1、102大气污染治理旋风-滤板一体式除尘器性能优化数值研究*杨宏刚姚蕾孟晓静王楠曹莹雪（西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055）摘要为弥补旋风除尘器尤其是大筒径旋风除尘器对微细颗粒除尘效率低的不足，通过在旋风除尘器环形空间内安装金属纤维滤板构造出旋风-滤板一体式除尘器，将离心与过滤两种除尘机理联合以提高微细颗粒的除尘效率。数值模拟研究了旋风-滤板一体式除尘器的滤板宽度 W、高度 h 与个数 N 等因素对其分离性能的影响，在此基础上采用正交试验对金属纤维滤板的几何结构进行参数优化设计。结果表明：滤板参数对除尘效率显著性排序为NhW，滤板参数推荐取值为W=0.05Dc、h=1.5L
2、、N=4，此时一体式除尘器对于 2.5 m 颗粒的分离效率为 80.8%，与旋风除尘器相比分离效率提高 22.9%，并使压降降低 28.8%。关键词旋风除尘器过滤分离效率压降Numerical study on performance optimization of cyclone-filter plate combined dust collectorYANG Honggang YAO Lei MENG Xiaojing WANG Nan CAO Yingxue（College of Resources Engineering，Xian University of Architecture
3、and Technology，Xian Shaanxi 710055，China）AbstractTo compensate for the low efficiency of cyclone dust collector，especially the large diameter cyclone dustcollector，a cyclone-filter plate combined dust collector was made by installing metal fiber filter plate in the annularspace of cyclone dust colle
4、ctor.Then the dust removal efficiency for fine particles of which could be effectively im-proved by combiningthe centrifugaland filtrationmechanisms.The influence of thewidth，height and number of metalfiber filter plate on the Separation performance of combined dust collector were investigated throu
5、gh numerical simu-lation.Based on the above influence law，the parameters of geometric structure of metal fiber filter plate were optimi-zed by orthogonal experiment.The results indicate that the significance order of the influence of these parameters onthe efficiency of combined dust collector is Nh
6、W.The optimum values of filter plate parameters are W=0.05Dc，h=1.5L，N=4.Under this condition，the separation efficiency for 2.5 m particles of combined dust collector is 80.8%，which is 22.9%higher than that of the cyclone separator，and the pressure drop is 28.8%lower.Key wordscyclone separatorfilters
7、eparation efficiencypressure drop0引言旋风除尘器作为一种常用的气固分离设备之一，具有成本低、结构简单、耐高温等优点，然而，因其仅依靠惯性除尘机理的限制，使其对粒径在 5 m以下的微细颗粒的分离效率较低。为了提高旋风除尘器对微细颗粒的除尘效率，许多学者尝试对旋风除尘器进行优化研究，主要包括以下 3 个方面，即旋风除尘器的结构与尺寸1-2、操作条件3以及在传统旋风除尘器上增加其他分离机理4-11。赵新义等6参照旋风除尘器的结构在普通脉冲袋式除尘器下方设置了外筒体，在外筒体设置切向入口使得进入除尘器的气体在内外筒体间产生旋转，设计出了具有袋式过滤和旋风分离双重作用机
8、理的组合除尘器，在提高除尘效率和简化工艺流程上有明显优势。XIE B 等7在传统旋风除尘器的排气管内增加了一组滤筒，提出了联合滤筒过滤的新型旋风除尘器，并对其性能进行了实验研究，结果表明在入口流量为50m3/h的情况下，新型旋风除尘器对2.5m颗粒的分离效率为99.11%，相比较原普通旋风分离器高出 70.80%，但压降也增加了约 50%。盛成龙等8采用嵌入式结构将布袋通过固定环及支撑杆设置在排气口下方并竖直固定在整个旋风舱内，研究结果表明复合除尘器有效降低了由于气流返混、上灰环、短路流等现象造成的细微尘粒从排气口逃逸的概率，对于5 m以下细微颗粒去除效率达到99%，但由于布袋两侧内外压差大，
9、导致能耗过高，所以在旋风除尘器内添加过滤机理的方式十分重要。MA-SON S9通过实验在微型除尘器的环形空间内添加2023 年第 49 卷第 3 期March 2023*基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFC0705300)。103两种不同的过滤材料，实验研究结果表明对于 1m的颗粒捕集效率最高提高了 41%，同时压降降低了25.7%。RACHAD10采用数值模拟的方法对添加不锈钢滤芯的一体式除尘器内部的速度和压力流场进行了分析，更详细地揭示了一体式除尘器的除尘机理。但由于其研究的一体式除尘器筒径仅 41 mm，无法满足工程对较大处理风量的除尘要求。已有研究表明，通过在旋风除尘器的
10、环形空间内添加滤板的方式能联合旋风、过滤两种除尘机理，进而有效地提高除尘器对微细颗粒的除尘效率。但目前关于在旋风除尘器环形空间内添加滤板的几何尺寸以及滤板数量对于旋风-滤板一体式除尘器性能的影响规律仍不明确，这将不利于旋风-滤板一体式除尘器的实际推广应用。因此，本工作针对大筒径旋风-滤板一体式除尘器，利用数值模拟方法研究了金属纤维滤板宽度 W，高度 h 和个数 N 等 3 个参数对于一体式除尘器除尘性能的影响规律，在此基础上采用正交试验对金属纤维滤板的几何参数进行了优化设计，旨在为旋风-滤板一体式除尘器的优化设计提供参考。1数值模拟1.1模型建立旋风-滤板一体式除尘器是通过在除尘器的环形空间内
11、添加滤板，将除尘机理由惯性离心力转变为联合旋风除尘和过滤除尘双重机理。大颗粒在离心力的作用下被甩向旋风器筒体壁面，借助重力和外涡旋气流轴向速度的作用下落入灰斗被捕集，小颗粒因其受到的离心力较小而倾向于在筒体内由外向内跟随内涡旋逃逸，在筒体内小颗粒由外向内移动过程中被设置于筒体内部环形空间的滤板捕集，从而提高除尘器的除尘效率。图 1 为旋风-滤板一体式除尘器的几何模型，除尘器总高 H 为 872 mm，外筒直径 Dc 为 328 mm，内筒直径 De 为 164 mm，外筒体高 s 为 512 mm，进气口高 a 为 96 mm，宽 b 为 48 mm，排气管插入深度 L为 160 mm，滤板厚
12、度 为 5 mm。研究滤板宽度 W，高度h和个数N三个影响因素对一体式除尘器性能的影响。1.2模拟方法和初始条件旋风-滤板一体式除尘器内具有三维强旋流，鉴于 Realizable k-模型对于较强旋流、分离流和二次流等复杂流动有很好的表现，本次模拟选用 Realizablek-模型来计算，并采用DPM模型求解颗粒运动方程。设置入口速度为 19.9 m/s，处理风量 Q 为 330m3/h，气体密度=1.225 kg/m3，动力黏度=1.7810-5图 1旋风-滤板一体式除尘器模型Pas，设定颗粒相初始速度与气相入口速度相同。气流入口边界条件为入口速度，气流出口边界条件为自由出流边界，压力速度耦
13、合格式为 SIMPLEC，压力离散格式为 PRESTO。滤板材料为金属纤维，将滤板部分设置为多孔介质。为了获得多孔介质的边界条件，根据文献 9 的实测数据，首先将纤维滤板过滤速度与压降的关系拟合成二次多项式形式如式（1）：P=0.875 5V2+3.851 9V（1）式中，P 为压降，Pa；V 为过滤速度，m/s。多孔介质具有有限厚度，通过它的压降是在达西定律的基础上附加内部损失项11，如式（2）：P=(C212V2+V)（2）式中，C2为惯性阻力系数，m-1；为流体动力黏度，Pas；为流体密度，kg/m3；为多孔介质厚度，m；1/为粘性阻力系数，m-2。通过比较式（1）与式（2），得到纤维滤
14、板的惯性阻力系数C2=285m-1和粘性阻力系数1/=4.3107m-2。1.3网格独立性验证采用ICEM对旋风-滤板一体式除尘器进行整体划分，均为六面体结构网格，完成 4 个不同网格数下一体式除尘器内部两相流流场模拟，获取y=0，z=600mm 处静压分布曲线，由图 2 可知当网格数量达到110万时，随着网格数继续增加静压分布已基本保持稳定，所以后期计算选取网格数为 110 万左右。104图 2不同网格数下静压分布曲线（y=0，z=600 mm）1.4模型验证为了确保流场模拟结果的可靠性，对文献 9 中的实验条件下的一体式除尘器进行两相流模拟，并与实验数据进行对比。由图 3 可知，在滤板宽度
15、为 8mm条件下压降值最大降低了 49.9%，与论文中所给实验值压降最大降低52.1%的数据相比较偏差较小。模拟结果与实验值的总体变化趋势基本一致。图 3实验值与模拟值对比2结果与讨论2.1滤板宽度固定滤板的个数为 4，高度为 1.0L，入口速度为19.9 m/s，来研究不同宽度滤板下一体式除尘器的除尘效率影响规律。对于不同宽度滤板下一体式除尘器 15m 粒径的收集效率见图 4，在滤板宽度为0.05Dc、0.10Dc 和 0.15Dc 的情况下，随着粒子直径增大除尘效率明显增加，相比较原旋风除尘器分离效率整体有了提升，1m 颗粒效率提升了 13.4%33.1%，5 m 颗粒效率提升了 2.5%
16、6.5%。而在宽度为 0.20Dc 和 0.25Dc 的情况下，对于 5 m 的颗粒效率相比较原旋风除尘器降低了 8.4%，而且随着颗粒粒径增加，除尘效率变化趋势不明显，此时颗粒被分离主要依赖滤板的过滤作用。图 5 为不同宽度滤板下 z=800 mm 截面切向速度云图，由图可知，旋风-滤板一体式除尘器与旋风除尘器切向速度图一致性良好，添加滤板后一体式除尘器内仍为双涡旋分布，分为外部下涡旋区和内部上涡旋区，且外部分离区速度值较大。在 W=0.05Dc时，对于筒体外涡旋切向速度影响不明显，外涡旋切线速度对粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用，此时离心力对于大颗粒的分离效率影响较小。而对于图 4滤板宽度对一体式除尘器分级效率的影响内涡旋速度有明显降低，内涡旋速度降低能有效避免内涡旋轴上气流速度梯度过大造成的内摩擦损失，从而降低一体式除尘器内部能耗。在 W=0.20Dc 时，由于滤板与旋风筒体壁面距离较小，除尘器内部流场被过度干扰，外侧切向速度大幅降低，同时由于气流紊乱在排气管外壁面处产生涡旋，易引起粉尘逃逸，不利于颗粒的分离。通过模拟可以发现，滤板宽度对除尘效率有一定的影响，当滤板宽度超过0.1
