新型内置锥形面除尘滤筒脉冲喷吹再生性能的模拟.pdf

扫码阅读下载孟冬,王飞,许学瑞,等.新型内置锥形面除尘滤筒脉冲喷吹再生性能的模拟J.矿业安全与环保,2023,50(4):123-128.MENG Dong,WANG Fei,XU Xuerui,et al.Simulation of regeneration performance of a new type of built-in conical filter cartridge for dust removal with pulse jetJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(4):123-128.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.04.020新型内置锥形面除尘滤筒脉冲喷吹再生性能的模拟孟 冬1,王 飞1,许学瑞1,史伟静1,朱敬聪1,李建龙2(1.中国安全生产科学研究院,北京 100012;2.南昌大学 资源与环境学院,江西 南昌 330031)摘要:为探究新型内置锥形面除尘滤筒的脉冲喷吹再生性能,利用 ANSYS 软件构建了锥形面滤筒除尘器 CFD 数值模型,考察了喷嘴角度为-3045、喷吹高度为 50750 mm 条件下脉冲喷吹流场特征,分析了脉冲喷吹强度和喷吹均匀性。结果表明,脉冲喷吹过程中,锥形面除尘滤筒内静压自下而上蓄积,滤筒内靠近开口附近存在局部涡旋。从喷吹均匀性角度看,喷嘴角度为 30最有利于促进喷吹气流对上部区域产生清灰作用,提升整体喷吹均匀性;整体喷吹强度则随着喷嘴角度的增大先增后降,喷嘴角度为 3.1对应的喷吹强度最大。喷吹高度对喷吹性能的影响主要在滤筒上部区域,最佳喷吹高度为 550 mm,且在对应条件下进入滤筒的气流最大。关键词:除尘器;内置锥形面滤筒;再生性能;喷嘴角度;数值模拟中图分类号:TD714.3 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0123-06收稿日期:2022-05-18;2022-06-12 修订基金项目:中国安全生产科学研究院基本科研业务费专项资金项目(2021JBKY07)作者简介:孟冬(1988),男,北京人,硕士,工程师,主要从事粉尘防治技术及自动化方面的研究工作。通信作者:朱敬聪(1992),男,河南新乡人,硕士,中级安全 工 程 师,主 要 从 事 安 全 技 术 研 究 工 作。E-mail:3278054957 。Simulation of regeneration performance of a new type of built-in conical filter cartridge for dust removal with pulse jetMENG Dong1,WANG Fei1,XU Xuerui1,SHI Weijing1,ZHU Jingcong1,LI Jianlong2(1.China Academy of Safety Science and Technology,Beijing 100012,China;2.School of Resources&Environment,Nanchang University,Nanchang 330031,China)Abstract:In order to investigate the regeneration performance of a new type of built-in conical filter cartridge for dust removal with pulse jet,a CFD numerical model of conical filter cartridge for dust removal was constructed by using ANSYS software,and the characteristics of the flow field under the condition that the nozzle angle in the range of-30 to 45 and jet distance in the range of 50 mm to 750 mm were investigated.The results show that the static pressure in the conical filter cartridge for dust removal accumulated from the bottom to top during the pulsed-jet cleaning process.A local vortex revealed in the filter near the opening.From the aspect of pulsed-jet uniformity,the appropriate nozzle angle(30 here)is conducive to the direct impact of jet airflow acting on the upper area to form the cleaning effect,which promotes the a more uniform cleaning performance.While the intensity of overall pulsed-jet cleaning increases first and then decreases with the increase of the nozzle angle,with the maximum cleaning intensity corresponding to the angle of 3.1.The influence of the jet distance on the regeneration performance is mainly attribute to the upper part of the filter cartridge.The best jet distance is 550 mm and the airflow goes into the filter cartridge is the largest in the corresponding condition.Keywords:dust collector;built-in conical filter cartridge;regeneration performance;nozzle angle;numerical modeling 煤炭是我国的基础能源,在煤炭开采过程中会产生大量的粉尘,特别是在煤矿井下这类空间受限、生产设备集中的场所,作业过程产生的粉尘浓度远远超过行业标准1-3。粉尘严重威胁着现场作业人321第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023员的身心健康,尤其是呼吸性粉尘可以进入呼吸系统使人罹患尘肺病。据报道,近些年,煤炭行业粉尘职业病例占全国职业病例总数的 80%以上4。同时,煤矿粉尘具有诱发爆炸的风险,威胁人员生命与财产安全。矿用干式过滤除尘技术不耗水、无二次污染、除尘高效,在煤矿应用程度近年大幅提升、推广趋势明显5-6。基于煤矿空间狭小、通风量大、产尘量高的特点,矿用除尘设备的小型化是重要的研究方向。为了使除尘器结构更加紧凑,周福宝等5,7将褶皱式结构的滤筒应用于矿用干式过滤除尘器,研制出净化风量为 160200 m3/min 的 KCG-200D 型干式除尘器,其尺寸为 3.6 m1.3 m1.0 m(长宽高),在煤矿综掘工作面应用效果良好,测试表明,总粉尘和呼吸性粉尘的除尘率分别为 99.990%和99.991%。李慧芳8研究了内部添加锥体结构的新型滤筒,锥形体过滤面增大了单个滤筒的过滤面积,可减小除尘器体积和占地面积,试用时发现,含锥体结构的新型滤筒运行稳定且阻力低,出口排放浓度低于 20 mg/m3。杨燕霞等9研究发现内置锥形的滤筒能增加 20%30%的有效过滤面积,降低滤筒表面的气流流速,并且能够增强有效清灰效率和降低系统的压降。QIU 等10采用数值模拟的方法研究了金锥滤筒的清灰性能,发现锥体高度较低可能会导致清灰效率低下;随着锥体高度的增加,清洁的均匀性得到了改善;整体清灰强度最高可达 34.6 kPa/s。陈强11、苏正通12等采用数值模拟发现,脉冲喷吹清灰的气流在金锥滤筒(即含内锥形的滤筒)和普通滤筒内均是随着喷吹的进行自底部向上蓄积,其中内锥的锥顶有利于对喷吹气流进行导流,改善喷吹的均匀性。关于新型的内置锥形面除尘滤筒的研制已经取得了一定的进展,但对其脉冲喷吹清灰的流场演变规律的研究依然不足,基础喷吹参数(如喷吹高度、喷嘴角度等)对锥形面滤筒的影响尚未见报道。笔者采用数值模拟方法,研究新型锥形面除尘滤筒的脉冲喷吹流场特征,分析喷吹压力的时空分布,考察滤筒壁面压力变化特征,揭示喷嘴的喷吹角度、喷吹高度、滤筒表面尘饼负载量对喷吹性能的影响。研究结论可为新型滤筒除尘器的优化设计提供参考。1 模型构建本次数值模拟所采用的几何模型参考前人研究中的除尘器系统13,如图 1 所示。几何模型中,除尘器箱体截面半径为 541 mm,高度为 2 050 mm,其中过滤室内高度1 100 mm。过滤室内安装有锥形面滤筒,滤筒高度 660 mm,外径 240 mm;滤筒的锥形面直径为 200 mm,且与滤筒齐高;滤筒外壁和锥形面的滤料厚度均为 0.6 mm。喷嘴内径 d 为 25 mm,喷嘴与滤筒开口的距离(也即距离花板的高度)为喷吹距离 h,本研究中选用 50750 mm。图 1 简化后的除尘系统几何模型为了减少计算量,将中心轴对称结构的滤筒简化为二维,并选取竖直截面的一半进行计算。网格采用 ANSYS Meshing 软件进行划分,element 数量约为 2.3 万个。求解选用 ANSYS Fluent 软件,除尘器的顶面和底面设置为压力出口,喷嘴设置为压力入口,除尘器及花板的壁面设置为标准无滑移边界,滤料层设置为层流多孔介质区域,在滤筒未负载尘饼的条件下(所研究滤料的初始过滤阻力为 17.9 Pa)其黏性损失系数设置为 21011 m-2。流场被视为可压缩、非稳态、等温的湍流,选用 Realizable k-湍流模型和压力速度耦合算法。忽略喷吹过程中滤筒的形变并且不考虑气流中粉尘的存在。采用非稳态模拟,喷嘴入口压力采用文献13所用的压力函数,在喷吹高度 250 mm 条件下的模拟发现,模拟结果的滤筒中部壁面压力峰值和文献模型中均约为 2 000 Pa,结果一致。首先在喷吹高度 h=250 mm 条件下,研究喷嘴角度(-3045)对锥形面滤筒脉冲喷吹流场的影响规律,并对比喷吹性能;然后在喷嘴角度为 0条件下,考察喷吹高度(50 750 mm)对喷吹性能的影响。2 结果与分析2.1 喷吹流场特征模拟得到的未负载尘饼的清洁滤料在喷嘴角度421Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月0、喷吹高度 250 mm 条件下脉冲喷吹过程中除尘器内静压力及流线的变化如图 2 所示。注:P1P5 为滤筒内壁相邻 110 mm 的 5 个测点,其中 P1 点距离滤筒顶部 110 mm。图 2 喷吹过程中除尘器内压力云图与流线图 从图 2 可以看出,喷吹气流从喷嘴喷出后,立即对周围空气产生卷吸诱导作用,诱导的气流跟随喷射的气流一起冲击滤筒的内锥面顶部,随后发生扩散(图 2 展示了除尘器竖直截面的一半,由此可推知在实际三维空间中,竖向的喷吹气流撞击滤筒内锥面顶部后会向四周扩散)并进入滤筒内。进入滤筒的气流在滤筒内部由下而上地蓄积,竖向压力梯度较大;在第 0.040 s 左右,滤筒内压力蓄积达到相对稳定,并持续至第 0.200 s。喷吹过程的中间阶段,滤筒内气流蓄积形成相对稳定的压力分布,这种相对稳定是动态平衡的:一方面,源自喷嘴的持续喷射,气流在滤筒内部(由滤筒底部、滤筒外壁面和内锥面形成的)受限空间蓄积,使得压力升高;另一方面,滤筒外壁面和内锥面的滤料为多孔区域,通过滤料的气流随着滤筒内压力的升高而加速泄放,同时,滤筒上部开口也存在部分气流的泄放,并且由此而形成了滤筒开口附近的气流涡旋(从流线可以较为明显看出)。在第 0.230 s 后,滤筒内压力出现明显降低,可认为实现滤筒清灰再生的时间段主要为 0.0400.200 s。而蓄积气流的静压在滤筒的横向(水平方向)则基本保持相等,几乎不存在压力梯度,这与以往报道类似10,12。因此,后续压力测点的布置也仅分布在滤筒的外壁面上。2.2 喷嘴角度对喷吹性能的影响在 2.1 节条件的基础上,进一步研究喷嘴扩散角度对喷吹流场的影响。图 3 为喷嘴角度分别为-30、0和 30条件下,喷吹气流相对稳定时(t=0.040 s)除尘器内的压力云图和流线图。提取 P1P5 测点(测点位于滤筒内壁,位置见图 2)压力随时间的变化情况,如图 4 所示。图 3 喷吹气流稳定时除尘器内压力云图和流线图(a)喷嘴角度为-30521第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023(b)喷嘴角度为 0(c)喷嘴角度为 30图 4 不同喷嘴角度下测点压力随时间的变化曲线由图 3 可以发现,喷嘴角度对脉冲喷吹流场分布的影响主要体现在滤筒开口位置的卷吸上,在喷嘴角度为-30时,滤筒内靠近开口的位置发生了最显著的卷吸,并且在锥顶周围形成明显负压。相比喷嘴角度-30条件,0条件下卷吸作用减弱;当喷嘴角度为 30时,锥顶附近不再显现出负压,结合图 4也可看出,喷嘴角度为 30时,表现为明显的正压。由图 4 可知,滤筒内测点压力在脉冲喷吹过程中,总体保持同步先升高、然后相对稳定、再下降的一致变化规律(除了 P1 测点在喷嘴角度为-30和0时压力为负)。喷嘴角度为-30条件下各测点压力整体略低于 0条件;而喷嘴角度为 30条件下,P1、P2 测点的压力明显更高而 P3 P5 测点压力则更低,也即滤筒内压力的分布相对更均匀。测点的压力峰值一般用于评价该测点区域所受的喷吹强度14-17,而各测点压力峰值的平均值则可表示滤筒整体所受的喷吹强度,并可进一步用变异系数(变异系数为各测点压力峰值的标准差与平均值的比值;变异系数越小则表明压力分布的均匀性越好)表示整体喷吹的均匀性18-19。P1P5 测点压力峰值随喷嘴角度的变化情况如图 5 所示。可以看出,P3P5 测点的压力最大且相近,而 P1 测点压力最小、P2 测点压力居中。在喷嘴角度-3045内,P3P5 测点压力峰值随喷嘴角度的增大先增后降,在喷嘴角度 0时压力最大。而 P1、P2 测点压力在-3015内变化不明显,当喷嘴角度为30时,压力增大明显;当角度增大为45时则开始降低。图 5 测点压力峰值随喷嘴角度的变化曲线分析认为,喷嘴角度较小或为负时(30以下),喷吹气流不会直接冲击到滤筒靠近上部的筒壁;而当喷嘴角度适当(达到 30左右),喷吹的气流可以直接对滤筒中上部区域(测点 P1 P2 的范围)造成冲击,使得该范围内的压力升高。而当喷嘴角度进一步增大(45的条件),气流喷射角度过大,部分气流会偏离滤筒入口并被花板阻挡在外而不能进入滤筒,导致滤筒内蓄积的压力变弱;与喷嘴角度为 30时相比,不仅滤筒上部区域压力降低,滤筒较深部的区域(测点 P1P3 的范围)的压力也下降。喷吹强度和变异系数随喷嘴角度的变化情况如图 6 所示。可以看出,喷吹强度随着喷嘴角度的增加先增高后降低,在 30以上时下降明显。通过对-3045喷嘴角度下喷吹强度值进行拟合后发现,实现最大喷吹强度的喷嘴角度为 3.1,对应的喷吹强度为 1 354 Pa。但 3.1喷嘴角度下喷吹性能(喷吹强度和均匀性)与 0条件下相当,实际为了简化制造工艺,可以直接采用喷嘴角度 0,即直管喷嘴。另外,喷吹的均匀性在喷嘴角度-3015内没有明显变化,当喷嘴角度为 30 45时均匀性则发生了明显提升(变异系数下降)。从改善喷吹的整体均匀性或提高滤筒靠近开口附近区域的清灰效果的角度来看,喷嘴角度则应保持在 30以上。图 6 喷吹强度、变异系数随喷嘴角度的变化曲线621Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月2.3 喷吹高度的影响进一步研究了喷吹高度对锥形面滤筒喷吹性能的影响。喷嘴角度 0时 P1 P5 测点的压力峰值随喷吹高度 50 750 mm 的变化情况,如图 7所示。图 7 滤筒内各测点压力峰值随喷吹高度的变化曲线由图 7 可以看出,喷吹高度对 P3P5 测点压力峰值的影响较微弱,对 P1、P2 测点(即靠近上部开口位置的滤筒内区域)的影响最显著。其中 P1 测点的压力峰值在喷吹高度小于 350 mm 时变化不大,在喷吹高度 350750 mm 条件下快速增加;P2P5 测点的压力峰值随喷吹高度的增加先增高后降低,在喷吹高度 550 mm 出现最大值。这主要是由于较小的喷吹高度下,喷吹气流不易直接冲击滤筒上部区域(P1P2 测点范围),而随着喷吹高度的增加,喷吹射流的扩散断面逐渐覆盖上部区域,使得该区域的压力升高。分析喷吹性能后发现,喷吹强度的变化与 P1、P2 区域压力峰值随高度的变化呈现出明显的一致性而与 P3P5 区域压力峰值的变化差异较大,说明滤筒的喷吹强度主要受滤筒上部区域压力的影响,该区域的压力是制约整体喷吹性能的瓶颈。而喷吹的均匀性也随着各测点压力峰值的接近而得到改善(变异系数随喷吹高度的增大而降低)。在喷吹高度超过 550 mm 后,喷吹强度出现下降。这主要是由于过大的喷吹高度会导致喷射断面超过滤筒开口,致使部分喷吹气流被花板阻挡在滤筒外15。这一原因可通过进入滤筒的气流量得到验证,见表 1。由表 1 可以看出,进入滤筒的气流量随着喷吹高度的增大而增大,对应的卷吸比(进入滤筒的气流量与喷嘴出口气流量的比值)也在喷吹高度 550 mm 时达到最大。表 1 进入滤筒的气流量及卷吸比随喷吹高度的变化情况喷吹高度/mm喷嘴气流量/kg滤筒气流量/kg卷吸比500.0730.1982.721500.0730.1902.612500.0730.1952.673500.0730.2193.014500.0730.2373.265500.0730.2683.676500.0730.2663.647500.0730.2513.43综上所述,本次研究的锥形面滤筒的最佳喷吹高度可认为是 550 mm。然而,此喷吹高度较大(一般喷吹高度设置不超过 250 mm)12,20-21,会明显增大喷吹装置所占据的空间,不利于设备的小型化。若采用相对较小的喷吹高度,如 250 mm,压力峰值和变异系数分别是 1 352 Pa 和 0.59,对应的喷吹强度和喷吹均匀性分别为最佳喷吹高度条件下的71%、19%。实际对喷吹高度的选择,应从这一角度综合考虑尺寸和性能。3 结论1)在脉冲喷吹清灰过程中,锥形面除尘滤筒内静压自下而上蓄积,且滤筒内靠近开口附近存在局部涡旋。在脉冲喷吹的中间阶段,滤筒内形成相对稳定的压力分布,在滤筒长度方向上压力梯度明显,而在滤筒水平方向则几乎不存在压力梯度。2)脉冲喷吹对滤筒的清灰再生性能(喷吹强度和均匀性)受喷嘴角度的影响较为复杂。从喷吹均匀性角度看,适当的喷嘴角度为 30,有利于抑制滤筒上部区域气流涡旋,促进喷吹气流直接冲击上部区域产生清灰作用,从而使得滤筒内压力的空间分布更加均匀;而对于整体喷吹强度而言,最佳喷嘴角度为 3.1,喷吹强度随着喷嘴角度的增大先增后降,角度过大会导致喷吹气流偏离滤筒入口而造成能量损失。3)喷吹高度对锥形面滤筒清灰再生性能的作用主要在于对滤筒上部区域的影响,喷吹强度随喷吹高度的增加先明显上升然后略有下降,喷吹均匀性则持续提升。总体而言,锥形面滤筒的最佳喷吹高度为 550 mm,对应条件下进入滤筒的气流量(含卷吸)也是最大的。参考文献(References):1 程卫民,周刚,陈连军,等.我国煤矿粉尘防治理论与技721第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023术 20 年研究进展及展望J.煤炭科学技术,2020,48(2):1-20.2 李德文,隋金君,刘国庆,等.中国煤矿粉尘危害防治技术现状及发展方向J.矿业安全与环保,2019,46(6):1-7.3 马胜利,张强,龚晓燕.综掘工作面门型风幕控尘除尘系统粉尘防治研究J.矿业安全与环保,2022,49(2):16-20.4 国家卫生健康委员会规划发展与信息化司.2020 年我国卫生健康事业发展统计公报J.中国病毒病杂志,2021,11(5):321-329.5 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