探究噴霧除塵方式及粉塵粒徑分布規(guī)律的數(shù)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(jī)械、化工、輕工、冶金等工業(yè)的發(fā)展，在固體物質(zhì)機(jī)械加工或粉碎、有機(jī)物質(zhì)不完全燃燒、過篩、包裝、搬運(yùn)等操作過程中產(chǎn)生大量粉塵，且所帶來的危害也與日俱增[1-4]。

工人長(zhǎng)期吸入生產(chǎn)性粉塵，會(huì)引起肺部病變，產(chǎn)生塵肺病，據(jù)統(tǒng)計(jì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國塵肺病報(bào)告人數(shù)超過72 萬人。馬素平等[5-7]通過對(duì)回風(fēng)巷中影響粉塵沉降效率的因素進(jìn)行分析，結(jié)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??；程衛(wèi)民等[8-9]對(duì)高壓噴霧降塵機(jī)理進(jìn)行分析，并推導(dǎo)出霧化捕捉最小粉塵粒度的解析式，并通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)不同壓力下霧化粒度進(jìn)行測(cè)定，得出粒徑隨壓力增大霧化粒度變小的結(jié)論[10-11]。目前一些國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤礦降塵方面做了一定的研究，但是對(duì)一些化工和輕工工業(yè)的發(fā)展，比如紡織行業(yè)，木材廠加工過程中，機(jī)械切割等產(chǎn)生的棉粉、木屑、鐵屑等金屬粉末，對(duì)工人的身體健康造成嚴(yán)重傷害，因此對(duì)噴霧除塵器的研發(fā)，基于小型、環(huán)保、可循環(huán)、成本低，降塵率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其在箱體底部增加吸水性強(qiáng)的海綿墊，增加排水管，當(dāng)水量達(dá)到一定程度可由排水口排出，適用于各種環(huán)境，可改造管道長(zhǎng)度、箱體大小、噴嘴個(gè)數(shù)以及安裝位置，研發(fā)的進(jìn)一步研究噴射源位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證分析噴霧除塵器的有效性和實(shí)用性，所以本文針對(duì)噴霧除塵器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬研究，分析除塵器內(nèi)部的除塵效果，可為研究者提供改良設(shè)備的重要經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù)，尤其對(duì)紡織加工行業(yè)以及地面煤的搬運(yùn)與裝卸具有重大意義。

1 數(shù)學(xué)模型

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型對(duì)噴嘴外部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略，包括湍動(dòng)能k 方程和耗散率ε 方程[12-13]。

湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程：

在上述方程中：k為湍流動(dòng)能，m2/s2；ε為湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為用于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；μ為層流的粘性系數(shù)，Pa·s；μt為湍流的粘性系數(shù)，Pa·s；YM可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)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?cái)?shù)，σk=1.0，σε=1.3。

考慮到噴霧顆粒的體積分?jǐn)?shù)較小，采用DPM（離散相模型）描述粉噴霧顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過對(duì)拉格朗日坐標(biāo)下粉塵及噴霧顆粒之間的作用力進(jìn)行積分的微分方程求解每一個(gè)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(zhì)量，mg；Vp為顆粒運(yùn)動(dòng)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(zhì)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(shù)；Cμ為動(dòng)力形狀系數(shù)，此處取1；Sd為顆粒的迎風(fēng)面面積，m2；a1、a2、a3對(duì)于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)為常數(shù)；dp為顆粒直徑，m。

在對(duì)霧滴進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，選用泰勒類比破碎（TAB）模型。根據(jù)該模型，作用在霧滴表面的力主要由氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shù)，通過實(shí)驗(yàn)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(shí)候，認(rèn)為霧滴發(fā)生破碎。

2 幾何模型及邊界條件

2.1 幾何模型

本文采用設(shè)計(jì)研發(fā)的噴霧除塵器，主要分為除塵室、噴嘴、氣包、離心風(fēng)機(jī)、噴嘴、海綿墊、排水口等七部分組成。箱體外形尺寸長(zhǎng)×寬×高=1200mm×600mm×800mm，進(jìn)風(fēng)口直徑Φ200mm，管道長(zhǎng)度可根據(jù)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(wǎng)格，全局網(wǎng)格尺寸為0.1，網(wǎng)格數(shù)量266 600 如圖2所示。

圖1 除塵器三維立體幾何模型

圖2 網(wǎng)格劃分模型

2.2 邊界條件

將用Solidworks 建成的幾何模型導(dǎo)入到Fluent中，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)邊界條件、噴霧參數(shù)、粉塵源參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的，且出口面設(shè)置trap 捕捉顆粒粉塵，見表1。

表1 邊界條件和粉塵源參數(shù)

本次模擬采用3 種小型噴嘴，進(jìn)一步模擬改變噴嘴的位置，研究分析新研發(fā)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(shù)設(shè)定

圖3 噴射源位置設(shè)置

3 除塵器除塵效果的數(shù)值模擬研究

3.1 除塵器內(nèi)部粉塵濃度粒徑分布特征

對(duì)噴霧除塵器內(nèi)部粉塵顆粒擴(kuò)散情況進(jìn)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(jié)合圖4 模擬結(jié)果分析如下：

1）在箱體內(nèi)部入口至x=-0.3m 段處（從左至右），可以看到在入風(fēng)口處，粉塵顆粒聚集，濃度較高達(dá)到8×10-4kg/m3，隨著風(fēng)機(jī)負(fù)壓的作用，粉塵顆粒隨著風(fēng)流流動(dòng)，在x=0.3m 處，風(fēng)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(fēng)流逐漸抵達(dá)該段，粉塵顆粒逐漸擴(kuò)散；由于粉塵顆粒自身重力作用，在擴(kuò)散過程中，逐漸沉降，粉塵濃度降低，剩余粉塵顆粒隨著風(fēng)流繼續(xù)流動(dòng)濃度在5.6×10-4～7.2×10-4kg/m3，粉塵濃度相對(duì)較低；

3）在x=0.3 至箱體出口段處，由于運(yùn)行過濾時(shí)間較長(zhǎng)，粉塵在出口這段不斷堆積，粉塵濃度和粉塵顆粒數(shù)量達(dá)到很高的值，濃度達(dá)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(fēng)速，阻礙粉塵的流動(dòng)，進(jìn)而能達(dá)到很好的除塵效果。

3.2 除塵器內(nèi)部除塵效果模擬分析

3.2.1 除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分析

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

圖5 霧滴濃度矢量圖以及風(fēng)速云圖

如圖5 和6，分析模擬結(jié)果如下：

1）第1 組在①（x=0.3，y=0，z=0.8）位置處，隨著風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，在①位置處，霧滴并不能改變風(fēng)流速度及方向，風(fēng)流按照原軌跡流動(dòng)，霧滴隨著風(fēng)流繼續(xù)向前流動(dòng)，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(dòng)，但數(shù)量極少；當(dāng)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(shí)，此時(shí)風(fēng)流恰好從2 個(gè)噴射源中間穿過，風(fēng)速降低到3m/s 左右，風(fēng)流流動(dòng)方向受到輕微影響，但總體未改變風(fēng)速大小和風(fēng)流流動(dòng)方向。結(jié)合3.1 分析，除塵器在工作時(shí)粉塵顆粒隨風(fēng)流四處擴(kuò)散，由此可見第1組噴射源并不能對(duì)粉塵顆粒的擴(kuò)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(dá)到0.02kg/m3，霧滴對(duì)風(fēng)流造成了輕微的阻礙作用，使風(fēng)速降低至3.5m/s 左右，但風(fēng)流依舊沿原來軌跡流動(dòng)；當(dāng)風(fēng)流繼續(xù)向前流動(dòng)受到位置②更大的阻礙作用，可以看到風(fēng)流流動(dòng)方向改變，此時(shí)粉塵肯定會(huì)受到霧滴風(fēng)流壓力和速度的影響，同時(shí)由于重力作用使得粒徑較大的粉塵向底板側(cè)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(xù)向除塵器后部擴(kuò)散形成繞流，經(jīng)噴霧影響，使得原小粒徑粉塵的運(yùn)動(dòng)路線發(fā)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(shè)置比較合理，能有效改變粉塵顆粒運(yùn)行軌跡和風(fēng)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(shí)，噴射源的位置設(shè)置在主風(fēng)流方向兩側(cè)處，霧滴的擴(kuò)散并不能降低風(fēng)速和阻礙風(fēng)流流動(dòng)，粉塵顆粒隨風(fēng)流流動(dòng)，很難達(dá)到降低粉塵濃度的作用；當(dāng)粉塵隨風(fēng)流到達(dá)除塵器后半段時(shí)，位置③的噴射源，風(fēng)流流動(dòng)受到輕微的擾動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)速減小，但是總體平均風(fēng)速還是達(dá)到3.8m/s，并不能有效降低風(fēng)速和阻礙風(fēng)流流動(dòng)，不能有效降低粉塵濃度。

綜合以上分析，當(dāng)噴射源設(shè)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(shí)可以有效阻礙風(fēng)流流動(dòng)和改變風(fēng)流運(yùn)動(dòng)軌跡，并且減小風(fēng)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(shè)置trap 捕捉未被噴霧降塵除去的粉塵顆粒，進(jìn)一步分析除塵器的除塵效果。

如圖7，所示當(dāng)粉塵直徑在2μm 左右范圍時(shí)，粉塵質(zhì)量占據(jù)55%左右，隨著粉塵直徑的增大，粉塵質(zhì)量總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，當(dāng)粉塵直徑在16～20μm 可以看出，粉塵質(zhì)量在3%左右，經(jīng)由模擬結(jié)果可知粉塵源有大約368 305 個(gè)粉塵顆粒，捕捉到8 426 個(gè)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(duì)粉塵顆粒粒徑在2.1～26μm 之間的粉塵除塵效果較好，更進(jìn)一步說明了除塵器具有很好的除塵效果。

4 結(jié) 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(shí)，由于前段和中間頂部噴嘴噴霧，風(fēng)流受到一定的阻礙作用，使得前中部粉塵較難繼續(xù)向除塵器后部擴(kuò)散形成繞流，將會(huì)導(dǎo)致粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生比較大的偏移，此時(shí)噴嘴位置可以有效改變風(fēng)流的方向和減小風(fēng)速，除塵效果較好。

2）在出口面進(jìn)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(duì)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(duì)噴霧除塵器除塵效果的數(shù)值模擬研究分析，該除塵器充分結(jié)合濕式除塵技術(shù)和干式除塵技術(shù)有效降低了粉塵濃度，打破了研究?jī)H局限于濕式除塵技術(shù)或者干式除塵技術(shù)的局面，為除塵設(shè)備提供重要的參數(shù)，符合新時(shí)代可持續(xù)和綠色環(huán)保發(fā)展的要求，保護(hù)工人身體健康，減少資源浪費(fèi)。