濕式除塵風機三相除塵運行參數研究

趙海鳴，謝信，夏毅敏，廖小樂

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濕式除塵風機三相除塵運行參數研究

趙海鳴1, 2，謝信1，夏毅敏1, 2，廖小樂1

(1. 中南大學機電工程學院，湖南長沙，410083；2. 中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙，410083)

針對濕式除塵風機內部氣液固三相流場的特點，在FLUENT中采用歐拉法描述氣相湍流流動，采用拉格朗日法描述粉塵與液滴的運動，同時考慮氣、液、固三相之間的耦合關系，運用Euler/DPM/DPM模型對其內部流場進行數值模擬。將數值計算結果與實驗結果進行比較，驗證該數值模型用于模擬風機三相流場的可行性與準確性，為進一步優化濕式除塵風機提供依據，并在此基礎上研究濕式風機的除塵效率與粉塵粒度、風機轉速及液氣比等參數的相互關系。研究結果表明：粉塵粒度越大、風機轉速越高、液氣比越大，除塵效率越高；當粉塵粒度由15 μm減少到1 μm時，除塵效率從99%降至65%；當風機轉速由1 500 r/min增加到1 700 r/min時，粒度為3~10 μm的顆粒除塵效率可提高3%~5%；提高增大液氣比(0.1~0.4 L/m3)可明顯提高小粒度粉塵顆粒(1~10 μm)的除去效率。

濕式除塵風機；氣液固；三相流；除塵效率；數值模擬

風機作為除塵器的動力源，是除塵系統中必不可少的關鍵設備。傳統的風機僅為除塵系統中的氣流提供動力，不能參與除塵，并且為了減少葉輪的磨損，風機安裝在除塵器的出口位置。濕式除塵器由于具有較好的除塵效果，工業應用廣泛[1]，但其排出的煙氣帶水現象，容易引起風機葉輪黏灰，產生異常振動，而且會嚴重腐蝕風機葉片[2]。而濕式除塵風機由于采用開式的葉輪設計，解決了傳統風機怕水、怕塵的難題，并可直接參與除塵。利用濕式風機除塵是對濕式除塵的一大創新，其具有除塵效率高、壽命長、免維護等突出優點。濕式除塵風機既可單獨用于通風除塵，也可與其他裝置組成復合型除塵器參與除塵。目前，國內外對濕式除塵風機三相流場及運行參數的研究很少，利用數值模擬技術研究該風機三相流場變化規律、除塵影響因素及相互間關系顯得十分必要。濕式風機除塵的過程為氣液固三相湍流流動，其內部各相之間的相互作用、相互耦合關系十分復雜，難以精確描述。近年來，國內外學者提出的三相流動模型有擬均相模型[3]、三流體模型[4]、歐拉?離散相模型[5?7]等，其中擬均相模型和三流體模型能合理象地考慮氣液固三相之間的相互作用，但將固體顆粒視為擬流體，與其分散性的本質特點相違背；歐拉?離散相模型針對氣液固各相流動的特點，采用Euler?Lagrange方法，在Euler坐標系中描述連續相的運動，在Lagrange坐標系中描述離散相的運動，同時考慮離散相與連續相之間的耦合作用，這種模型能夠較好地模擬多相流動，模擬結果與實驗結果基本吻合。本文作者在 FLUENT中將濕式除塵風機內氣體相視為連續相在Euler坐標系下計算其流場，而將粉塵顆粒和液滴視為離散相在Lagrange坐標下描述其運動軌跡，同時考慮顆粒相與連續相間的耦合作用，運用Euler/DPM/DPM模型模擬風機的三相流場。將數值計算結果與實驗測定結果進行對比，驗證模型對濕式風機三相流場計算的可行性與準確性，并在此數值模型的基礎上進一步對濕式除塵風機的運行參數進行分析。

1 物理模型及簡化

濕式除塵風機結構如圖1所示。

濕式除塵風機采用開式的葉輪設計，無前后輪盤，而將葉片直接焊接在輪盤上，故可獲得較高的葉片強度，滿足機械除塵的要求。同時，無前后輪盤的葉輪結構既可以防止泥漿的粘結，又利于在葉片上噴涂耐磨涂層，提高葉片的耐磨性。濕式除塵風機入口處安裝有霧化噴嘴，其將霧化液滴直接噴到葉輪之上，在葉輪上形成一層水膜，同時在葉輪強烈撞擊和擾動的作用下，液滴會進一步霧化、破碎，這使得風機蝸殼內充滿氣溶膠狀的極細液滴，并且由于葉輪離心力作用及液體凝聚，到達蝸殼內壁面形成一層水膜。進入風機的粉塵顆粒中一部分會被高速旋轉的葉片撞擊而被其上黏附的水膜捕集，一部分與蝸殼內的霧化液滴發生慣性碰撞而被捕集，另一部分粉塵顆粒在離心力的作用下甩向蝸殼壁面被水膜捕集。

1—風機入口；2—霧化噴嘴；3—蝸殼；4—葉片；5—葉輪；6—風機出口。

由于濕式除塵風機內部三相除塵過程較復雜，其內部流動包括氣相湍動與輸運、多相流動與液滴蒸發、液體包裹粉塵捕集、粉塵碰壁捕集、液滴的霧化、破碎與凝并等。若對上述過程進行全部模擬，將使數值計算過程極復雜，也不能達到預期效果，特進行如下假設與簡化：1) 氣體相視為不可壓縮的流體；2) 假設粉塵、液滴為惰性球體；3) 不考慮顆粒間的破碎及聚并；4) 不考慮粉塵與液滴之間的傳質與傳熱。

2 數值計算方法

2.1 氣相湍流流動方程

工程上數值模擬計算常用的湍流模型有Standard?模型、RNG?模型、Realizable?模型和RSM模型。其中，Standard?模型采用各向同性假設，對強旋流、強分離流模擬較差，適合初始迭代；RNG?模型與Realizable?模型是Standard?模型的改進模型，可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大流動；RSM模型考慮了各向異性效應，包含更多的物理機理，應用范圍更廣，但由于方程間強耦合性，收斂稍差，且計算量大，對計算機要求高[8]。

該濕式除塵風機內部為復雜的高速旋轉的湍流流場，旋轉效應顯著。Realizable?模型能夠較好地模擬風機的氣動特性[9]，所以，本文采用Realizable?湍流模型對風機的內部流場進行模擬。

Realizable?湍流模型的輸運方程如下[10]：

(1)

式中：為流體密度；x和x為各坐標分量；和σ分別為湍動能和耗散率的湍流普朗特數；G為由平均速度梯度所產生的湍動能；b為由浮力影響所產生的湍動能；M為可壓縮湍動脈動膨脹對總的耗散率的影響；為分子黏性系數；為湍流黏性系數；S和為用戶針對該模型所自定義的源項。

2.2 離散相顆粒運動控制方程

在濕式除塵風機中，粉塵顆粒與液滴的體積均相對于氣體相所占的比例遠小于10%，故對粉塵顆粒與液滴采用離散相模型描述，此模型便于模擬顆粒相的復雜運動軌跡，并且可以免去計算中的偽擴散[11]。

離散相(包括粉塵顆粒、液滴顆粒)的作用力平衡方程在笛卡爾坐標系下(方向)為[12]

式中：F(?p)為顆粒的單位質量曳力，

(4)

為氣相速度；p為顆粒速度；為空氣密度；p為顆粒密度；為空氣動力黏度；p為顆粒直徑；D為阻力系數；為相對雷諾數(顆粒雷諾數)；F為其他作用力，包括附加質量力、輻射力、布朗力等，本文忽略不計。

2.3 離散相與連續相耦合方程

濕式除塵風機內部的粉塵顆粒與液滴會影響氣體相湍流的分布，模擬中要考慮離散相與連續相之間有相互作用，在DPM模型中粉塵顆粒、液滴與氣體相的作用可表示為[13]

式中：為氣相速度(m/s)；p為顆粒速度(m/s)；為流體密度(kg/m3)；p為顆粒密度(kg/m3)；為流體動力黏度(Pa?s)；p為顆粒直徑(m)；C為阻力系數；為相對雷諾數；outher為其他相間作用力；為顆粒質量流率；Δ為時間步長。

2.4 網格劃分及邊界條件

采用Solidworks和ICEM CFD對濕式除塵風機進行建模和網格劃分。為了便于后續實驗對比，風機模型的尺寸與實驗風機的尺寸一致，并帶有與實驗裝置相同的進出口測試管道，風機葉輪直徑為1 000 mm，葉片寬度為220 mm，葉片為徑向出口直葉片、數量為6片。由于濕式風機內部結構及流動狀況復雜，對蝸殼區域和葉輪區域采用四面體網格的Octree網格劃分方法，并對葉輪區域進行網格加密，其他區域采用六面體網格的Block網格劃分方法。通過對網格進行無關性驗證，得到網格模型扭曲度不小于0.38，網格總數約為207萬，網格模型如圖2所示。濕式除塵機實驗裝置示意圖見圖3。

圖2 濕式除塵風機網格模型

邊界條件設為：1) 進口管道為壓力入口邊界條件，湍流強度為3.4%，水力直徑為0.5 m；2) 出口管道滿足出風口邊界條件，通過調整壓力損失系數，以達到節流閥的效果，其湍流強度為3.2%，水力直徑為0.35 m；3) 風機葉輪滿足旋轉壁面邊界條件，其他靜止壁面為無滑移壁面邊界條件；4) 風機入口和出口為內部面，將其設為采樣面，用于在數值計算中采集風機進出口全壓及粉塵濃度，便于與實驗結果進行對比；5) 數值計算所加入的粉塵與液滴顆粒粒度及其分布(顆粒粒度服從Rosin?Rammler分布[14?15])均與實驗條件一致，計算參數如表1所示。

2.5 流場計算

在運用FLUENT流體軟件進行數值計算過程中，先對風機內部單相湍流流場進行求解，控制方程采用realizable?雙方程模型及standard wall function壁面函數；壓力速度耦合采用SIMPLE算法，動量方程采用一階迎風格式，能量方程和湍流耗散方程采用二階迎風格式；葉輪區域設為旋轉區，采用多參考系模型，旋轉區與靜止區通過interface面連接；收斂殘差為10?4。對濕式風機三相除塵進行數值模擬時，先計算風機氣相流場，計算收斂后加入粉塵與液滴顆粒相，交替求解連續相與離散相的控制方程，直至兩者均 收斂。

表1 計算參數

圖3 濕式除塵風機實驗裝置示意圖

3 數值計算實驗驗證

3.1 實驗裝置及方法

風機的性能測試包括氣動特性測試及除塵效率測試，實驗裝置按GB/T 1236—2000“工業通風機?用標準化風道進行性能試驗”[16]及GB/T 15187—2005“濕式除塵器性能測定方法”[17]的規定進行設計，如圖3所示。風機的實驗裝置采用帶有進出口管道的D型試驗裝置，出口管道安裝ISO文丘里噴管用于測定流量，U型壓力計測量不同管道截面處的壓力，末端安裝的節流閥可調節管道的阻力；粉塵濃度儀用于除塵效率測試中測量風機進出口的粉塵濃度，并將實驗中測試點所測數據按標準中給出的方法計算風機的全壓及除塵效率。

3.2 數值計算的可行性驗證

3.2.1 單相湍流數值計算的可行性驗證

當風機運行轉速為額定轉速1 500 r/min時，通過調節風機出口管道處的節流閥改變管道的阻力，從而獲得風機的氣動特性曲線，將實驗結果與模擬結果進行對比，如圖4所示。從圖4可見：所選的流動計算模型能有效預測濕式除塵風機內氣相的流動過程。單相湍流模型對濕式除塵風機內氣相流動過程的準確預測是除塵效率數值計算準確性的基礎。

3.2.2 三相流數值計算的可行性驗證

將相同運行條件下濕式風機除塵效率的計算值與實驗值進行對比，如圖5所示。從圖5可見：仿真計算值偏低，這可能是三相流模型忽略了相間的傳質及顆粒之間的破碎、聚并等情況所致；模擬結果與實驗結果一致，且計算誤差較小，說明基于Euler/DPM/ DPM數值模型用于模擬濕式除塵風機三相流場的可行性與準確性，其可用于進一步研究運行參數對風機除塵效率的影響。

圖4 風機氣動特性模擬結果與實驗結果比較

圖5 除塵效率的模擬結果與實驗結果比較

4 運行參數對除塵效率的影響

4.1 運行參數取值

影響濕式除塵風機除塵效率的運行參數主要有粉塵顆粒粒度、液氣比、風機轉速，因此，分別對這3種運行參數進行數值分析。運行參數如表2所示。

表2 運行參數

4.2 不同粉塵粒度下的除塵效率

圖6所示為在標準運行工況下(風機轉速=1 700 r/min，液氣比=0.2 L/m3)，不同粉塵粒度時的顆粒軌跡圖。

由圖6可知：進入風機內的大、中粒度粉塵顆粒大部分會直接撞到風機葉輪上而被其上的水膜捕集，并最終在葉輪的作用力下甩向蝸殼內壁，小部分會在離心力的作用下直接被甩至風機蝸殼內壁而被捕捉。小粒度顆粒跟隨氣體流動性很強，不容易與風機葉輪及蝸殼壁面發生碰撞，其中一部分顆粒將沿蝸殼方向從風機出口逃逸。隨著顆粒減小，其在風機內的運動軌跡變長，停留時間增加，從風機出口逃逸的數量增多，除塵效率降低。

由圖7可知：大、中粒度的粉塵顆粒(粒度p＞15 μm)除塵效率為100%，在風機內的停留時間極短；粒度小于15 μm的顆粒隨粒度減少，停留時間逐漸增大，除塵效率隨之下降；對于粒度為1 μm的微小顆粒，除塵效率仍可達到65%，可見，濕式風機的除塵效率很高。

4.3 不同轉速下的除塵效率

當液氣比=0.2 L/m3，在不同轉速、不同粉塵粒度時，粉塵顆粒的除去效率見圖8。

從圖8可知：風機轉速增大，除塵效率隨之增大；對于粒度大于15 μm的粉塵顆粒，其除去效率變化緩慢，再增加風機轉速，除去效率變化不大。不同轉速下5 μm粉末顆粒質量濃度分布見圖9。從圖9可知：在風機葉輪的強力擾動及離心力作用下，粉塵顆粒在風機葉片的壓力面及蝸殼附近分布較集中；隨著風機轉速增加，粉塵顆粒所受葉輪的擾動及離心力作用增強，粉塵顆粒在風機葉片壓力面及蝸殼附近的聚集程度增大，更多的粉塵被葉片及蝸殼壁上的水膜捕捉，風機出口粉塵濃度降低，除塵效率增大。而對于大、中粒度顆粒(粒度p＞15 μm)而言，風機轉速1 500 r/min時除去效率達99%，提高風機轉速對除去效率基本沒有影響。對于小粒度顆粒，提高風機轉速可提高其除去效率。但過高的風機轉速易引起除塵設備振動，不利于除塵器安全運行[18]，因此，在實際應用中，應控制風機轉速在適宜的范圍內。

轉速n/(r?min)：(a) 1 500；(b) 1 600；(c) 1 700；(d) 1 800

1—降塵效率；2—停留時間。

轉速n/(r·min)：1—1 500；2—1 600；3—1 700；4—1 800。

轉速n/(r·min)：(a) 1 500；(b) 1 600；(c) 1 700；(d) 1 800

4.4 不同液氣比下的除塵效率

在風機轉速=1 700 r/min，粉塵顆粒粒度不同時時，液氣比與除塵效率的關系見圖10。

液氣比q/(L·m?3)：1—0.1；2—0.2；3—0.3；4—0.4。

由圖10可知：當粉塵粒度由1 μm增加到15 μm時，相同粒度粉塵除去效率隨著液氣比的增加而增加；液氣比的增加可明顯地提高粒度范圍為1~10 μm的顆粒除去效率；當粉塵粒度大于15 μm時，除塵效率趨于平穩，再增加粉塵粒度，除塵效率變化不大。

5 結論

1) 針對濕式除塵風機內部氣液固三相流場的特點，運用Euler/DPM/DPM三相流數值模型模擬濕式除塵風機的三相流場，將仿真結果與實驗結果進行對比，驗證了此數值模型用于模擬風機三相流場的可行性與準確性。

2) 不同粒度的顆粒在風機內除去效率有較大不同：在標準工況下，大、中粒度顆粒(粒度p＞15μm)除去效率基本達到100%；粒度為1~10 μm的顆粒隨粒度的減少，除去效率下降；濕式風機對1 μm微小顆粒除去效率降低到65%。

3) 增加風機轉速，粉塵顆粒除塵效率隨之增加。當風機轉速為1 500 r/min時，對粒度大于15 μm的顆粒除去效率達99%，提高轉速對除去效率基本沒有影響；當風機轉速由1 500 r/min增加到1 700 r/min時，3~10 μm顆粒除塵效率可提高3~5%。

4) 增加液氣比，粉塵顆粒除去效率隨之增加。液氣比的增加可明顯提高粒度為1~10 μm的粉塵顆粒除去效率，而較大粒度的顆粒除去效率改變不大。增加液氣比是提高小粒度顆粒除去效率的重要方法。

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(編輯 陳燦華)

Research on operation parameters of three-phase flow in wet dust collecting fan

ZHAO Haiming1, 2, XIE Xin1, XIA Yimin1, 2, LIAO Xiaole1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083,China;2. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,Central South University, Changsha 410083, China)

Based on the feature of gas-liquid-solid three-phase flow in wet dust collecting fan, the method of Eulerian was used to simulate gas turbulent flow and the method of Lagrange was used to describe the motion of dust and droplet in FLUENT software. Considering the coupling relationship of gas-liquid-solid three-phase, the Euler/DPM/DPM three-phase model was used to simulate the three-phase flow of fan. Through comparing the numerical calculating results with experiment results, the veracity and feasibility of the model were verified to simulate the three-phase flow in wet dust collecting fan, which furtherly provides the basis for optimizing wet dust collecting fan. On this basis,the relationship between the separation efficiency and operation parameters such as the particle sizes, rotating speed and gas-liquid ratio were obtained by the numerical simulation. The results show that the greater the particles sizes and the higher the rotating speed and gas-liquid ratio, the higher the separation efficiency. The separation efficiency decreases from 99% to 65% when particle size decreases from 15 μm to 1 μm. The separation efficiency among the particle size range of 3?10 μm will increase by 3%?5% when the rotating speed increase from 1 500 r/min to 1 700 r/min. Increasing gas-liquid ratio (0.1?0.4 L/m3) can evidently promote the separation efficiency of small diagram dust particle (1?10 μm).

wet dust collecting fan; gas-liquid-solid; three-phase; separation efficiency; numerical simulation

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.013

TH43

A

1672?7207(2017)06?1505?08

2016?07?07；

2016?09?19

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA041801)；國家重點研發計劃項目(2016YFC0209302) (Project(2012AA041801) supported by the National High Technology Research and Development Program(863 Program) of China; Project2016YFC0209302) supported by the National Key Research and Development)

趙海鳴，教授，從事超聲探測、高效除塵技術研究；E-mail：zhm0097@126.com