吸塵車除塵系統設計研究

劉洋，周新文，雷波，董磊磊，陳海龍

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

前言

吸塵車是在掃路車中發展而來，俗稱干式掃路車，與傳統濕式掃路車以及洗掃車等車型的區別是，它是無水作業，采用負壓純吸或者吹吸結合的吸塵原理，利用氣流運動將路面的粉塵和垃圾收集到垃圾箱內，粉塵經過濾筒過濾后，潔凈的空氣排放到大氣中。它包括有純吸式、吹吸式、掃吸式三種類型，純吸式是無盤刷，僅靠吸嘴作業的吸塵車；吹吸式是根據循環空氣原理清潔路面的吸塵車，它將風機排風口的一部分空氣通過吸嘴的吹嘴吹向路面，將路面垃圾送到吸嘴的吸風口，垃圾進入垃圾箱內，而過濾后的空氣又進入風機從排風口排出，部分空氣又進入吸嘴的吹嘴吹向路面，形成空氣循環利用。掃吸式是在吸嘴前端增加盤刷，盤刷處有小吸管，將盤刷作業時產生的粉塵回收。盤刷的作用是有效回收路緣處的垃圾，彌補吸嘴無法緊貼路緣作業的不足。比較濕式掃路車，吸塵車的優點是利用濾筒除塵，過濾精度可以達到PM10，甚至PM2.5以上，無二次揚塵；以吸為主，路面作業潔凈度高；并且無需灑水作業，可以在北方寒冷的冬季和廣大缺水的地區使用。缺點是如果除塵系統除塵效果差，濾筒很快就會堵塞，影響作業效果；同時，如果路面有大量積水，比如灑水車灑過路面，易造成灰塵與水分結合板結，堵塞濾筒上細孔，導致濾筒失效。所以除塵系統是吸塵車設計的關鍵系統之一，是十分重要的。為此，本文提供一種吸塵車除塵系統的設計思路。

1 除塵系統研究

目前市場上吸塵車除塵系統大多采用重力除塵、慣性除塵、旋風離心除塵和脈沖濾筒除塵等除塵技術。下面就除塵系統介紹如下：

1.1 重力除塵

掃路車作業時，氣流將路面的垃圾和粉塵，通過吸嘴和風筒帶入到垃圾箱體內，由于箱體容積的突然增大，氣流速度急劇下降，密度較大的顆粒在重力作用下，直接落入垃圾箱底部，這就是重力除塵；同時直徑較大的輕飄物，如樹葉、紙屑、塑料袋等則會被垃圾箱頂部的濾網阻擋，只有直徑較小的粉塵顆粒通過濾網進入慣性除塵裝置內，這就是第一級除塵系統。為了防止垃圾箱內部氣流過高，導致垃圾箱內的粉塵被氣流卷起帶入下一級除塵箱內，就要保證內部氣流流速為2m/S以下，這樣重力除塵的效果才能明顯。

1.2 慣性除塵

慣性除塵是指在除塵室內設置各種形式的擋板，含塵氣流沖擊在擋板上，氣流方向發生急劇轉變，借助塵粒本身的慣性力作用，使其與氣流分離應用。當氣體在慣性除塵裝置內的氣流流速為 10m/S以下時，壓力損失控制范圍一般為100～1500Pa之間，特別適用于凈化粒徑大于10～20μm的干燥粉塵，除塵效率為50%～70%之間。

1.3 旋風離心除塵

旋風除塵是指含塵氣體從入口導入除塵裝置的外殼和排氣管之間，形成旋轉向下的外旋流。懸浮于外旋流的粉塵在離心力的作用下移向器壁，并隨外旋流轉到除塵裝置下部，由排塵孔排出。凈化后的氣體形成上升的內旋流并經過排氣管排出。考慮旋風除塵器的除塵效果和經濟性，進風口的氣流速度控制在12～20 m/s之間，旋風除塵器壓力損失控制范圍一般為500～2000Pa之間，旋風除塵適用于凈化粒徑大于5～15μm的干燥粉塵，除塵效率可以達到80%以上。

1.4 脈沖濾筒除塵

濾筒是由一定長度挺括的濾料折疊成褶，首尾粘合而成的星形過濾筒，過濾材料采用覆膜處理聚酯纖維，覆膜材料為PTFE，具有防水、防油、阻燃等特點。濾筒無籠骨，安裝簡便，濾筒的安裝方式有三種：垂直、傾斜、水平安裝。濾筒垂直安裝，脈沖清灰時，粉塵易清落沉降至灰斗，效果好。傾斜安裝時，濾筒上下相疊，結構緊湊，占地面積小，便于換筒，但清灰時，上層濾筒清落的粉塵沉落于下層濾筒上，難以清除。水平安裝，下層濾筒上部的粉塵更難清除，所以濾筒一般采用垂直安裝。濾筒的過濾精度可以達到 0.1-1μ m，當濾筒入口含塵濃度在大于 15g/m3時，過濾風速不應大于 0.3～1m/min，濾筒除塵阻力的上限應維持在 1000～2000Pa范圍內。粉塵穿過濾筒后凈化的空氣經風機排出，粉塵顆粒(直徑0.1～50μm)被吸附在濾筒表面；當濾筒運行阻力達到一定壓力時，脈沖閥開啟，壓縮空氣(P=0.5～0.6Mpa)從噴嘴經過文氏管吹射入濾筒內部，使粉塵在瞬間高壓氣流作用下脫落，達到脈沖除塵的目的。最后，濾筒的過濾效率應大于99.9%。

1.5 總結

吸塵車經過這幾級過濾除塵之后，從風機口排出的粉塵顆粒小于 PM1.0，避免了傳統濕式掃路車作業時的二次揚塵污染。但是在吸塵車整車布置時，慣性除塵和離心除塵由于安裝空間和使用成本以及除粉塵顆粒相近等原因，在吸塵車上一般只保留一種，在我們開發的吸塵車上我們保留了結構更為簡單和緊湊的慣性除塵。

2 吸塵車除塵系統布置

如圖1所示，吸塵車作業時，氣流將粉塵和垃圾從吸嘴通過風筒進入垃圾箱內，由于氣流速度急劇下降，大顆粒的粉塵和垃圾都將在垃圾箱內沉降到箱體底部。氣流帶動小顆粒粉塵，通過濾網從干濕轉換門進入下一個慣性除塵箱。如果是雨、雪天作業，或者地面殘留有灑水車作業后的大量積水，干濕轉換門可以切換到濕風道箱，氣流通過濕風道箱直接從風機的排風口中排出，這樣避免含有大量水汽的氣流，板結濾筒上的灰塵，堵塞濾筒。實現全天候作業。慣性除塵箱內部布置有慣性M流道，大顆粒的粉塵與慣性M流道擋板沖擊后與氣流分離，落入除塵箱底部。顆粒更小的粉塵隨氣流進入濾筒除塵箱。濾筒是垂直安裝，并選擇過濾精度達到1μm的覆膜處理聚酯纖維濾筒，能夠有一定的防水、防油、阻燃等特點。脈沖除塵裝置由空壓機、過濾器、大氣罐、安全閥、氣管路、調壓閥、負壓傳感器、脈沖閥、噴嘴等組成。為了保證除塵效果，脈沖閥與濾筒是一一對應；除塵過程由PLC可編程控制器自動控制，吸塵車作業時，設定每過一段時間，脈沖閥自動啟動，每次開啟一組，每組之間間隔3～5秒。并且在濾筒灰塵太多，導致阻力過大時，負壓傳感器顯示負壓達到預警值時，可以手動啟動脈沖閥除塵。從濾筒除塵箱出來的氣流從風機排風口排出，排放達到PM1.0以下，實現作業時無二次揚塵，潔凈環保。

圖1 吸塵車布置圖

3 吸塵車除塵系統設計

3.1 吸嘴

3.1.1 吸嘴處顆粒的啟動速度

為了滿足吸塵車將路面垃圾吸取的能力，按照掃路車行業標準要求，吸嘴能夠吸入顆粒直徑大于或等于30mm，密度在2000kg/m3的石塊或磚塊顆粒。為了保證能夠吸入上述條件的顆粒，則必須在氣流的作用下，將路面的顆粒帶動到吸口處，即路面顆粒產生運動的最小啟動速度。參考文獻1有如下公式：

其中，U為最小啟動速度m/s，μ為顆粒與地面的摩擦系數，CD為總的阻力系數，CL為升力系數，ρs為顆粒的密度kg/m3,ρ為空氣的密度kg/m3，V為顆粒的體積m3，A為顆粒的迎風面積m2，g為重力加速度m/s2，帶入參數可得：

U=24.77m/s，所以吸嘴內部腔體的平均氣流速度不得小于24.77m/s，為了方便計算取U=25m/s。

3.1.2 風管處顆粒的懸浮速度

為了將吸嘴內的顆粒從風管吸入垃圾箱內，氣流速度需要提供大于顆粒的懸浮速度，計算直徑30mm，密度2000kg/m3的石子的懸浮速度，參考文獻2有如下公式：

帶入已知參數可得：

顆粒的懸浮速度v=38.45m/s。

所以風筒內的氣流速度不得低于38.45m/s，為了方便計算取v=40m/s。

3.2 風機參數確定

3.2.1 風量

參考文獻1風筒內的最小風量公式：

其中風筒及風道管路系統漏風附加系數K1=1.1，垃圾箱漏風系數K2=1.15，A1風筒內徑截面積m2；帶入參數可得：

風機的風量Q1=10682m3/h

3.2.2 全風壓

離心風機的全風壓由網管總阻力與排氣動壓損失組成。下面就各個部分的壓力損失。

3.2.2.1 吸嘴內壓力損失

ξ1為局部阻力系數，取1.2，帶入參數得：

P1=450Pa

3.2.2.2 吸嘴吸口處壓力損失

ξ2為局部阻力系數，取0.4，帶入參數得：

P2=384Pa

3.2.2.3 風筒處壓力損失

ξ3為局部阻力系數，取0.3，帶入參數得：

P3=290Pa

3.2.2.4 多種除塵形式壓力損失

吸塵車多種除塵形式下的壓力損失，參考文獻1見下表：

表1 多種除塵形式下的壓力損失

這里取各種除塵形式壓力損失最大值，即有3650Pa。

3.2.2.5 出風口動壓損失

根據出風口面積可以求得出風口排氣風速v1=30.5m/s，可得：

P4=560Pa

綜上分析吸塵車系統阻力合計即全風壓：Pa= k3×5334

k3為管路系統阻力的附加系數取 1.15～1.2，這里取1.2；

Pa=6401Pa，即吸塵車全風壓為6401Pa。

3.2.3 風機實際參數確定

風機實際選型中我們對風機的風量和全風壓進行了修正，安全系數分別選擇1.3～1.5。

風機作業時的最終參數是：Q1=14000 m3/h，Pa=10000Pa。

3.3 重力除塵

攜帶大量粉塵和垃圾的高速氣流進入垃圾箱后，由于體積突然變大，導致氣流速度急劇變小，這樣大顆粒的粉塵和垃圾由于重力作用，自然沉降到垃圾箱底部。下表是不同顆粒物在堆積后的再飛揚所需氣流速度：

表2 不同顆粒物在堆積后的再飛揚所需氣流速度

圖2 垃圾箱氣流分析

由表2可知，當垃圾箱內的氣流降到3m/s及以下時，沉降在垃圾箱內的粉塵不會被氣流帶起，造成重力除塵失效。所以垃圾箱體設計時，應充分考慮結構尺寸對氣流的影響；通過CFD分析，見圖2所示。垃圾箱體內的平均氣流基本滿足條件。

3.4 慣性除塵

氣流從垃圾箱進入慣性除塵箱后，與慣性除塵箱的擋板發生碰撞，導致大顆粒的粉塵因為慣性與氣流分離，氣流流速為10m/S以下時，除塵效果較好。經過設計分析，我們首創已獲得專利授權的慣性M流道除塵裝置，如圖3所示。經過CFD分析，除塵效果良好。

圖3 慣性M流道除塵裝置

3.5 脈沖濾筒除塵

濾筒除塵箱內濾筒的數量是由風機的作業風量和過濾風速以及單個濾筒的有效過濾面積確定的。為了保證過濾效果，這里過濾風速設定為1m/min。

確定濾筒的數量后就可以確定氣罐的有效容積以及空壓機的參數；脈沖閥作業壓力0.4～0.6MPa，按照文獻3可知：脈沖閥的噴吹壓力為0.6MPa，脈沖寬度為0.08s，采用喉徑為φ16mm的誘導噴嘴，噴吹距離60mm時，清灰效果好。

4 結論

本文通過研究、計算和CFD仿真分析，介紹了吸塵車的重力、慣性、濾筒脈沖除塵系統的結構特點，以及設計研究思路。按照以上設計要求制作的吸塵車，目前使用良好。該車型設有干濕轉換裝置，能夠實現全天候作業。風機排風口經過檢測，平均顆粒物濃度為 28mg/m3，遠低于國標《大氣污染物綜合排放標準》里面規定不超過150mg/m3的要求，為國家的環保事業做出了貢獻。

[1] 王翔.城市道路吸掃車吸塵系統的結構設計和流場分析.武漢理工大學[D].2013.

[2] 徐慧超.新型吸掃車設計與仿真.山東農業大學[D].2015.

[3] 張情,陳海焱等.誘導噴嘴改進濾筒脈沖清灰效果的實驗研究[J].環境工程,2012（1）.

[4] 鄒平,高隆炳等. QCT 51-2006 掃路車.中華人民共和國工業和信息化部,2006（3）.