卧式滤筒除尘器的气流组织模拟研究*

袁 娜，林龙沅，刘侹楠

(西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621000)

0 引言

随着我国经济的持续快速发展，工业粉尘颗粒物排放所引起的环境问题及安全问题日益严重。《2017年中国生态环境状况公报》表明，2017年全国总共338个地级及以上城市中，以PM2.5(细颗粒物)为首要污染物的天数占重度及以上污染天数的74.2%，以PM10(可吸入颗粒物)为首要污染物的占20.4%[1]。此外，各类粉尘爆炸事故也带来持续的安全威胁[2]。而工业粉尘是引发雾霾及安全问题的重要因素之一，因此加强对工业粉尘颗粒物排放的控制具有重要意义。当前，在高效过滤除尘设备中，应用最为广泛的是袋式和滤筒除尘器。袋式除尘器虽然除尘效率高，但存在除尘器体积庞大，占地空间大的缺点[3]。随着除尘技术的迅速发展，滤筒除尘器被越来越多应用于现代工业除尘中[4]。相较于袋式除尘器，滤筒除尘器不仅除尘效率高，而且具有过滤面积大，占用空间相对较小等优点[5]。对于高度空间受限场所应用较为广泛的除尘器有卧式滤筒除尘器。以唐纳森除尘器厂家为例，其生产的滤筒除尘器产品大部分为卧式除尘器。相较于立式除尘器，一方面，卧式除尘器的箱体结构更有利于粉尘沉降，能够有效避免立式脉冲滤筒除尘器中时常发生的二次扬尘现象；另一方面，其体积往往较小，上部不设净气室高度，也不用预留滤筒拔出高度，适用于高度受限的除尘场所。此外，卧式除尘器还具有安装便捷、易于检修、维护费用少，具有扩展性等显著优势[6]。但目前对卧式除尘器的研究相对于立式而言较少，其中具有代表性的是，杨龙军[7]通过对卧式脉冲滤筒除尘器的清灰效果进行试验研究，发现该类除尘器在清灰方面存在滤筒各部位清灰不均的现象。目前，大部分学者主要还是集中于立式滤筒除尘器的相关研究，对于除尘器内部流场方面的研究，郭建章等[8]提出了三维湍流的重整化群k-ε模型，确认卧式环流除尘器的结构和尺寸对内部流场有重要影响；邓斌等[9]、张相亮等[10]用Fluent分别模拟了滤筒和布袋除尘器进口对内部流场的影响，并通过改进内部结构优化了流场，以提高净化效率；郗元等[11]分析不同滤筒结构下除尘器内气流分布规律，指出在常规工况四筒结构布置时，建议选取圆柱滤筒或矩形滤筒作为除尘器滤芯以提高除尘性能；余欢等[12]探究了滤筒长度对流场的影响，得出长滤筒不适宜在高过滤风速下运行；Chen等[13]研究了安装导流挡板对袋式除尘器气流组织的影响等。

综上所述，在立式除尘器内部流场方面，学者们做了系统的研究，而对卧式除尘器的研究相对较少，至于卧式滤筒除尘器气流组织方面的研究更为不足。卧式除尘器内部气流组织与其过滤效率、使用寿命密切相关，但由于实验的局限性，无法得到除尘器内部流场分布情况，因此在实际开发前运用Fluent软件进行流场的模拟与优化对于认识和改善卧式滤筒除尘器的气流组织、提高过滤效率以及节省研究与开发成本具有重要的现实意义。

1 计算模型与数值方法

1.1 卧式滤筒除尘器模型

参考目前市场常见的卧式滤筒除尘器，利用CAD三维建模所建立的简化卧式滤筒除尘器模型，如图1所示。该模型为上进风卧式滤筒除尘器，箱体包括：净气室、滤室和灰斗，进气口位于滤室上壁正中，净气室和滤室2部分由花板隔开，同时净气室与4个滤筒内部相通。含尘气体从上部进气口进入滤室，经过滤筒过滤后，洁净的气体进入净气室，经左下部出气口排入大气。

无挡板模型的尺寸在xzy方向分别表示为：净气室400 mm×1 000 mm×1 200 mm；滤室660 mm×1 000 mm×1 200 mm；进气口和出气口均为直径200 mm柱体，滤筒为φ350 mm×660 mm的常规滤筒，滤筒与前后壁间距为100 mm，与上下壁间距200 mm。加设挡板的模型是将滤室和净气室整体加高100 mm，在进气口与滤筒间加设人字形挡板 ， 2挡板的夹角分别选取为 150°，160°，165°，170°，175°和180° 。对过滤过程进行数值模拟时，将滤筒做圆柱形简化处理，且不考虑灰斗部分。

图1 卧式滤筒除尘器模型Fig.1 Models of horizontal filter cartridge dust collector

1.2 边界条件与数值方法

用Fluent进行模拟计算时，进口边界条件选择速度入口，速度为10 m/s；出口边界条件选择压力出口，出口静压为-500 Pa；滤筒模型的边界条件设置为一维简化的多孔介质，即多孔跳跃介质模型，滤筒壁厚2 mm。此外，滤室、净气室、进出气口等壁面均设置为固体壁面(wall)。过滤过程使用稳态的压力基求解器，采用标准的k-ε双方程湍流模型，压力速度耦合采用SIMPLE算法，梯度项设置为Least Squares Cell Based，标准压力项，动量项、湍流能项、湍流耗散率项均为一阶迎风格式。利用Gambit来进行网格划分，采用结构化和非结构化网格相结合，对滤筒部位进行加密以提高准确性。

1.3 控制方程

假定进气口风速均匀且垂直于入口端面，且为恒温不可压缩、做定常单向流运动的一种连续的均匀介质。除尘器内部属十分复杂的湍流流场，对比分析各湍流模型后，采用标准的k-ε双方程湍流模型，并满足质量、动量、能量守恒方程，标准k-ε模型湍动能k方程和耗散率ε方程对应的输送方程为[14]：

(1)

(2)

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能K产生项；Gb是由于浮力引起的湍动能K产生项；YM代表可压缩湍流中脉动扩张的贡献；C1ε，C2ε，C3ε为经验常数，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk和σε分别是湍动能K与耗散率ε的湍流普朗特数，根据Fluent推荐值分别为σk=1.0，σε=1.3;Sk和Sε是用户定义的源项；ρ是流体密度；μ是动力粘度；x是空间坐标；u是速度。

2 有、无挡板下的气流组织分析

2.1 流场速度分布

图2所示的是无挡板与165°挡板角度下x=730 mm平面的速度云图，该平面为x方向滤室正中间且过进气口的yz平面。可以看出，无挡板时，气流从进气口进入后存在明显射流现象，且2列滤筒间风速过大，上排滤筒间近10 m/s；而在165°挡板模型下，整体速度则较低。分析其原因是：无挡板时，除尘器本身体积和进气口径小，进气口距灰斗口仅1.2 m，所以气流以10 m/s的速度进入箱体后，产生的射流几乎延续到了灰斗处，在接近灰斗口仍有高达4 m/s的速度，这势必会引起灰斗内二次扬尘的问题；而加设挡板后，不仅阻挡了高速射流，还对气流进行分散引导，使得滤室内气流速度整体较均匀，中心最大速度降低到3 m/s以下，并且到达灰斗口的风速也明显降低，气流组织均匀性显著提高。

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

滤筒是除尘器的核心部件，由其表面的速度分布可以分析各个滤筒及不同部位的过滤情况。由于2列滤筒处于对称分布且主要分析射流的影响，在此只对第1列，即1，3号滤筒进行示例分析。

由图3(a)～(b)可以看出：无挡板时，滤筒内侧中心速度达到8～9 m/s，远高于外侧及其他部位；上排，即1，2号滤筒的内侧速度要高于下排2个，即3，4号；下排滤筒的底部速度要高于其他地方。分析其原因，是入口气流的射流所引起，气流到达底部后向两边扩散并向上爬，同时冲刷筒壁，其速度同样达到了4.5 m/s，此外滤筒其他部位也表现出不同程度的速度差异。而表面速度较高的地方磨损会比较严重，极容易破损也容易引起滤筒局部堵塞，从而导致无法充分发挥出滤筒的性能，影响整体的除尘效果。如图4所示，在165°的挡板角度下时，滤筒表面速度整体位于0.8～2.6 m/s间，仅在两端局部区域出现较高风速，最大也只有3 m/s。可以看出加设挡板后，滤筒表面风速均匀性明显提高。

图3 无挡板滤筒表面速度云图Fig.3 Nephogram of surface velocity for filter cartridge without baffle

图4 165°挡板下滤筒表面速度云图Fig.4 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 165°

2.2 流量分配均匀性

(3)

ΔK=Kimax-Kimin

(4)

(5)

式中：qi为第i个滤筒实际处理气量，kg/s；qm为滤筒平均处理气流，kg/s；Kimax,Kimin分别为单个滤筒最大及最小流量分配系数；N为滤筒总个数。

表1为各滤筒的流量分配系数。由于受进气口射流影响，在无挡板情况下的内部流场十分紊乱，各滤筒的流量分配情况难以达到稳定，仅能给出一个系数的浮动范围，这也反映出无挡板情况下除尘器内的气流组织情况是极不均匀的，但下排滤筒系数的最小值仍很大，说明射流严重影响了上排滤筒的过滤。而加设挡板后，经过一段时间，计算各滤筒的流量分配情况达到稳定，从表1中数据可看出，1号滤筒的系数最大，2号最小，3，4号在1上下略微浮动。这说明1号的过滤负荷最重，可能会最先出现破损，2号则可能无法充分发挥出其性能。而3，4号相对而言过滤情况较好。从表2可看出，165°挡板下的最大正负偏差均在±15%以内，即是说该种模型下的气流组织基本达到均匀。

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

表2 165°挡板下流量分配结果Table 2 Results of flow distribution under 165°baffle

3 不同挡板角度下的气流组织分析

3.1 不同挡板角度设计模型

除了对有无挡板下卧式滤筒除尘器的气流组织进行分析外，还设计了对不同挡板角度下气流组织情况的探究，在前文165°挡板模型基础上进一步设置150°，160°，170°，175°和180° 5种情况并将它们进行对比，由此得出该种模型下气流组织的分布规律。其中挡板角度为165°时的除尘器模型右视图如图5所示，余下5种情况仅是挡板角度的不同，挡板距2侧壁距离及箱体模型均一致。

图5 165°挡板模型右视图Fig.5 Right view of 165° baffle model

3.2 流场速度分布

图6所示分别为150°和180°2种挡板角度下x=730 mm平面的速度云图，由于160°，170°、175°在该平面的速度分布与165°挡板相似，可参见图2，故不做展示。

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

将图6与图2对比可见，增设挡板后，射流现象均已消失且滤室内流场速度显著降低，最大速度出现在下排滤筒的间隙，约3 m/s，是因为在挡板的分流下，沿两侧而下的部分未过滤气体在滤室底部汇合，进而沿下排2滤筒间隙向上爬升，使得此处气流速度增大。此外，随着挡板角度的减小，上排滤筒处的气流速度也逐渐降低，而对比180°挡板下1号滤筒、160°～175°挡板下2号滤筒、150°挡板下2号和4号滤筒所处部位相对于其他滤筒速度偏小，结合流量分配系数发现，速度偏小的滤筒，其流量分配系数也最小或是较小，可以得出滤筒表面速度过低并不利于过滤的结论。

图7～9分别是150°，175°，180°挡板角度下的滤筒表面速度云图。通过在Fluent里对比各个挡板角度下的滤筒表面速度云图发现，从150°到175°的5种角度下4个滤筒的表面速度分布特点基本相似，下排滤筒的风速随着挡板角度的增大而减小，而上排除了外侧两端小区域的最大速度有所增大，其余无明显变化，与180°时存在较明显差异。但整体来看，所有角度下滤筒的表面速度大多分布在0.4～2.8 m/s这个区间，上排滤筒(1号和2号)位于0.4～2 m/s，下排滤筒(3号和4号)位于1～2.8 m/s，上排整体低于下排。低速区位于1，2号滤筒上侧及上下2排滤筒的间隙，考虑是由于布局紧凑间距不足所导致，最大速度基本出现在滤筒两端小范围区域。由滤筒表面的风速分布特点可以得出，下排滤筒的冲刷会较上排严重，且下排滤筒两端可能会最先出现磨损。

图7 150°挡板时，滤筒表面速度云图Fig.7 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 150°

图8 175°挡板时，滤筒表面速度云图Fig.8 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 175°

图9 180°挡板时，滤筒表面速度云图Fig.9 Nephogram of surface velocity for filter cartridge with baffle of 180°

3.3 流量分配均匀性

图10的折线图可直观看出，各挡板角度下滤筒流量分配系数在1.0上下的浮动情况以及随着角度变化而变化的情况。可以看出，除了180°的折线与其他明显不同，余下5种的走势规律基本相似：都是1，3号滤筒的流量分配系数较大，1号最大，且随着角度减小，最大系数逐渐增大至1.216，说明1号滤筒的过滤负荷最大，容易出现破损，而2，4号可能无法充分发挥其性能。

图10 不同挡板角度下滤筒流量分配系数Fig.10 Flow distribution coefficient of filter cartridge under different angles of baffle

表3～4是6种角度下各滤筒具体的流量分配系数及相关表征气流分配均匀性的系数，从各项具体系数可以看出，在6种角度中只有165°和170°时的最大正负偏差在±15%以内，最大流量不均系数和综合流量不均系数都较小，能达到气流组织基本均匀的标准。此外，将滤筒表面的速度分布与各滤筒流量分配情况结合分析发现：滤筒表面过滤风速对其流量分配系数影响较大，其中当滤筒表面风速在0.85～1.87 m/s的过滤面积最大时，其分配系数最大；风速>2 m/s的过滤面积最大时，流量分配系数最小；当风速<1 m/s的滤筒面积越大往往分配系数也会越偏小。这表明，滤筒表面风速过高或过低都不利于过滤。

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

表4 流量分配结果Table 4 Results of flow distribution

4 结论

1)无挡板的卧式滤筒除尘器以10 m/s的入口速度进行模拟发现，存在射流和内部气流分布不均的问题，高达10 m/s流速会导致滤筒内侧遭到严重的气流冲刷，使该部位容易破损，且易造成二次扬尘问题。加设165°挡板及适度增加滤室高度后，射流问题解决，同时气流均匀性得到显著提升。

2)在同样滤室高度下，对比分析150°，160°，165°，170°，175°和180° 6种挡板角度下的除尘器内部速度分布及各滤筒流量分配情况发现，从150°到175°的5种角度下4个滤筒的表面速度分布特点基本相似，但在165°和170°时，滤筒表面风速更为均匀且其流量分配系数偏差在±15%以内。结合流量分配结果可以认为，只有在165°～170°挡板角度时，气流组织达到均匀标准。

3)除尘器内部的气流组织与其内部构造密切相关，结构参数的变化都会引起气流组织的较大改变，在进行卧式除尘器的设计制造时，对其进行气流组织的模拟进而寻求最佳的结构参数设置方式是十分必要的，后续研究可在本文基础上进一步优化挡板(流线型挡板、多孔挡板等)结构，进而获得更优的气流组织设计。