内部内涡旋与外涡旋处于湍流混掺状态，打破了两者之间原有的分离界面，而且锥体下方区域摆尾现象严重，从而影响了除尘器的性能。在高度为 0.5L 时，排气口下方区域仍存在上涡流，并未有效改变原旋风除尘器存在的问题，这是由于在入口处速度梯度过大而产生的，部分气流直接从筒壁流向排气管内壁，导致颗粒逃逸。当高度延长到1.5L时减弱了各速度之间相互作用形成循环流，能有效抑制排气管下方短路流现象。同时滤板可以阻挡部分可能逃逸的粒子，提高了对细颗粒的分离效率。2.3滤板个数固定滤板的宽度为0.05Dc，高度为1.0L，入口速度为 19.9 m/s。图 9 显示了所选取滤板的不同个数及安装方式，将滤板均匀布置在旋风除尘器内部。图10 为不同滤板个数对于 5m 及以下粒径的分离效率曲线，随着粒子直径增大除尘效率明显增加，相比较原旋风除尘器1 m颗粒效率提升了0.4%13.4%，5m 颗粒效率提升了 2.2%6%。当个数增加至 3时，对于 45 m 的颗粒除尘效率已不再发生改变。图 8滤板高度对一体式除尘器切向速度的影响（y=0，z=400 mm）图 9不同滤板个数的安装方式图 10滤板个数对一体式除尘器分级效率的影响图 11 给出了不同滤板个数下z=800mm截面上切向速度分布云图，可以看出，随着滤板个数增加，一体式除尘器筒体外涡旋切向速度逐渐降低，当滤板个数增加至 3 时，切向速度已基本不再变化。对于 3 m以下的小粒径颗粒来说，倾向于在筒体内由外向内运动并跟随内涡旋逃逸，随着滤板分布紧密，对于其捕集效果更佳。通过模拟可知，一体式除尘器除尘效率随着滤板个数增加而增加，当个数增加至 4 时除尘效率不再变化，此时再依靠增加滤板个数来提高效率作用不大。3正交模拟试验本研究通过正交试验的方法获得最优的滤板安装参数组合方案。通过分析模拟结果，得出了滤板安装尺寸及安装数量对于一体式除尘器效率的影响规律，以此为依据在合理范围内选取正交模拟试验方案水平，保证模拟结果的准确性。选择 L9（33）正交表，试验结果以 2.5 m 颗粒除尘效率为评价指标。选取入口速度为 19.9m/s，正交试验因素水平设置见表 1。106图 11不同滤板个数下 z=800 mm 截面切向速度表 1正交试验因素水平设置水平因素宽度 W高度 h个数 N10.05Dc0.5L220.10Dc1.0L330.15Dc1.5L4表 2正交设计方案及结果编号WhNPM2.5去除效率/%111167.5212375.7313267.6421377.1522255.5623162.7731256.5832161.4933378.5k170.367.163.9k265.164.259.9k365.569.677.1R5.25.417.2正交试验方案及结果见表2，通过对比滤板宽度W、滤板高度h以及滤板个数N等 3 个因素的R值，根据极差分析结果，滤板参数对一体式除尘器除尘效率显著性排序为NhW，对于除尘效率而言，k值越大则该水平除尘效果越优，因此，一体式除尘器最优滤板几何结构为W1、h3、N3，即滤板宽度 0.05Dc、高度 1.5L、个数为 4。该工况下相比原旋风除尘器分离效率提高 22.9%，压降降低 28.8%。4结论1）在旋风除尘器内添加滤板后，将除尘机理由惯性离心力转变为联合旋风除尘和过滤除尘双重机理，发现旋风-滤板一体式除尘器对于小粒径颗粒的除尘效率提高更为显著，同时添加滤板会降低内涡旋轴上气流速度梯度，进而降低旋风-滤板一体式除尘器的运行阻力。2）当滤板宽度超过 0.15Dc时，一体式除尘器筒体外涡旋切向速度过低进而减弱离心力对于颗粒的分离效果，导致较大颗粒分离效率降低；当滤板高度超过 1.5L 时，加剧了内、外涡旋间的混掺，造成除尘器内部气流紊乱，使得分离效率降低；多个滤板除尘效果明显优于单个滤板，当滤板的个数增加至 4 时，一体式除尘器的除尘效率将不再发生较大变化。3）正交试验结果表明滤板参数对一体式除尘器除尘效率显著性排序为 NhW，滤板参数推荐取值为 W=0.05Dc、h=1.5L、N=4，此时除尘效果最佳，对于2.5 m的颗粒效率提高 22.9%，同时压降降低 28.8%。参考文献1 李振才，刘雪东，李欣疏，等.直切单双进口旋风分离器流场及颗粒分离特性的数值模拟 J.中国粉体技术，2016，22（4）：13-18.2 刘帅，王建军，郭颖，等.多管直流式旋流分离器的性能实验与结构优化 J.高校化学工程学报，2018，32（5）：1042-1053.3 李晓曼，宋健斐，魏志刚，等.入口颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的实验分析 J.石油学报（石油加工），2015，31（6）：1255-1261.4 郭佳才，刘伟军.电旋风分离器内电晕放电流场的数值模拟 J.轻工机械，2020，38（3）：87-91.5 陈玲玲，赵怡阳，夏旖旎，等.脉冲供电对电旋风除尘性能的影响研究 J.工业安全与环保，2010，36（3）：43-44.6 赵新义，张毅.新型旋风-滤袋复合除尘器的开发应用 J.化工机械，2006（4）：227-229.7 XIE B，LI S H，JINH，et al.Analysis of the performance ofa noveldustcollectorcombining cyclone separatorand car-tridge filter J.Powder Technology，2018，339：695-701.8 盛成龙，夏凤毅，邵敏超，等.智能旋风-布袋复合除尘器设计及应用 J.工业安全与环保，2013，39（12）：61-64.9MASON S，SURAJIT T，PERAPONG T，et al.Perfor-mance of a combined cyclone-filter aerosol collectorJ.Particulate Science and Technology，2011，29（4）：345-355.10 RACHA D，NARATE C，YOSHIO O，et al.Numericalstudy on combined cyclone-filter aerosol collector per-formance J.Particulate Science and Technology，2021，39（1）：52-61.11 PARK S，JOE Y H，SHIM 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