呼吸性粉尘虚拟冲击分离器数值模拟及实验验证

李彦筑，王 杰，谢 双

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331)

尘肺病是目前我国严重的职业病之一。根据国家卫生健康委员会统计，2020年，全国共报告各类职业病新增病例共17 064例，其中职业性尘肺病占14 367例[1]，占比超过80%。呼吸性粉尘是引发尘肺病的主要因素[2]。为降低尘肺病的发病率，减少呼吸性粉尘的危害，需要有效降低作业场所的粉尘浓度，加强对呼吸性粉尘质量浓度的连续准确监测。如何有效地把呼吸性粉尘按照规定的分离标准从总粉尘中分离出来，是实现呼吸性粉尘精确监测的关键[3]。笔者拟通过对呼吸性粉尘分离标准和分离技术的研究分析，设计出可以满足BMRC分离标准且能实现呼吸性粉尘连续分离的分离器，并进行相关的实验测试与分析。

1 颗粒物的分离标准及技术

1.1 分离标准

呼吸性粉尘是指按照相关标准测定方法所采集的、可进入肺泡的粉尘粒子，其空气动力学直径均在7.07 μm以下，且当空气动力学直径为5 μm时采样效率为50%[4]。目前，国际上针对呼吸性粉尘的分离标准常用的有3种：1952年由英国医学研究委员会提出，1959年在南非约翰内斯堡召开的国际尘肺会议上被广泛接受的BMRC标准曲线；1968年美国政府工业卫生专家协会颁布的ACGIH标准曲线；20世纪90年代欧盟新提出并沿用至今的EN481标准曲线[5-6]。分离标准定义了分离器在各粒径点的分离效能(分离效能指的是粒径与分离比例的关系[7])。各分离标准对应的分离效能曲线如图1所示。

图1 不同分离效能曲线对比

我国煤炭行业自1995年引进BMRC曲线以后一直沿用至今。在MT 394—1995《呼吸性粉尘测量仪采样效能测定方法》中规定我国呼吸性粉尘监测仪的采样效能以BMRC曲线为标准，且在每个粒径点的分离效能误差不大于5%。

1.2 分离技术

目前，国内外主要用于呼吸性粉尘分离的技术有3种：陶析式、冲击式、旋风式[8]。

1)陶析式分离器主要依靠重力的沉降作用，选用水平板作为分离器。当含尘气流通过分离器时，大颗粒粉尘受重力作用沉降到水平板上，而较小的颗粒(如呼吸性粉尘)沉降速度很慢，会随气流通过狭缝，实现分离。

2)惯性冲击式分离器由喷射孔和冲击板组成。含尘气流在喷射孔处被加速，大颗粒粉尘因惯性较大会逃脱气流，直接撞向冲击板并被涂有黏性物质的冲击板捕获[9]；粒径小的粉尘则由气流带动绕过冲击板，通过分离器，实现分离。

3)旋风分离器由进气口、直筒、锥形筒、排气口和集灰斗组成。含尘气流从入口进入旋风筒后，受内壁约束做圆周运动。大颗粒粉尘受到的离心力较大，与内壁碰撞损失较多动能，然后沿内壁下落至集灰斗；小粒径粉尘则随气流继续流动，在旋流作用下排出排气口，达到分离目的[10]。

通过分析，在实现呼吸性粉尘的连续分离方面，以上3种技术都存在着局限性：陶析式分离器由于水平板很短且板间距很小，短时间内水平板会被大颗粒粉尘填满，长时间使用还会产生二次扬尘，使待检的含呼吸性粉尘的气流被污染；惯性冲击式分离器冲击板上的黏性物质需定期更换涂抹和清理，否则在高浓度的环境里或持续使用的情况下，板面会被粉尘填满；旋风式分离器与另外两种分离器相比，可使用时间较长，但在实现连续分离方面仍有困难，其集灰口仍需清洁维护，且对各结构尺寸配合要求较高，各因素对分离效能的影响尚在研究中[11-12]。

为解决粉尘连续分离的问题，在分析传统惯性冲击分离技术原理的基础上，提出了没有冲击板的“虚拟冲击分离”概念[13]。从20世纪60年代起，国外就已经开始对虚拟冲击器展开了系统的理论研究，并逐渐将虚拟冲击器投入实际应用中[14]。而国内在虚拟冲击器方面取得的研究成果较少，目前多应用于固定污染源监测和气溶胶分离等方面[15-16]。因此，开展可实现连续分离呼吸性粉尘的虚拟冲击器研究具有重要的理论和应用意义。

2 基于虚拟冲击分离的模型建立与仿真

2.1 虚拟冲击原理

虚拟冲击的原理与传统的惯性冲击相似，都是利用颗粒物粒径不同而产生的惯性不同来进行分级的。虚拟冲击分离技术主要是用收集腔代替了传统的冲击板，含尘气流在通过喷嘴之后会进入腔体而不是直接冲向固体板，所要采集的粒子还保留在采样气体中。相比传统冲击式，其优势在于解决了粒子破碎、反弹等问题[17-18]。

虚拟冲击分离技术所对应的分离器被称为虚拟冲击器，其组成部分有喷气孔、收集腔、“主流”及“弱流”通道。喷气孔的直径D1很小，含尘气流在通过时被加速。喷出的气流一分为二：一部分气体(约占总气体的90%)发生90°的变向，进入下一级，这部分气流被称为“主流”；剩下的一部分则直接冲进收集腔，这部分气流被称为“弱流”[19]。小粒径粒子的惯性较小，随着气流向“主流”流动；大粒径粒子则会由于惯性随着较弱的气流进入收集腔，排向外界。虚拟冲击器分离原理如图2所示。

图2 虚拟冲击器分离原理图

2.2 虚拟冲击器的设计及仿真

1)虚拟冲击器结构。虚拟冲击器的主要结构参数分别有喷气孔角度θ1、喷气孔直径D1、喷气孔与收口之间的距离S、收集腔直径D2,以及喷气孔与收集腔的同轴度δ。由文献研究可知，当喷气孔角度θ1为45°、收集腔直径D2约为D1的1.3～1.4倍时粒子损失量最少；收集腔与喷气孔的距离S约为D1的1.2～1.8倍，以及要求同轴度δ需不大于0.05 mm。采样流量依照MT 394—1995标准确定；结合Stokes公式和切割粒径计算得到结构尺寸。在此基础上，建立虚拟冲击器的三维模型，并将其划为5个部分：入口段、加速段、分流域、主流及弱流出口。虚拟冲击器各区域划分情况如图3所示。

图3 虚拟冲击器区域划分

2)网格划分及计算方法。建立虚拟冲击器三维模型，然后使用ICEM对模型进行网格划分前处理；再采用CFD软件Fluent对虚拟冲击器内部的气固两相流进行数值求解。求解器选择SIMPLE方式，对流相采用QUICK 格式，扩散项则采用Least-Squares Cell Based(基于单元体的最小二乘法插值)。

3)网格无关性验证。从理论上讲，网格布置越密，得到的计算结果也越精确，但同时计算量也越大，计算机造成的舍入误差也会增大。因此，需要选择合适的网格数以提高仿真的精确度[20]。选用喷气孔气流速度来验证不同网格数对计算结果精度的影响，验证结果如表1所示。

表1 网格无关性验证

由表1可知，当网格数达到50万以后，喷气孔气流速度变化较小。为节省计算时间，最后设定网格数为589 118。网格划分情况如图4所示。

图4 网格划分情况

4)边界条件。虚拟冲击器入口采用速度入口(velocity inlet)，主流出口与弱流出口均采用自由出口(out flow)，其中主流出口流量权重为0.9，对离散相设置为捕捉(trap)；弱流出口流量权重为0.1，对离散相设置为逃逸(escape)。壁面设为wall，设置为无滑移边界条件，与离散相的作用设为反弹(reflect)。

2.3 模拟结果与分析

通过数值模拟可以求解虚拟冲击器的内部流场参数，得到虚拟冲击器内部速度、压力参数(动压和静压)的分布特性，截面选取位置如图5所示。

图5 数值模拟横截面选取位置

虚拟冲击器各部分速度场分布情况如图6所示。

(a)入口段

(b)加速段

(c)分流域

(d)弱流出口

由图6可以看出：入口段中，速度沿轴向从上往下逐渐增大，而在同一横截面上，径向速度几乎保持不变；加速段中，锥形段的速度沿轴向增量较大，而相比之下圆柱段的增量变小；分流域中，速度沿轴向逐渐变小，同一横截面的径向速度向四周减小，但其中在靠近收集腔的截面上，速度则是从轴心沿径向逐渐升高至局部最大值，然后骤降至很小，再陡升至一个最大值，最后开始缓慢减小至平缓；弱流出口中，速度沿轴向逐渐减小，直至趋向扁平化，而径向速度则沿径向逐渐减小。

动压的表达式如下：

Δp=ρv2/2

(1)

式中：Δp为动压，Pa；ρ为气流密度，kg/m3；v为气流速度，m/s。

式(1)中，由于冲击器内的气流速度远不及音速，故ρ近似不变，所以动压与速度呈正相关关系。因此，动压在各横截面上的径向分布与上述速度分布的趋势基本一致。

虚拟冲击器各部分的静压分布情况如图7所示。

(a)入口段

(b)加速段

(c)分流域

(d)弱流出口

由图7可以看出：入口段的静压沿着轴向减小，除了截面末端的静压从中心沿径向增大后趋于稳定以外，其他位置同一截面数值变化都很小； 加速段的锥形段，静压沿轴向逐渐减小，沿径向近似不变，圆柱段部分的静压沿轴向、径向均减小；分流域中，静压沿轴向增大，但在距离收集腔近处的静压则是由轴心最大值沿径向先减小再增大，又陡降至最低值，再缓慢增大，最后趋于稳定；弱流出口不同横截面静压值几乎不变，随深度增大，静压值逐渐减小，并趋于恒定。

在明确了虚拟冲击器内部流动参数的分布情况，完成气相场求解的基础上，进一步对多个模型进行求解和优化，最终得到满足BMRC曲线分离标准的虚拟冲击器，其结构参数见表2。

表2 模型结构参数

3 实验验证

根据仿真分析得到的结构参数加工制作模型样件。根据MT 394—1995《呼吸性粉尘测量仪采样效能测定方法》要求，分别对虚拟冲击器5个粒径点进行了5次实验。实验过程中保证室内相对湿度小于85%，环境温度约为(20±5) ℃，扩散罩气流流量控制在1 L/min，干燥筒气流流量为10 L/min，采样时间设置为30 min。采样结束后，用定量乙醇在试管中分别浸泡滤膜和未采样白滤膜4 h，同时用乙醇清洗通道；最后用可见光分光光度计测量得出各个浸泡溶液的浓度值，进而计算出虚拟冲击器在各粒径下的分离效能。测试结果与BMRC曲线对比及误差见表3。

表3 虚拟冲击器分离效能实验数据

根据式(2)计算虚拟分离器分离效能与BMRC曲线的标准差：

(2)

实验结果表明：粒径为2.2 μm时平均误差为3.85%；粒径为3.9 μm时平均误差为2.69%；粒径为5.0 μm时平均误差为2.61%；粒径为5.9 μm时平均误差为1.79%；粒径为7.1 μm时平均误差为3.12%。综上分析，5个实验点的标准差δ=2.89%，小于5%，满足MT 394—1995标准规定的误差限值，符合要求。

4 结语

1)虚拟冲击分离技术具有连续分离的特点，是实现呼吸性粉尘连续分离的关键。虚拟冲击器的内部流场分布情况：速度分布方面，入口与加速段沿着气流流动方向逐渐增大，而在分离域和弱流出口逐渐减小；动压的分布与速度的分布趋势基本一致；静压分布方面，入口与加速段沿气流流动方向逐渐减小，分流域、弱流出口处则沿着流动方向逐渐增大。

2)实验结果表明，虚拟冲击器的分离效能与BMRC曲线分离标准的最大误差为3.85%，最小误差为1.79%，其中当粒径为2.2 μm与7.1 μm时，误差相对较大，分别为3.85%、3.12%，但都仍满足MT 394—1995的要求，均小于5%。