臥式濾筒除塵器的氣流組織模擬研究*

袁 娜，林龍沅，劉侹楠

(西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621000)

0 引言

隨著我國經濟的持續快速發展，工業粉塵顆粒物排放所引起的環境問題及安全問題日益嚴重。《2017年中國生態環境狀況公報》表明，2017年全國總共338個地級及以上城市中，以PM2.5(細顆粒物)為首要污染物的天數占重度及以上污染天數的74.2%，以PM10(可吸入顆粒物)為首要污染物的占20.4%[1]。此外，各類粉塵爆炸事故也帶來持續的安全威脅[2]。而工業粉塵是引發霧霾及安全問題的重要因素之一，因此加強對工業粉塵顆粒物排放的控制具有重要意義。當前，在高效過濾除塵設備中，應用最為廣泛的是袋式和濾筒除塵器。袋式除塵器雖然除塵效率高，但存在除塵器體積龐大，占地空間大的缺點[3]。隨著除塵技術的迅速發展，濾筒除塵器被越來越多應用于現代工業除塵中[4]。相較于袋式除塵器，濾筒除塵器不僅除塵效率高，而且具有過濾面積大，占用空間相對較小等優點[5]。對于高度空間受限場所應用較為廣泛的除塵器有臥式濾筒除塵器。以唐納森除塵器廠家為例，其生產的濾筒除塵器產品大部分為臥式除塵器。相較于立式除塵器，一方面，臥式除塵器的箱體結構更有利于粉塵沉降，能夠有效避免立式脈沖濾筒除塵器中時常發生的二次揚塵現象；另一方面，其體積往往較小，上部不設凈氣室高度，也不用預留濾筒拔出高度，適用于高度受限的除塵場所。此外，臥式除塵器還具有安裝便捷、易于檢修、維護費用少，具有擴展性等顯著優勢[6]。但目前對臥式除塵器的研究相對于立式而言較少，其中具有代表性的是，楊龍軍[7]通過對臥式脈沖濾筒除塵器的清灰效果進行試驗研究，發現該類除塵器在清灰方面存在濾筒各部位清灰不均的現象。目前，大部分學者主要還是集中于立式濾筒除塵器的相關研究，對于除塵器內部流場方面的研究，郭建章等[8]提出了三維湍流的重整化群k-ε模型，確認臥式環流除塵器的結構和尺寸對內部流場有重要影響；鄧斌等[9]、張相亮等[10]用Fluent分別模擬了濾筒和布袋除塵器進口對內部流場的影響，并通過改進內部結構優化了流場，以提高凈化效率；郗元等[11]分析不同濾筒結構下除塵器內氣流分布規律，指出在常規工況四筒結構布置時，建議選取圓柱濾筒或矩形濾筒作為除塵器濾芯以提高除塵性能；余歡等[12]探究了濾筒長度對流場的影響，得出長濾筒不適宜在高過濾風速下運行；Chen等[13]研究了安裝導流擋板對袋式除塵器氣流組織的影響等。

綜上所述，在立式除塵器內部流場方面，學者們做了系統的研究，而對臥式除塵器的研究相對較少，至于臥式濾筒除塵器氣流組織方面的研究更為不足。臥式除塵器內部氣流組織與其過濾效率、使用壽命密切相關，但由于實驗的局限性，無法得到除塵器內部流場分布情況，因此在實際開發前運用Fluent軟件進行流場的模擬與優化對于認識和改善臥式濾筒除塵器的氣流組織、提高過濾效率以及節省研究與開發成本具有重要的現實意義。

1 計算模型與數值方法

1.1 臥式濾筒除塵器模型

參考目前市場常見的臥式濾筒除塵器，利用CAD三維建模所建立的簡化臥式濾筒除塵器模型，如圖1所示。該模型為上進風臥式濾筒除塵器，箱體包括：凈氣室、濾室和灰斗，進氣口位于濾室上壁正中，凈氣室和濾室2部分由花板隔開，同時凈氣室與4個濾筒內部相通。含塵氣體從上部進氣口進入濾室，經過濾筒過濾后，潔凈的氣體進入凈氣室，經左下部出氣口排入大氣。

無擋板模型的尺寸在xzy方向分別表示為：凈氣室400 mm×1 000 mm×1 200 mm；濾室660 mm×1 000 mm×1 200 mm；進氣口和出氣口均為直徑200 mm柱體，濾筒為φ350 mm×660 mm的常規濾筒，濾筒與前后壁間距為100 mm，與上下壁間距200 mm。加設擋板的模型是將濾室和凈氣室整體加高100 mm，在進氣口與濾筒間加設人字形擋板 ， 2擋板的夾角分別選取為 150°，160°，165°，170°，175°和180° 。對過濾過程進行數值模擬時，將濾筒做圓柱形簡化處理，且不考慮灰斗部分。

圖1 臥式濾筒除塵器模型Fig.1 Models of horizontal filter cartridge dust collector

1.2 邊界條件與數值方法

用Fluent進行模擬計算時，進口邊界條件選擇速度入口，速度為10 m/s；出口邊界條件選擇壓力出口，出口靜壓為-500 Pa；濾筒模型的邊界條件設置為一維簡化的多孔介質，即多孔跳躍介質模型，濾筒壁厚2 mm。此外，濾室、凈氣室、進出氣口等壁面均設置為固體壁面(wall)。過濾過程使用穩態的壓力基求解器，采用標準的k-ε雙方程湍流模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，梯度項設置為Least Squares Cell Based，標準壓力項，動量項、湍流能項、湍流耗散率項均為一階迎風格式。利用Gambit來進行網格劃分，采用結構化和非結構化網格相結合，對濾筒部位進行加密以提高準確性。

1.3 控制方程

假定進氣口風速均勻且垂直于入口端面，且為恒溫不可壓縮、做定常單向流運動的一種連續的均勻介質。除塵器內部屬十分復雜的湍流流場，對比分析各湍流模型后，采用標準的k-ε雙方程湍流模型，并滿足質量、動量、能量守恒方程，標準k-ε模型湍動能k方程和耗散率ε方程對應的輸送方程為[14]：

(1)

(2)

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能K產生項；Gb是由于浮力引起的湍動能K產生項；YM代表可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻；C1ε，C2ε，C3ε為經驗常數，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk和σε分別是湍動能K與耗散率ε的湍流普朗特數，根據Fluent推薦值分別為σk=1.0，σε=1.3;Sk和Sε是用戶定義的源項；ρ是流體密度；μ是動力粘度；x是空間坐標；u是速度。

2 有、無擋板下的氣流組織分析

2.1 流場速度分布

圖2所示的是無擋板與165°擋板角度下x=730 mm平面的速度云圖，該平面為x方向濾室正中間且過進氣口的yz平面。可以看出，無擋板時，氣流從進氣口進入后存在明顯射流現象，且2列濾筒間風速過大，上排濾筒間近10 m/s；而在165°擋板模型下，整體速度則較低。分析其原因是：無擋板時，除塵器本身體積和進氣口徑小，進氣口距灰斗口僅1.2 m，所以氣流以10 m/s的速度進入箱體后，產生的射流幾乎延續到了灰斗處，在接近灰斗口仍有高達4 m/s的速度，這勢必會引起灰斗內二次揚塵的問題；而加設擋板后，不僅阻擋了高速射流，還對氣流進行分散引導，使得濾室內氣流速度整體較均勻，中心最大速度降低到3 m/s以下，并且到達灰斗口的風速也明顯降低，氣流組織均勻性顯著提高。

圖2 x=730 mm平面速度云圖Fig.2 Nephogram of plane velocity at x=730 mm

濾筒是除塵器的核心部件，由其表面的速度分布可以分析各個濾筒及不同部位的過濾情況。由于2列濾筒處于對稱分布且主要分析射流的影響，在此只對第1列，即1，3號濾筒進行示例分析。

由圖3(a)～(b)可以看出：無擋板時，濾筒內側中心速度達到8～9 m/s，遠高于外側及其他部位；上排，即1，2號濾筒的內側速度要高于下排2個，即3，4號；下排濾筒的底部速度要高于其他地方。分析其原因，是入口氣流的射流所引起，氣流到達底部后向兩邊擴散并向上爬，同時沖刷筒壁，其速度同樣達到了4.5 m/s，此外濾筒其他部位也表現出不同程度的速度差異。而表面速度較高的地方磨損會比較嚴重，極容易破損也容易引起濾筒局部堵塞，從而導致無法充分發揮出濾筒的性能，影響整體的除塵效果。如圖4所示，在165°的擋板角度下時，濾筒表面速度整體位于0.8～2.6 m/s間，僅在兩端局部區域出現較高風速，最大也只有3 m/s。可以看出加設擋板后，濾筒表面風速均勻性明顯提高。

圖3 無擋板濾筒表面速度云圖Fig.3 Nephogram of surface velocity for filter cartridge without baffle

圖4 165°擋板下濾筒表面速度云圖Fig.4 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 165°

2.2 流量分配均勻性

(3)

ΔK=Kimax-Kimin

(4)

(5)

式中：qi為第i個濾筒實際處理氣量，kg/s；qm為濾筒平均處理氣流，kg/s；Kimax,Kimin分別為單個濾筒最大及最小流量分配系數；N為濾筒總個數。

表1為各濾筒的流量分配系數。由于受進氣口射流影響，在無擋板情況下的內部流場十分紊亂，各濾筒的流量分配情況難以達到穩定，僅能給出一個系數的浮動范圍，這也反映出無擋板情況下除塵器內的氣流組織情況是極不均勻的，但下排濾筒系數的最小值仍很大，說明射流嚴重影響了上排濾筒的過濾。而加設擋板后，經過一段時間，計算各濾筒的流量分配情況達到穩定，從表1中數據可看出，1號濾筒的系數最大，2號最小，3，4號在1上下略微浮動。這說明1號的過濾負荷最重，可能會最先出現破損，2號則可能無法充分發揮出其性能。而3，4號相對而言過濾情況較好。從表2可看出，165°擋板下的最大正負偏差均在±15%以內，即是說該種模型下的氣流組織基本達到均勻。

表1 流量分配系數Table 1 Flow distribution coefficient

表2 165°擋板下流量分配結果Table 2 Results of flow distribution under 165°baffle

3 不同擋板角度下的氣流組織分析

3.1 不同擋板角度設計模型

除了對有無擋板下臥式濾筒除塵器的氣流組織進行分析外，還設計了對不同擋板角度下氣流組織情況的探究，在前文165°擋板模型基礎上進一步設置150°，160°，170°，175°和180° 5種情況并將它們進行對比，由此得出該種模型下氣流組織的分布規律。其中擋板角度為165°時的除塵器模型右視圖如圖5所示，余下5種情況僅是擋板角度的不同，擋板距2側壁距離及箱體模型均一致。

圖5 165°擋板模型右視圖Fig.5 Right view of 165° baffle model

3.2 流場速度分布

圖6所示分別為150°和180°2種擋板角度下x=730 mm平面的速度云圖，由于160°，170°、175°在該平面的速度分布與165°擋板相似，可參見圖2，故不做展示。

圖6 x=730 mm平面速度云圖Fig.6 Nephogram of plane velocity at x=730mm

將圖6與圖2對比可見，增設擋板后，射流現象均已消失且濾室內流場速度顯著降低，最大速度出現在下排濾筒的間隙，約3 m/s，是因為在擋板的分流下，沿兩側而下的部分未過濾氣體在濾室底部匯合，進而沿下排2濾筒間隙向上爬升，使得此處氣流速度增大。此外，隨著擋板角度的減小，上排濾筒處的氣流速度也逐漸降低，而對比180°擋板下1號濾筒、160°～175°擋板下2號濾筒、150°擋板下2號和4號濾筒所處部位相對于其他濾筒速度偏小，結合流量分配系數發現，速度偏小的濾筒，其流量分配系數也最小或是較小，可以得出濾筒表面速度過低并不利于過濾的結論。

圖7～9分別是150°，175°，180°擋板角度下的濾筒表面速度云圖。通過在Fluent里對比各個擋板角度下的濾筒表面速度云圖發現，從150°到175°的5種角度下4個濾筒的表面速度分布特點基本相似，下排濾筒的風速隨著擋板角度的增大而減小，而上排除了外側兩端小區域的最大速度有所增大，其余無明顯變化，與180°時存在較明顯差異。但整體來看，所有角度下濾筒的表面速度大多分布在0.4～2.8 m/s這個區間，上排濾筒(1號和2號)位于0.4～2 m/s，下排濾筒(3號和4號)位于1～2.8 m/s，上排整體低于下排。低速區位于1，2號濾筒上側及上下2排濾筒的間隙，考慮是由于布局緊湊間距不足所導致，最大速度基本出現在濾筒兩端小范圍區域。由濾筒表面的風速分布特點可以得出，下排濾筒的沖刷會較上排嚴重，且下排濾筒兩端可能會最先出現磨損。

圖7 150°擋板時，濾筒表面速度云圖Fig.7 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 150°

圖8 175°擋板時，濾筒表面速度云圖Fig.8 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 175°

圖9 180°擋板時，濾筒表面速度云圖Fig.9 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 180°

3.3 流量分配均勻性

圖10的折線圖可直觀看出，各擋板角度下濾筒流量分配系數在1.0上下的浮動情況以及隨著角度變化而變化的情況。可以看出，除了180°的折線與其他明顯不同，余下5種的走勢規律基本相似：都是1，3號濾筒的流量分配系數較大，1號最大，且隨著角度減小，最大系數逐漸增大至1.216，說明1號濾筒的過濾負荷最大，容易出現破損，而2，4號可能無法充分發揮其性能。

圖10 不同擋板角度下濾筒流量分配系數Fig.10 Flow distribution coefficient of filter cartridge under different angles of baffle

表3～4是6種角度下各濾筒具體的流量分配系數及相關表征氣流分配均勻性的系數，從各項具體系數可以看出，在6種角度中只有165°和170°時的最大正負偏差在±15%以內，最大流量不均系數和綜合流量不均系數都較小，能達到氣流組織基本均勻的標準。此外，將濾筒表面的速度分布與各濾筒流量分配情況結合分析發現：濾筒表面過濾風速對其流量分配系數影響較大，其中當濾筒表面風速在0.85～1.87 m/s的過濾面積最大時，其分配系數最大；風速>2 m/s的過濾面積最大時，流量分配系數最小；當風速<1 m/s的濾筒面積越大往往分配系數也會越偏小。這表明，濾筒表面風速過高或過低都不利于過濾。

表3 流量分配系數Table 3 Flow distribution coefficients

表4 流量分配結果Table 4 Results of flow distribution

4 結論

1)無擋板的臥式濾筒除塵器以10 m/s的入口速度進行模擬發現，存在射流和內部氣流分布不均的問題，高達10 m/s流速會導致濾筒內側遭到嚴重的氣流沖刷，使該部位容易破損，且易造成二次揚塵問題。加設165°擋板及適度增加濾室高度后，射流問題解決，同時氣流均勻性得到顯著提升。

2)在同樣濾室高度下，對比分析150°，160°，165°，170°，175°和180° 6種擋板角度下的除塵器內部速度分布及各濾筒流量分配情況發現，從150°到175°的5種角度下4個濾筒的表面速度分布特點基本相似，但在165°和170°時，濾筒表面風速更為均勻且其流量分配系數偏差在±15%以內。結合流量分配結果可以認為，只有在165°～170°擋板角度時，氣流組織達到均勻標準。

3)除塵器內部的氣流組織與其內部構造密切相關，結構參數的變化都會引起氣流組織的較大改變，在進行臥式除塵器的設計制造時，對其進行氣流組織的模擬進而尋求最佳的結構參數設置方式是十分必要的，后續研究可在本文基礎上進一步優化擋板(流線型擋板、多孔擋板等)結構，進而獲得更優的氣流組織設計。