基于康达效应的松香粉尘多层过滤器

崔 悦，刘冰瑾，蓝天茹

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430000）

1 设计背景及意义

为响应保绿色环保、减少排放的号召，中国出台了最新版的《大气综合排放标准》，国家新环保标准要求工业烟尘排放的质量浓度为30 mg/m3以下。松香粉尘作为橡胶生产中的副产物，其在多个地方的排放量均超过国家标准，在生产工作岗位，平均每小时排放的质量浓度为18.6～22.8 mg/m3，超过现场空气粉尘的时间加权平均容许质量浓度和职业接触限值。

松香是生产橡胶和歧化松香酸钾皂的主要材料，松香的破碎与熔融为装置的重要工序。在破碎与运输松香过程中，很容易产生大量松香粉尘，并扩散到空气环境里。工业用松香中常含有有毒化合物和一些铅等重金属，且氧化后产生的过氧化物对空气环境和监测工人的健康的毒性较大。因此，松香粉尘超标是生产过程中迫切需要解决的问题[1]。

由于施工空间较大，松香粉尘较难收集，传统的喷淋除尘法和滤筒除尘法均存在易堵塞、成本高等问题。因此，拟设计一种高效且不易堵塞的多层过滤装置，对松香粉尘进行收集处理。

2 设计方案

2.1 装置整体设计

本项目设计了一种基于康达效应的新型防堵塞多层过滤装置，装置主要由粉尘吸收模块和多层过滤床除尘模块2个模块组成。

2.2 工作流程

当松香被破碎后，会从下料口下落进入收集装置内，在周围风力和气流的作用下会产生大量扬尘，这些污染使相关生产岗位的粉尘质量浓度最大值超标。因此需要本装置首先通过粉尘吸收模块，利用康达效应将工厂中弥散的松香粉尘进行有效收集，进而依靠多层过滤床对粉尘进行分步过滤处理。

2.3 基于康达效应的粉尘吸收模块设计

粉尘吸收模块主要包括集尘器、冷却风扇和导流风罩等结构。考虑到松香粉尘弥散在工厂内部的大气中，收集难度较大，因此吸收模块利用康达效应对其进行有效收集。

装置开始供电后，冷却风扇高速运转，大气在冷却风扇与导流风罩之间产生一定的负压力。经过冷却风扇转动，周围含有松香粉尘颗粒的空气气体流速加快，高速射流和周围的大气空气将其推向曲面。粉尘气流由原来自上而下的垂直方向变为沿导流风罩弧面的曲线方向，进而将高速气流集中于中部，流入下方多层过滤床的开口处。同时在开口处大气压与负压的压力差作用下，装置中产生气流，将粉尘气流吸入，并通过持续吸气防止粉尘溢出[2-3]。

2.4 多层过滤床除尘结构设计

松香粉尘主要产生于加工工艺的破碎流程中，流出的气体温度较高，而且粉尘成分中含有松香与少量乳化剂，容易凝结，因此需要较高的净化要求。本装置通过一种多层过滤床的设计来进行松香粉尘处理，同时解决不耐高温和滤料堵塞问题。

2.4.1 多层滤料设计

除尘模块包括自上而下6个过滤层，每层过滤层均由上层滤料、下层滤料及沉降室组成.

模块工作流程如下：松香粉尘的气体从进气口进入装置后，较粗大的粉尘在沉降室中沉降，细小粉尘先经过粗粒径的上层滤料进行初步除尘，在经过细粒径的下层滤料进行精除尘。每层过滤床连接一个排风支管，除尘后的气体通过排风支管汇集在一起被排放到大气中。过滤床进行清灰时，反吹阀门打开，反吹气流再从下到上经过布风板进入滤床，将过滤时截留下来的灰尘反吹到沉降室，进行沉降。即使当松香粉尘与乳化剂凝结时，凝结成的小颗粒也会随灰尘一起落入沉降室沉降。与传统滤筒除尘装置相比，在清灰时不会产生堵塞和过滤面积减少等问题。

2.4.2 导流板设计

当含有粉尘颗粒的气体进入滤床时，因其含有粒径较大的粉尘颗粒，进入滤床后不易被清出，且当反吹气流不断地进行反吹清灰后，粉尘颗粒易反复进入过滤床，造成过滤床负担较重。因此本装置拟在沉降室入口处加入导流板，改变气流在过滤床内的流场。加入导板后，通入的高速气流在进入流化床后会向两侧产生分流，同时在导流板开口处会产生涡旋区域。涡旋区域的气流方向变化剧烈，大颗粒粉尘随涡旋进入两侧的沉降室中。

缩口通道设计为从上至下逐步缩小，在缩口处保持较高的气流速度，采取这种方式可以加大粉尘颗粒在导流板处的惯性分离作用，进入过滤床的粉尘颗粒大量减少，从而提高粉尘颗粒沉降到底部灰斗的沉降效率。

3 可行性分析[4-6]

3.1 反吹气流可行性分析

本装置中，在过滤床除尘模块加入反吹阀门的设计，通过控制阀门的开关进而控制反吹气流的通入进行清灰工作。当工厂内的气体进入过滤床，松香粉尘沉降在滤料表面时，应计算出通入的反吹气体的最小流动速度，以保证被滤料表面截获的粉尘颗粒能够全部被吹起并落入沉降室中。

设粉尘颗粒的密度分别为500 kg/m3、1 000 kg/m3、1 500 kg/m3和2 000 kg/m3，通过斯托克斯公式计算沉降的速度：

式（1）中：d为颗粒直径；ρ为颗粒密度；ρ1为气体密度；g=9.81 m/s；μ为气体动力粘度。

可知，当通入反吹气流进行清灰时，只需要满足气流的流速大于其对应的最小反吹流速时，粉尘颗粒能够被吹起。

3.2 导流板可行性分析

为了使较大的颗粒直接进入沉降室进行沉降，不堵塞滤料，造成滤床负担，对沉降室进行优化非常有必要。本装置通过在沉降室入口处加入导流板能够对改变气体流场起到辅助作用。为了让通入的高速气流在进入流化床后向两侧产生分流，较大颗粒沿导流板方向进入沉降室，而降低其进入过滤床的概率。

由于导流板角度对气体颗粒的运动轨迹有较大影响，需选取合适角度使颗粒最大概率进入底部灰斗。从工程实际考虑，导流板角度不应过大，也不应过小。当导流板角度较大时，导流板上侧容易积灰；当导流板角度较小时，导流板长度会过长。

式（2）中：xj为x、y、z方向上的坐标，m；ui为气体在x、y、z方向上的速度，m/s；p为湍流有效压力，Pa；μ为动力粘性系数。

可知导流板最佳角度为22°。初步设计板厚为5 mm，导流板与垂线夹角为22°，在粉尘颗粒在重力的作用向下运动的时候，依靠固气的惯性进行分离。通过软件对过滤床内的气流进行仿真分析，可以得出导流板的最优深度和流场的变化。

仿真结果显示，导流板开口处两侧会产生涡旋，且在涡旋区域的气流方向变化剧烈，大颗粒粉尘随涡旋进入两侧的沉降室中。根据参考数据，以其中粒径为120 μm的粉尘颗粒为例，沉降率从原来的8.1%提高到了42.6%，说明加入导流板后的沉降率明显提高，改进效果较为明显，因此具有较大的可行性。

3.3 收集模块可行性分析

根据伯努利方程，建立以进气口的位置和缝隙出口处的位置为2个状态的方程，可以算出管道中心处的压力P2：

式（3）中：P1为大气压；ρ为空气密度；α为动能修正系数；g为重力加速度；h1、h2为中心高度；P2为进气口处的大气压。

气流进入管道状态为湍流，动能修正系数α=1，ρ=1.205 kg/m3，P1=1.01×105，由于高度较小，忽略势能因素，可计算出进口处的压强P2=0.846 14×105Pa，可以发现进气口处的压强明显小于大气压，故可以形成负压。

4 节能减排效益分析

目前橡胶与歧化松香酸钾皂加工厂中的松香粉尘处理效果较差，仅仅通过空气检测和让工作人员佩戴口罩是无法从根本上解决问题的，经过对工厂中岗位工作环境的调查，可知空气中的粉尘质量浓度仍然较高。因此，本装置首先通过进气口处的松香粉尘质量浓度及吸收模块中的导流风罩引流速率对吸收效率进行计算。孔板和集尘器收尘面积等数据，由以下公式计算可得：

式（4）中：A为含灰量；V为处理粉尘量；S为入口粉尘比表面积；M为粉尘质量分数。

喷嘴卷吸率的计算公式为：

式（5）中：m为射流卷吸周围气体的质量流率；m0为射流的质量流率；x为计算截面距离射流喷嘴的距离；d0为圆形喷嘴射流的直径；ρ1为周围气体的密度；ρ0为射流气体的密度。

通过计算可知空气泵吸入的气体流速为308 m3/h，根据多层过滤床中的滤料面积以及经过导流风罩后的气体流速，利用式（6）—式（8）算出装置吸尘效率。

式（6）—式（8）中：C1为阻力系数，m-2；ε为筛分面积百分比；q为渗透率，m2；C2为惯性损失系数，m-1；d为滤网孔径，mm。

出气口的气体粉尘质量浓度大大减小，相比于传统喷淋式集尘方法，过滤效率提高43%～45%。故本装置可产生一定的节能减排效益。

5 创新点

应用创新：本装置将过滤除尘方法进行创新，应用康达效应进行粉尘收集处理，与传统除松香粉尘方法相比具有更高效率。

结构创新：在集尘器的进气口处加入孔板的设计，减小流动损失，过滤床内设计有反吹阀门，能够防止粉尘堵塞，增加了装置寿命。

结合创新：将基于康达效应的导流风罩多层耐高温滤料相结合，提高了粉尘的收集和处理效率。

6 应用前景

近年来，空气过滤器市场发展逐渐全球化，世界范围内对环境保护的要求更严格。在工业生产发展日新月异和环保意识逐渐增强的大环境下，过滤装置具有广阔的市场前景。

本装置在应用康达效应进行粉尘收集的基础上，还加入具有多层滤料和反吹阀门的过滤处理装置，与传统过滤装置相比，具有更加高效、不易堵塞的优点，玻璃纤维复合滤料耐高温，可延长装置的使用寿命。因此，本装置可应用于垃圾焚烧、气流干燥工艺、食品加工场内的空气净化等各个领域，具有广泛的应用前景。