基于康達效應的松香粉塵多層過濾器

崔 悅，劉冰瑾，藍天茹

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430000）

1 設計背景及意義

為響應保綠色環保、減少排放的號召，中國出臺了最新版的《大氣綜合排放標準》，國家新環保標準要求工業煙塵排放的質量濃度為30 mg/m3以下。松香粉塵作為橡膠生產中的副產物，其在多個地方的排放量均超過國家標準，在生產工作崗位，平均每小時排放的質量濃度為18.6～22.8 mg/m3，超過現場空氣粉塵的時間加權平均容許質量濃度和職業接觸限值。

松香是生產橡膠和歧化松香酸鉀皂的主要材料，松香的破碎與熔融為裝置的重要工序。在破碎與運輸松香過程中，很容易產生大量松香粉塵，并擴散到空氣環境里。工業用松香中常含有有毒化合物和一些鉛等重金屬，且氧化后產生的過氧化物對空氣環境和監測工人的健康的毒性較大。因此，松香粉塵超標是生產過程中迫切需要解決的問題[1]。

由于施工空間較大，松香粉塵較難收集，傳統的噴淋除塵法和濾筒除塵法均存在易堵塞、成本高等問題。因此，擬設計一種高效且不易堵塞的多層過濾裝置，對松香粉塵進行收集處理。

2 設計方案

2.1 裝置整體設計

本項目設計了一種基于康達效應的新型防堵塞多層過濾裝置，裝置主要由粉塵吸收模塊和多層過濾床除塵模塊2個模塊組成。

2.2 工作流程

當松香被破碎后，會從下料口下落進入收集裝置內，在周圍風力和氣流的作用下會產生大量揚塵，這些污染使相關生產崗位的粉塵質量濃度最大值超標。因此需要本裝置首先通過粉塵吸收模塊，利用康達效應將工廠中彌散的松香粉塵進行有效收集，進而依靠多層過濾床對粉塵進行分步過濾處理。

2.3 基于康達效應的粉塵吸收模塊設計

粉塵吸收模塊主要包括集塵器、冷卻風扇和導流風罩等結構?？紤]到松香粉塵彌散在工廠內部的大氣中，收集難度較大，因此吸收模塊利用康達效應對其進行有效收集。

裝置開始供電后，冷卻風扇高速運轉，大氣在冷卻風扇與導流風罩之間產生一定的負壓力。經過冷卻風扇轉動，周圍含有松香粉塵顆粒的空氣氣體流速加快，高速射流和周圍的大氣空氣將其推向曲面。粉塵氣流由原來自上而下的垂直方向變為沿導流風罩弧面的曲線方向，進而將高速氣流集中于中部，流入下方多層過濾床的開口處。同時在開口處大氣壓與負壓的壓力差作用下，裝置中產生氣流，將粉塵氣流吸入，并通過持續吸氣防止粉塵溢出[2-3]。

2.4 多層過濾床除塵結構設計

松香粉塵主要產生于加工工藝的破碎流程中，流出的氣體溫度較高，而且粉塵成分中含有松香與少量乳化劑，容易凝結，因此需要較高的凈化要求。本裝置通過一種多層過濾床的設計來進行松香粉塵處理，同時解決不耐高溫和濾料堵塞問題。

2.4.1 多層濾料設計

除塵模塊包括自上而下6個過濾層，每層過濾層均由上層濾料、下層濾料及沉降室組成.

模塊工作流程如下：松香粉塵的氣體從進氣口進入裝置后，較粗大的粉塵在沉降室中沉降，細小粉塵先經過粗粒徑的上層濾料進行初步除塵，在經過細粒徑的下層濾料進行精除塵。每層過濾床連接一個排風支管，除塵后的氣體通過排風支管匯集在一起被排放到大氣中。過濾床進行清灰時，反吹閥門打開，反吹氣流再從下到上經過布風板進入濾床，將過濾時截留下來的灰塵反吹到沉降室，進行沉降。即使當松香粉塵與乳化劑凝結時，凝結成的小顆粒也會隨灰塵一起落入沉降室沉降。與傳統濾筒除塵裝置相比，在清灰時不會產生堵塞和過濾面積減少等問題。

2.4.2 導流板設計

當含有粉塵顆粒的氣體進入濾床時，因其含有粒徑較大的粉塵顆粒，進入濾床后不易被清出，且當反吹氣流不斷地進行反吹清灰后，粉塵顆粒易反復進入過濾床，造成過濾床負擔較重。因此本裝置擬在沉降室入口處加入導流板，改變氣流在過濾床內的流場。加入導板后，通入的高速氣流在進入流化床后會向兩側產生分流，同時在導流板開口處會產生渦旋區域。渦旋區域的氣流方向變化劇烈，大顆粒粉塵隨渦旋進入兩側的沉降室中。

縮口通道設計為從上至下逐步縮小，在縮口處保持較高的氣流速度，采取這種方式可以加大粉塵顆粒在導流板處的慣性分離作用，進入過濾床的粉塵顆粒大量減少，從而提高粉塵顆粒沉降到底部灰斗的沉降效率。

3 可行性分析[4-6]

3.1 反吹氣流可行性分析

本裝置中，在過濾床除塵模塊加入反吹閥門的設計，通過控制閥門的開關進而控制反吹氣流的通入進行清灰工作。當工廠內的氣體進入過濾床，松香粉塵沉降在濾料表面時，應計算出通入的反吹氣體的最小流動速度，以保證被濾料表面截獲的粉塵顆粒能夠全部被吹起并落入沉降室中。

設粉塵顆粒的密度分別為500 kg/m3、1 000 kg/m3、1 500 kg/m3和2 000 kg/m3，通過斯托克斯公式計算沉降的速度：

式（1）中：d為顆粒直徑；ρ為顆粒密度；ρ1為氣體密度；g=9.81 m/s；μ為氣體動力粘度。

可知，當通入反吹氣流進行清灰時，只需要滿足氣流的流速大于其對應的最小反吹流速時，粉塵顆粒能夠被吹起。

3.2 導流板可行性分析

為了使較大的顆粒直接進入沉降室進行沉降，不堵塞濾料，造成濾床負擔，對沉降室進行優化非常有必要。本裝置通過在沉降室入口處加入導流板能夠對改變氣體流場起到輔助作用。為了讓通入的高速氣流在進入流化床后向兩側產生分流，較大顆粒沿導流板方向進入沉降室，而降低其進入過濾床的概率。

由于導流板角度對氣體顆粒的運動軌跡有較大影響，需選取合適角度使顆粒最大概率進入底部灰斗。從工程實際考慮，導流板角度不應過大，也不應過小。當導流板角度較大時，導流板上側容易積灰；當導流板角度較小時，導流板長度會過長。

式（2）中：xj為x、y、z方向上的坐標，m；ui為氣體在x、y、z方向上的速度，m/s；p為湍流有效壓力，Pa；μ為動力粘性系數。

可知導流板最佳角度為22°。初步設計板厚為5 mm，導流板與垂線夾角為22°，在粉塵顆粒在重力的作用向下運動的時候，依靠固氣的慣性進行分離。通過軟件對過濾床內的氣流進行仿真分析，可以得出導流板的最優深度和流場的變化。

仿真結果顯示，導流板開口處兩側會產生渦旋，且在渦旋區域的氣流方向變化劇烈，大顆粒粉塵隨渦旋進入兩側的沉降室中。根據參考數據，以其中粒徑為120 μm的粉塵顆粒為例，沉降率從原來的8.1%提高到了42.6%，說明加入導流板后的沉降率明顯提高，改進效果較為明顯，因此具有較大的可行性。

3.3 收集模塊可行性分析

根據伯努利方程，建立以進氣口的位置和縫隙出口處的位置為2個狀態的方程，可以算出管道中心處的壓力P2：

式（3）中：P1為大氣壓；ρ為空氣密度；α為動能修正系數；g為重力加速度；h1、h2為中心高度；P2為進氣口處的大氣壓。

氣流進入管道狀態為湍流，動能修正系數α=1，ρ=1.205 kg/m3，P1=1.01×105，由于高度較小，忽略勢能因素，可計算出進口處的壓強P2=0.846 14×105Pa，可以發現進氣口處的壓強明顯小于大氣壓，故可以形成負壓。

4 節能減排效益分析

目前橡膠與歧化松香酸鉀皂加工廠中的松香粉塵處理效果較差，僅僅通過空氣檢測和讓工作人員佩戴口罩是無法從根本上解決問題的，經過對工廠中崗位工作環境的調查，可知空氣中的粉塵質量濃度仍然較高。因此，本裝置首先通過進氣口處的松香粉塵質量濃度及吸收模塊中的導流風罩引流速率對吸收效率進行計算。孔板和集塵器收塵面積等數據，由以下公式計算可得：

式（4）中：A為含灰量；V為處理粉塵量；S為入口粉塵比表面積；M為粉塵質量分數。

噴嘴卷吸率的計算公式為：

式（5）中：m為射流卷吸周圍氣體的質量流率；m0為射流的質量流率；x為計算截面距離射流噴嘴的距離；d0為圓形噴嘴射流的直徑；ρ1為周圍氣體的密度；ρ0為射流氣體的密度。

通過計算可知空氣泵吸入的氣體流速為308 m3/h，根據多層過濾床中的濾料面積以及經過導流風罩后的氣體流速，利用式（6）—式（8）算出裝置吸塵效率。

式（6）—式（8）中：C1為阻力系數，m-2；ε為篩分面積百分比；q為滲透率，m2；C2為慣性損失系數，m-1；d為濾網孔徑，mm。

出氣口的氣體粉塵質量濃度大大減小，相比于傳統噴淋式集塵方法，過濾效率提高43%～45%。故本裝置可產生一定的節能減排效益。

5 創新點

應用創新：本裝置將過濾除塵方法進行創新，應用康達效應進行粉塵收集處理，與傳統除松香粉塵方法相比具有更高效率。

結構創新：在集塵器的進氣口處加入孔板的設計，減小流動損失，過濾床內設計有反吹閥門，能夠防止粉塵堵塞，增加了裝置壽命。

結合創新：將基于康達效應的導流風罩多層耐高溫濾料相結合，提高了粉塵的收集和處理效率。

6 應用前景

近年來，空氣過濾器市場發展逐漸全球化，世界范圍內對環境保護的要求更嚴格。在工業生產發展日新月異和環保意識逐漸增強的大環境下，過濾裝置具有廣闊的市場前景。

本裝置在應用康達效應進行粉塵收集的基礎上，還加入具有多層濾料和反吹閥門的過濾處理裝置，與傳統過濾裝置相比，具有更加高效、不易堵塞的優點，玻璃纖維復合濾料耐高溫，可延長裝置的使用壽命。因此，本裝置可應用于垃圾焚燒、氣流干燥工藝、食品加工場內的空氣凈化等各個領域，具有廣泛的應用前景。