四入口結構旋風除塵器性能的數值模擬研究

文_陳金鳳 苗治國 馮志永

1 山西省陽泉生態環境監測中心 2 山西工程技術學院

旋風除塵器可以有效地降低污染物廢氣中的細小顆粒物，是煙氣凈化的重要除塵設備。壓降和除塵效率是評價旋風除塵器性能的兩個重要參數。

入口結構參數是影響旋風除塵器除塵效率的重要影響因素。李振才等和Hideto Yoshida 等對比了帶有雙入口的旋風除塵器和帶有單入口的旋風除塵器的除塵效率，發現雙入口結構除塵效率要好很多。Zhao 等數值模擬了螺旋雙入口旋風除塵器的除塵性能，結果表明，螺旋雙入口氣道提高了氣流的流型對稱性和顆粒的除塵效率。Movafaghian 等研究了兩種不同的單入口和一種雙入口結構對氣液柱狀旋流除塵器的流體力學性能，結果表明，只有在接近操作包絡線的條件下，雙入口結構的流體力學性能才優于單一入口。

目前關于旋風除塵器的研究大部分集中于單入口或雙入口旋風除塵器。本文基于常見的單入口旋風除塵器模型，分別建立了一種常規四入口結構和一種新型四入口結構的旋風除塵器三維物理模型。基于CFD 數值模擬，結合k-e 湍流模型和DPM 模型，考慮入口速度、粒徑大小和顆粒密度因素的影響，對比了三種不同結構旋風除塵器的除塵性能。

1 數理模型

參考Le 等的文獻內容，采用Solidworks 三維制圖軟件，分別建立了單入口結構（S1）、常用四入口結構（C4）和新型四入口結構（N4）三種不同的旋風除塵器三維模型，如圖1和圖2 所示。其具體的結構尺寸如圖1 和表1 所示，其中表1 中主體的直徑D 為290mm。

圖1 S1 結構及尺寸示意圖

圖2 C4 結構和N4 結構

表1 具體結構尺寸

將三種模型導入至ANSYS ICEM 軟件中，進行結構化網格劃分。其中，對邊界層進行了加密處理。同時，為了保證計算準確度，對N4 模型在入口速度20m/s、顆粒粒徑3μm、顆粒密度2700kg/m3條件下的網格進行了網格無關性驗證，如表2 所示，選用網格總數1708928 的模型進行后續的模擬。

總網格數 除塵效率 相對誤差1087691 70.34% -1708928 72.83% 3.53%2375893 72.96% 0.18%

采用穩態計算，開啟豎直向下方向的重力加速度。連續相為氣體，采用標準k-e 湍流模型；離散相為固體顆粒，選用DPM 模型，不考慮顆粒對流體的作用，曳力方程選用球形顆粒，湍流擴散選用隨機漫步模型。入口選用速度入口，出口選用壓力出口，中心主體的壁面邊界條件設置為reflect，主體下方圓筒出口的壁面邊界條件設置為trap，排塵出口的壁面邊界條件設置為escape。選用的入口速度參數分別為10m/s、20m/s、30m/s，顆粒粒徑大小分別為2μm、3μm、4μm、6μm、8μm、10μm，顆粒的密度分別為700kg/m3、1700kg/m3、2700kg/m3、3700kg/m3。壓力速度耦合選用SIMPLE 算法，連續方程、動量方程的殘差收斂標準為10-5。

2 結果討論

2.1 模型驗證

對S1 模型在入口速度16.34m/s、顆粒粒徑2 ～7μm、顆粒密度2700kg/m3條件下的結果進行了對比，最大誤差在33%以內，在工程應用的可接受范圍內。

2.2 入口結構

在入口速度20m/s，顆粒密度2700kg/m3條件下除塵效率如圖3 所示，本文所建立的新型N4 結構的除塵效率較S1結構、C4 結構有明顯提高，尤其是對于粒徑低于7μm 的細小粉塵。該結果說明，新型N4 結構在捕集細小粒徑的粉塵顆粒有較好的優勢。

圖3 不同入口結構的除塵效率

2.3 入口速度

針對新型N4 結構，顆粒密度2700kg/m3條件下的除塵效率如圖4 所示。隨著入口速度的增加，除塵效率也逐漸增加。其原因是，隨著入口速度的增加，顆粒所受的離心力越大，氣固兩相流中的固體顆粒更容易被分離出來，被壁面捕集。當然，在實際工程應用中，入口速度不宜過大。

圖4 不同入口速度的除塵效率

2.4 顆粒密度

針對新型N4結構，入口速度20m/s條件下的除塵效率如圖5 所示。隨著顆粒密度的增加，除塵效率也逐漸增加。顆粒密度的增加會導致顆粒的慣性力增加，其所受的離心力也會增加，氣體中的固體顆粒更容易被分離出來，被壁面捕集。

圖5 不同顆粒密度的除塵效率

3 結語

本文基于常見的單入口旋風除塵器模型，分別建立了一種常規四入口結構和一種新型四入口結構的旋風除塵器三維物理模型。基于ANSYS FLUENT 模擬，結合湍流模型和DPM模型，考慮入口速度、顆粒粒徑、顆粒密度因素的影響，對比了三種不同結構的旋風除塵器的除塵性能。結果表明，新型四入口結構的旋風除塵器均比單入口結構和常規四入口模型有更高的除塵效率，尤其是針對細小粒徑的固體顆粒（2～7μm）。