探究噴霧除塵方式及粉塵粒徑分布規律的數值模擬研究

張兵兵，劉 磊，孫 健

（山西省呂梁市臨縣錦源煤礦有限公司，山西 呂梁033200）

0 引 言

隨著煤炭、建材、機械、化工、輕工、冶金等工業的發展，在固體物質機械加工或粉碎、有機物質不完全燃燒、過篩、包裝、搬運等操作過程中產生大量粉塵，且所帶來的危害也與日俱增[1-4]。

工人長期吸入生產性粉塵，會引起肺部病變，產生塵肺病，據統計，據統計，目前中國塵肺病報告人數超過72 萬人。馬素平等[5-7]通過對回風巷中影響粉塵沉降效率的因素進行分析，結果表明水霧粒徑越小降塵效率越高，降塵效率主要取決于供水壓力大小；程衛民等[8-9]對高壓噴霧降塵機理進行分析，并推導出霧化捕捉最小粉塵粒度的解析式，并通過實驗的方法對不同壓力下霧化粒度進行測定，得出粒徑隨壓力增大霧化粒度變小的結論[10-11]。目前一些國內外學者對煤礦降塵方面做了一定的研究，但是對一些化工和輕工工業的發展，比如紡織行業，木材廠加工過程中，機械切割等產生的棉粉、木屑、鐵屑等金屬粉末，對工人的身體健康造成嚴重傷害，因此對噴霧除塵器的研發，基于小型、環保、可循環、成本低，降塵率高等優點，尤其在箱體底部增加吸水性強的海綿墊，增加排水管，當水量達到一定程度可由排水口排出，適用于各種環境，可改造管道長度、箱體大小、噴嘴個數以及安裝位置，研發的進一步研究噴射源位置進行優化設計，驗證分析噴霧除塵器的有效性和實用性，所以本文針對噴霧除塵器內部流場進行仿真模擬研究，分析除塵器內部的除塵效果，可為研究者提供改良設備的重要經驗和參考依據，尤其對紡織加工行業以及地面煤的搬運與裝卸具有重大意義。

1 數學模型

采用標準k-ε 湍流模型對噴嘴外部流場進行模擬分析，該模型假設流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略，包括湍動能k 方程和耗散率ε 方程[12-13]。

湍流脈動動能方程：

在上述方程中：k為湍流動能，m2/s2；ε為湍流動能耗散率，m2/s3；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能產生項；Gb為用于浮力影響引起的湍動能產生項；μ為層流的粘性系數，Pa·s；μt為湍流的粘性系數，Pa·s；YM可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。C1ε、C2ε、C3ε、Cμ為常量，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09；若流體可壓縮且主流方向與重力方向平行C3ε取1，若垂直取0。σk、σε分別為ε方程和k方程的湍流普朗特數，σk=1.0，σε=1.3。

考慮到噴霧顆粒的體積分數較小，采用DPM（離散相模型）描述粉噴霧顆粒的運動軌跡。通過對拉格朗日坐標下粉塵及噴霧顆粒之間的作用力進行積分的微分方程求解每一個顆粒的軌道，噴霧顆粒的作用力平衡方程為：

式中：mp為顆粒質量，mg；Vp為顆粒運動速度，m/s；ΣF為顆粒所受到的合力，N；F1為顆粒所受阻力，N；F2為顆粒所受重力，N；F3為顆粒所受浮力，N；F4為顆粒所受其他作用力（附加質量力、熱泳力、Saffman 升力、布朗力、Magnus 升力）的總和。

式中：Cd為阻力系數；Cμ為動力形狀系數，此處取1；Sd為顆粒的迎風面面積，m2；a1、a2、a3對于球形顆粒，在一定的雷諾數范圍內為常數；dp為顆粒直徑，m。

在對霧滴進行數值模擬時，選用泰勒類比破碎（TAB）模型。根據該模型，作用在霧滴表面的力主要由氣動力、表面張力和黏性力組成，則霧滴顆粒的受力方程為：

在上述方程中：Fα為氣動力，N；Fσ為表面張力，N；Fμ為黏性力，N；ud為霧滴速度，m/s；σ為霧滴表面張力，N/m；μd為霧滴的動力粘度，kg/(m·s)；r為液滴半徑，m；ρd為霧滴密度，kg/m3；Cb、CF、Ck、Cd為無量綱參數，通過實驗得出取值為1/2、1/3、8、5；y=x/(Cb·r)，x為液滴位移量，m；在y＞1 的時候，認為霧滴發生破碎。

2 幾何模型及邊界條件

2.1 幾何模型

本文采用設計研發的噴霧除塵器，主要分為除塵室、噴嘴、氣包、離心風機、噴嘴、海綿墊、排水口等七部分組成。箱體外形尺寸長×寬×高=1200mm×600mm×800mm，進風口直徑Φ200mm，管道長度可根據工廠情況定制，直徑Φ250mm，采用solidworks 建立幾何模型如圖1 所示，ICEM 劃分網格，全局網格尺寸為0.1，網格數量266 600 如圖2所示。

圖1 除塵器三維立體幾何模型

圖2 網格劃分模型

2.2 邊界條件

將用Solidworks 建成的幾何模型導入到Fluent中，依據現場實測對邊界條件、噴霧參數、粉塵源參數進行設置的，且出口面設置trap 捕捉顆粒粉塵，見表1。

表1 邊界條件和粉塵源參數

本次模擬采用3 種小型噴嘴，進一步模擬改變噴嘴的位置，研究分析新研發的小型除塵器的除塵效果，共3 組安裝方式如表2，如圖3。

表2 位置參數設定

圖3 噴射源位置設置

3 除塵器除塵效果的數值模擬研究

3.1 除塵器內部粉塵濃度粒徑分布特征

對噴霧除塵器內部粉塵顆粒擴散情況進行模擬分析得到粉塵顆粒濃度圖，如圖4 所示。

圖4 粉塵濃度分布圖

結合圖4 模擬結果分析如下：

1）在箱體內部入口至x=-0.3m 段處（從左至右），可以看到在入風口處，粉塵顆粒聚集，濃度較高達到8×10-4kg/m3，隨著風機負壓的作用，粉塵顆粒隨著風流流動，在x=0.3m 處，風速最高，這一段處粉塵濃度較高；

2）在x=-0.3m 和x=0.3m 段處，粉塵顆粒隨著風流逐漸抵達該段，粉塵顆粒逐漸擴散；由于粉塵顆粒自身重力作用，在擴散過程中，逐漸沉降，粉塵濃度降低，剩余粉塵顆粒隨著風流繼續流動濃度在5.6×10-4～7.2×10-4kg/m3，粉塵濃度相對較低；

3）在x=0.3 至箱體出口段處，由于運行過濾時間較長，粉塵在出口這段不斷堆積，粉塵濃度和粉塵顆粒數量達到很高的值，濃度達到6.4×10-4～7.8×10-4kg/m3。

由此可見，如果能在入口段處能有效降低風速，阻礙粉塵的流動，進而能達到很好的除塵效果。

3.2 除塵器內部除塵效果模擬分析

3.2.1 除塵器內部流場分析

分別沿x=0.3，0，-0.3 方向以及y=0 方向截取風速云圖，結合噴霧濃度矢量圖，分析3 種噴射源位置的布置對除塵器內部風流流動以及除塵效果的影響。模擬得到霧滴濃度矢量圖以及風速云圖如圖5。

圖5 霧滴濃度矢量圖以及風速云圖

如圖5 和6，分析模擬結果如下：

1）第1 組在①（x=0.3，y=0，z=0.8）位置處，隨著風流從進風口進入，在①位置處，霧滴并不能改變風流速度及方向，風流按照原軌跡流動，霧滴隨著風流繼續向前流動，較大霧滴由于自身重力以及噴射霧滴的影響向著箱體底板流動，但數量極少；當在②（x=-0.3，y=-0.15，z=0.8）和③（x=-0.3，y=0.15，z=0.8）位置處時，此時風流恰好從2 個噴射源中間穿過，風速降低到3m/s 左右，風流流動方向受到輕微影響，但總體未改變風速大小和風流流動方向。結合3.1 分析，除塵器在工作時粉塵顆粒隨風流四處擴散，由此可見第1組噴射源并不能對粉塵顆粒的擴散造成阻礙作用，除塵效果很差。

2）第2 組在①（x=0.3，y=0，z=0.8）、②（x=0，y=0，z=0.8）和③（x=-0.3，y=0，z=0.8）位置處。在位置①處，噴霧霧滴濃度達到0.02kg/m3，霧滴對風流造成了輕微的阻礙作用，使風速降低至3.5m/s 左右，但風流依舊沿原來軌跡流動；當風流繼續向前流動受到位置②更大的阻礙作用，可以看到風流流動方向改變，此時粉塵肯定會受到霧滴風流壓力和速度的影響，同時由于重力作用使得粒徑較大的粉塵向底板側偏移，濃度最大為0.018kg/m3；在位置③處，由于中間頂部噴霧的阻礙作用，使得前中部粉塵較難繼續向除塵器后部擴散形成繞流，經噴霧影響，使得原小粒徑粉塵的運動路線發生較大偏移形成紊流，致使除塵器的后半段粉塵濃度較低，約為0.008kg/m3，由此可見表明第二組噴射源位置設置比較合理，能有效改變粉塵顆粒運行軌跡和風流速度，可以有效降低粉塵濃度。

3）第3 組在①（x=0.3，y=-0.15，z=0.8）、②（x=0.3，y=0.15，z=0.8）和③（x=-0.3，y=0，z=0.8）位置處。在位置①和②處時，噴射源的位置設置在主風流方向兩側處，霧滴的擴散并不能降低風速和阻礙風流流動，粉塵顆粒隨風流流動，很難達到降低粉塵濃度的作用；當粉塵隨風流到達除塵器后半段時，位置③的噴射源，風流流動受到輕微的擾動，導致風速減小，但是總體平均風速還是達到3.8m/s，并不能有效降低風速和阻礙風流流動，不能有效降低粉塵濃度。

綜合以上分析，當噴射源設置在①（x=0.3，y=0，z=0.8）、②（x=0，y=0，z=0.8）和③（x=-0.3，y=0，z=0.8）位置處時可以有效阻礙風流流動和改變風流運動軌跡，并且減小風速，可以有效降低粉塵濃度。

3.2.2 出口粉塵粒徑分布分析

出口設置trap 捕捉未被噴霧降塵除去的粉塵顆粒，進一步分析除塵器的除塵效果。

如圖7，所示當粉塵直徑在2μm 左右范圍時，粉塵質量占據55%左右，隨著粉塵直徑的增大，粉塵質量總體呈現降低趨勢，當粉塵直徑在16～20μm 可以看出，粉塵質量在3%左右，經由模擬結果可知粉塵源有大約368 305 個粉塵顆粒，捕捉到8 426 個粉塵顆粒，總體粉塵顆粒大幅度下降，大部分粉塵顆粒得到有效降塵，尤其對粉塵顆粒粒徑在2.1～26μm 之間的粉塵除塵效果較好，更進一步說明了除塵器具有很好的除塵效果。

4 結 論

1）噴射源在①（x=0.3，y=0，z=0.8）、②（x=0，y=0，z=0.8）和③（x=-0.3，y=0，z=0.8）位置處時，由于前段和中間頂部噴嘴噴霧，風流受到一定的阻礙作用，使得前中部粉塵較難繼續向除塵器后部擴散形成繞流，將會導致粉塵顆粒的運動軌跡發生比較大的偏移，此時噴嘴位置可以有效改變風流的方向和減小風速，除塵效果較好。

2）在出口面進行粉塵顆粒捕捉，模擬分析得大部分粉塵顆粒得到有效降塵，尤其對粉塵顆粒粒徑在2.1～26μm 之間的粉塵除塵效果較好，該除塵器能有效降低粉塵濃度。

3）對噴霧除塵器除塵效果的數值模擬研究分析，該除塵器充分結合濕式除塵技術和干式除塵技術有效降低了粉塵濃度，打破了研究僅局限于濕式除塵技術或者干式除塵技術的局面，為除塵設備提供重要的參數，符合新時代可持續和綠色環保發展的要求，保護工人身體健康，減少資源浪費。