復合濕式除塵器霧化吸附區除塵性能的研究

摘 要 以復合濕式除塵器的核心除塵區——霧化吸附區為研究對象，采用歐拉-拉格朗日法進行氣-液-固三相流數值模擬，研究工作參數對除塵效率的影響規律。結果表明：導流板在霧化吸附區內可促使產生多個大小不同的渦流，能有效增加粉塵與液滴的接觸時間和在導流板間的停留時間，增加了粉塵顆粒被導流板及壁面碰撞捕集的概率，在加入噴淋液滴后，除塵效率得到顯著提升;當導流板角度為15°，導流板層數為6層，含塵氣流流速為6 m/s時，除塵效率最高;粒徑為1.0 μm的顆粒除塵效率大于85%;粒徑在2.5 μm及以上的顆粒除塵效率都大于95%;顆粒粒徑增至10.0 μm及以上時，除塵效率接近于100%;噴嘴壓力對除塵效率的提升作用并不顯著。

關鍵詞 復合濕式除塵器 霧化吸附區 氣-液-固三相流 導流板 除塵效率 數值模擬

中圖分類號 TQ086.1" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2025）02?0261?07

煤礦開采、金屬拋光、粉體投料等行業在工業生產過程中占據著越來越重要作用的同時也會產生大量的粉塵。這些粉塵既污染環境，又對作業人員的身體健康構成極大威脅[1～3]。因此，如何對各種工業粉塵進行安全有效的脫除已成為當前的研究熱點。與傳統除塵技術相比，濕式除塵技術因其能耗低、結構簡單、適用范圍廣及安全可靠等優點而被廣泛應用[4]。

近年來，國內外學者針對濕式除塵技術開展了大量研究。劉曉燕等討論了液滴速度、液滴直徑和顆粒物粒徑對捕集效率的影響，發現顆粒物的捕集效率隨著液滴速度和直徑的增大而增大，并且模擬與實驗結果吻合[5]。KIM H T等對重力式濕式洗滌器除塵機制進行了深入研究，建立了考慮擴散、截留和碰撞作用的重力式濕式除塵器除灰效率及粒徑分布特征預測方法[6]。趙海鳴等運用歐拉-拉格朗日法對濕式除塵風機內部流場進行了數值模擬研究，分析了粉塵粒度、風機轉速及液氣比等參數對濕式除塵風機除塵效率的影響，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[7]。吳敬宇等對SCC型濕式除塵器的除塵區域進行了多相流仿真，并通過正交實驗的方法得出了除塵效率最高時導流板的最佳參數組合[8]。許浩潔等對一種帶有擋板結構的濕式除塵系統進行了研究，分析了不同折流板角度下的渦流流動特征，并探討了入口風速、擋板布置角度及粒度等因素對噴霧液滴運動特征的影響[9]。

筆者采用歐拉-拉格朗日法對一種復合濕式除塵器的霧化吸附區進行數值模擬研究，將氣相作為連續相，粉塵顆粒和液滴作為離散相，同時考慮兩相之間的耦合作用[10]，對霧化吸附區內流場進行分析，并在此基礎上研究導流板角度等工作參數對霧化吸附區除塵效率的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

復合濕式除塵器（圖1）主要由粉塵過濾區、水幕過濾區和霧化吸附區3部分組成[11，12]。其中，霧化吸附區是復合濕式除塵器的核心除塵區域，該區域內液滴與粉塵顆粒間的相互作用是去除細小粉塵顆粒（PM10、PM2.5）的重要因素，因此，后續將對霧化吸附區進行氣-液-固多相流分析，探究該區域的顆粒物流動特性和除塵效率。

根據相關尺寸，對霧化吸附區建立1∶1的三維幾何模型，具體尺寸如下：

霧化吸附區高度H 1 500 mm

直徑R 800 mm

入口直徑R 200 mm

出口直徑R 250 mm

導流板夾角θ 20°

導流板高度L 400 mm

相鄰導流板間距L 300 mm

導流板長度L 420 mm

水霧噴頭位于導流板中央，噴淋方向豎直向下，建立計算模型如圖2所示。

1.2 網格劃分

利用Fluent Meshing軟件對計算區域進行Polyhedra體網格劃分，在近壁面處及導流板周圍進行加密處理，網格劃分如圖3所示。在數值模擬計算中，為提高計算效率的同時保證計算的準確性和精度，分別選取網格數為25萬、60萬、100萬、150萬、180萬、240萬的模型對計算區域進行網格無關性驗證，表1顯示了在不同網格數量時，出口速度和相對誤差的變化情況。由表1可知，出口速度的相對誤差隨網格數量的增大而降低，當網格數量增至150萬時，其相對誤差小于0.1%，能夠滿足后續計算的精度需求，因此，最終確定網格數量為150萬。

1.3 數學模型

霧化吸附區內流體和顆粒的運動過程是一種典型的氣-液-固三相流，在進行數值計算時，需對仿真過程提出如下基本假設和簡化[13]：

a. 將空氣視為不可壓縮流體;

b. 假設粉塵和液滴為惰性球體;

c. 不考慮液滴的碰撞、破碎、聚并;

d. 不考慮粉塵和液滴間的傳質、傳熱。

筆者采用標準k?ε方程，質量、動量、能量守恒方程表達式如下[14]：

動量守恒方程

k?ε湍流方程

式中 C、C、C——常數，分別取1.44、1.92、0.09;

G——湍動能變化率;

g——重力體積力，N·kg;

k——湍動能，m2/s2;

p——流體壓力，Pa;

t——時間，s;

u、u——空氣在不同方向上的速度，m/s;

x、xj——不同方向上的坐標，m;

ρ——空氣密度，kg/m3;

τ——應力張量，N/m2;

ε——湍動能耗散率，m2/s3;

μ——空氣動力黏度，Pa·s;

μ——湍流黏性系數，Pa·s;

σ、σ——常數，分別取1.3、1.0。

通過對空氣中的粉塵和液滴受力平衡進行積分求解，可以得到其軌跡方程。除重力、曳力外，其他作用力較小，可忽略不計，直角坐標系下的顆粒受力微分方程如下[15]：

式中 C——阻力系數;

D——顆粒直徑，m;

F——曳力，N;

g——重力加速度，m/s2;

Re——相對雷諾數;

u——空氣速度，m/s;

u——顆粒速度，m/s;

ρ——顆粒密度，kg/m3。

1.4 數值方法及邊界條件

由于RNG k?ε湍流模型能將渦流對湍流造成的影響考慮在內，并提高對旋流流動的預測精度，因此筆者選用RNG k?ε湍流模型[16]。入口條件設置為速度入口，速度為5 m/s，出口為壓力出口，壁面采用標準無滑移壁面。采用DPM模型對霧化吸附區的粉塵顆粒和液滴進行描述，同時考慮重力影響，水霧噴頭沿軸線方向豎直向下，采用DPM模型中的壓力旋流噴嘴模型;粉塵顆粒采用面注入方式，其速度方向及大小與連續相保持一致，并開啟隨機軌道模型。由于液滴與導流板及壁面發生碰撞后會在其表面形成穩定的水膜，能有效地捕獲液滴和粉塵顆粒，因此對導流板和壁面均設置為捕集（trap）。由于噴淋液滴與含塵氣流呈逆流接觸，會對氣-液兩相流動造成干擾，因此，在數值模擬中采用連續相與離散相間耦合的方法，以提高數值模擬精度，具體離散相參數如下：

粉塵材質 鋁

粒徑 5 μm

粉塵流量 0.01 kg/s

噴嘴壓力 2 MPa

噴嘴角度 60°

噴嘴直徑 2 mm

噴嘴流量 0.01 kg/s

2 霧化吸附區顆粒流動分析

圖4為含塵氣流進入霧化吸附區域中的流線圖。由圖4可知，粉塵顆粒進入霧化吸附區域內，由于導流板的剪切、分離作用，粉塵顆粒跟隨氣流在霧化吸附區域下部以及各導流板間形成多個不同大小的渦流，這些渦流能有效增加粉塵與液滴的接觸時間和在導流板間的停留時間，還增加了粉塵顆粒被導流板及壁面碰撞捕集的概率，從而達到提高除塵效率的效果。

圖5為氣-固兩相流和氣-液-固三相流粉塵顆粒數目n=20時的運動軌跡。由圖5a可知，粉塵顆粒進入霧化吸附區域內，隨著氣流流動不斷受到導流板和壁面的碰撞和反射，其運動軌跡十分復雜，粉塵顆粒全部逃逸，導致除塵效率較低。由圖5b可知，在加入噴淋液滴后，大部分粉塵顆粒被導流板上液滴形成的水膜捕獲沉降，20個粉塵顆粒中僅有3個逃逸，除塵效率達到85%，可見，噴淋液滴的加入不但減少了顆粒的逃逸時間，而且極大地提高了除塵效率。

3 工作參數影響分析

數值模擬過程中，分別選取粒徑為1.0、2.5、5.0、10.0、15.0、20.0 μm的6種顆粒。每次模擬計算只有一種粒徑的顆粒進入霧化吸附區進行除塵效率計算，并選取導流板角度、導流板層數、含塵氣流流速和噴嘴壓力這4個工作參數（表2），分析其對霧化吸附區除塵性能的影響。

3.1 導流板角度對除塵效率的影響

不同粒徑顆粒下導流板角度對除塵效率的影響如圖6所示。導流板角度是霧化吸附區域內能否形成不同尺度渦流的主要影響參數，而渦流尺度的增大可以使霧化吸附區域內氣相湍流強度大幅增加，從而有效促進噴淋液滴和粉塵顆粒間的相互作用。由圖6可見，當導流板角度一定時，隨著顆粒粒徑的增大，除塵效率從80.62%增加到100%，這是因為顆粒粒徑越大，慣性越大，粉塵顆粒與液滴和導流板的碰撞加劇，使得慣性碰撞等的除塵作用增強。當顆粒粒徑一定時，導流板角度在5～15°范圍內，隨著導流板角度的增大，除塵效率從85.76%增加到100%;當導流板角度在15～30°范圍內，隨著導流板角度的增大，除塵效率從100%降低到80.62%;分析可知，當導流板角度為15°時，霧化吸附區域內渦流尺度最大，氣相湍流強度最高，除塵效率也達到最高。

3.2 導流板層數對除塵效率的影響

不同粒徑顆粒下導流板層數對除塵效率的影響如圖7所示。由圖7可見，霧化吸附區域內不同粒徑顆粒的除塵效率均隨著導流板層數的增加而增加，整體呈現先快速升高后升速變緩的趨勢。導流板層數從1層增加到6層，顆粒的除塵效率按照粒徑從小到大分別增加了23.33%、28.81%、25.73%、21.95%、16.98%、9.43%，說明導流板層數的增加對不同粒徑顆粒的除塵效率都有著明顯的提升效果，是較為有效的優化方式。

這是因為隨著導流板層數的增加，其延長含塵氣流在霧化吸附區內部停留時間、改變氣流方向使其產生大量渦流等作用得到了大幅提升，增加了顆粒被碰撞捕集的概率，從而提升了除塵效率。另外，導流板層數受到霧化吸附區高度尺寸所限，變化幅度有限，因此，在實際運用中，霧化吸附區內布置6層導流板為最優選擇。

3.3 含塵氣流流速對除塵效率的影響

不同粒徑顆粒下含塵氣流流速對除塵效率的影響如圖8所示。由圖8可見，霧化吸附區域內不同粒徑顆粒的除塵效率均隨著含塵氣流流速的增加而增大，當含塵氣流流速大于6 m/s后，除塵效率呈下降趨勢。當含塵氣流流速為6 m/s時，粒徑為1.0 μm的顆粒除塵效率大于85%;粒徑在2.5 μm及以上的顆粒除塵效率都大于95%;當顆粒粒徑增至10.0 μm及以上時，除塵效率接近于100%。這是因為當含塵氣流進入霧化吸附區后，由于導流板的剪切、分離作用，會形成大量的渦旋，并隨著含塵氣流流速的增加，在霧化吸附區內會形成更大、更多的渦旋，這將加劇粉塵與噴淋液滴之間的接觸，促進粉塵的凝聚和沉降，從而進一步提升除塵效率;然而，當含塵氣流流速達到某一臨界值時，粉塵將在渦旋中旋轉，減少了粉塵與噴淋液滴的有效接觸，從而使得除塵效率減小。因此，為了使霧化吸附區能達到較好的除塵效果，可將含塵氣流流速控制在5～7 m/s的范圍內。

3.4 噴嘴壓力對除塵效率的影響

不同粒徑顆粒下噴嘴壓力對除塵效率的影響如圖9所示。由圖9可見，隨著噴嘴壓力的增大，不同粒徑顆粒的除塵效率整體呈現先緩慢上升后逐漸趨于平穩的趨勢。噴嘴壓力從1 MPa增加到6 MPa，顆粒的除塵效率按照粒徑從小到大僅增加了1.58%、1.65%、1.37%、1.39%、0.86%、0.52%，說明噴嘴壓力的改變對除塵效率的提升效果很小，幾乎沒有影響。

4 結論

4.1 導流板在霧化吸附區內促使產生了多個大小不同的渦流，能有效增加粉塵與液滴的接觸時間和在導流板間的停留時間，增加了粉塵顆粒被導流板撞擊捕獲的幾率，并且對比加入噴淋液滴前后的顆粒運動軌跡可知，噴淋液滴的加入不但減少了顆粒的逃逸時間，而且極大地提高了除塵效率。

4.2 導流板角度的變化對除塵效率具有顯著影響，當導流板角度為15°時，除塵效率達到最高;增加導流板層數，除塵效率隨之增加，但由于霧化吸附區高度尺寸所限，在實際運用中，霧化吸附區內布置6層導流板為最優選擇。

4.3 隨著含塵氣流流速的增加，除塵效率先增大后減小，當含塵氣流流速為6 m/s時，除塵效率達到最高;粒徑為1.0 μm的顆粒除塵效率大于85%;粒徑在2.5 μm及以上的顆粒除塵效率都大于95%;顆粒粒徑增至10.0 μm及以上時，除塵效率接近于100%。為了使霧化吸附區能夠達到較好的除塵效果，可將含塵氣流流速控制在5～7 m/s的范圍內。

4.4 隨著噴嘴壓力的增大，除塵效率呈現先緩慢上升后逐漸趨于平穩的趨勢，噴嘴壓力對除塵效率的影響并不顯著。

參 考 文 獻

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