（安全技术及工程专业论文）对喷流除尘技术的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t d u s tc o l l e c t i o ni n i m p i n g i n g s t r e a mu s e sd u s tp a r t i c l e s l i b e r a t i o n c o m e a n d g o a n dc o l l i d e sw i t he a c ho t h e rf o rp a r t i c l e si n i m p i n g i n ga r e a ， r e u n i t i n gt h ed u s tp a r t i c l e sr e m o v ed u s tp a r t i c l e s d u s tc o l l e c t i o ni ni m p i n g i n g s t r e a mw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r o n g e ra d h e r i n ga n de a s i l yr e u n i t ei sa p p l i e d t oc o l l e c th i g h e rh u m i da n dh i g h e ra d h e r i n gd u s t ，s o l v i n gt h ee x i s t e dp r o b l e m s i no t h e rc o n v e n t i o n a ld r i e rm e t h o d so fd u s tc o l l e c t i o n i nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i s mo fd u s tc o l l e c t i o ni sp r e s e n t e di nt h e o r y , o b t a i n i n gf o u n d a t i o no fd e s i g na n da p p l i c a t i o nf o ri m p i n g i n gs t r e a mi m p l e m e n t t h e nc f dw a su s e dt os i m u l a t ea n dm o d i f yt h ef l o wf i e l da n dp a r t i c l e t r a j e c t o r i e si n s i d et h ei m p i n g i n gs t r e a mf o rm o d e lo ft h e o r y t h ee f f e c to fi n l e t v e l o c i t ya n dt h es p a c eb e t w e e nn o z z l e sa n dc o n c e n t r a t i o no fd u s tp a r t i c l e so n d u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yw e r ea n a l y z e d t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tw a su t i l i z e dt om a i n l ya n a l y z et h ee f f e c to f p a r a m e t e r so nd u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yi nt h i sp a p e r ，e n s u r i n gt h ep a r a m e t e r s i m p a c to ne f f i c i e n c yo fd u s tc o l l e c t i o n t h e nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ts t u d i e d t h ee f f e c to fe v e r yf a c t o ro na n dt h ei m p a c td e g r e eo nd u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y l a s t l y , t h ec o m b i n a t i o no fe x p e r i m e n tr e s u l t sa n dc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o b t a i nt h eo p t i m i z e dm o d e la n df o u n d a t i o nf o rc o l l e c t i n gh i g h e rh u m i da n d h i g h e ra d h e r i n gd u s tc o l l e c t i o ni ni m p i n g i n gs t r e a m t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h e v e l o c i t yo fn o z z l ei sb e t w e e n2 5 2 7 m s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fd u s tp a r t i c l e si s 0 6 k g m ，t h es p a c eb e t w e e nt w on o z z l e si s0 3 m ，t h eq u a n t i t yo fw a t e ri s o 2 1 k g k gd u s tp a r t i c l e s ，a n dt h eg r a d i e n ta n g l ei s4 0 0 u n d e rt h i sc o n d i t i o n s ， t h ee f f i c i e n c yo fd u s tc o l l e c t i o ni ni m p i n g i n gs t r e a mr e a c ht o9 7 5 k e y w o r d s ：d u s tc o l l e c t i o ni ni m p i n g i n gs t r e a m ；h i g h e rh u m i da n d h i g h e ra d h e r i n gd u s t ；c f d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的学位 论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1引言 目前，高湿、高粘附性粉尘的收集一直是困扰国内外除尘领域的一大难题。 传统的高效干法收集一般是采用电除尘器或袋式除尘器进行收集，但对高湿、 高粘附性粉尘来说，均存在严重的问题。如在化工行业中的脱硫脱硝工艺中， 对高湿条件下产生的硫酸铵和硝酸铵的收集就存在这类问题，对这类粉尘的 收集如采用脉冲电晕等离子体法。1 ，这类粉尘易粘附在电除尘器的极板上，造 成电晕线肥大和收尘极板上粉尘堆积，而且难以清除，使得电除尘器的工作 电压升高，除尘效率降低。“1 ；如采用袋式除尘器，则会使这类粉尘粘附在布 袋表面，而且难以清除，大大增加了除尘器的运行阻力”_ 。1 ，使得除尘器不能 正常工作。选用何种方式对高湿、高粘附性粉尘进行有效的收集成为一大难 题，而对喷流除尘技术恰好可以利用其自身粘附性强、极易团聚的特性将其 有效收集，为除尘领域中高湿、高粘附性粉尘的收集提供了一种新方法，也 可解决目前干法收集这类粉尘遇到的难题。 1 2 对喷流除尘的概述 1 2 1对喷流除尘理论的提出 对喷流( i m p i n g i n gs t r e a m “”) 是e l p e r i n “”1 于2 0 世纪6 0 年代初提出并 进行实验的。它是采用如图1 1 所示的两股靠得很近的等质量的气固流沿同 轴相向流动，使颗粒在撞击区内来回振荡，并在中点处相互碰撞，从而团聚。 颗粒的来回振荡是由于其惯性引起的，当颗粒渗入第一股流体后，又因相向 流动的气固流的阻力而减速，而后又被该气固流加速，再次回到原来的流体 中。这样经历若干次类似的减速振荡后颗粒的轴向速度将逐渐消失，从而增 加了颗粒在撞击区的停留时间，强化了颗粒的团聚效应。 锉霪篱瑟铖 = ，卜：= 口压盈巧口一节一$ 口墨墨南 囤1 - 1对喷流原理 f i g 1 1 t h et h e o r yo fi m p i n g i n gs t r e a m 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 对喷流除尘技术最早是由俄罗斯人l a i n e r “”等于1 9 7 5 年提出并进行实验 的。除尘机理是两股含尘气流沿同轴相向流动到它们中问的撞击面，在该面 上的碰撞使气固流的轴向速度逐渐消失，随后改变流向9 0 。，在新的方向上， 向上流动的气体速度约为其流量除以该除尘器垂直于流向的横断面积。对高 湿、高粘附性粉尘来说，则会因为碰撞而团聚，而粉尘颗粒相互渗透入反向 气流的来回振荡增加了粉尘颗粒在撞击区的停留时间，从而强化了粉尘的团 聚效应。最后，一部分团聚后的较重的粉尘由于重力作用而沉降下来，剩下 较轻的粉尘则被上升的气流带走。 1 2 2 对喷流除尘技术的特点和应用领域 1 2 2 1 对喷流除尘技术的特点 ( 1 ) 对喷流除尘利用了粉尘颗粒相互碰撞、团聚从而沉降的特性除尘，避 免了传统除尘方法所遇到的困难。同时，由于粉尘颗粒的团聚效应，即使颗 粒经过撞击区后未能团聚下来，颗粒的来回振荡也能有效地增大了粉尘颗粒 的粒径，使其更容易在后续设备中除去。 ( 2 ) 以色列的b e r m a n “”等人的研究中可以提出，对喷流除尘器的能耗为 0 0 2 0 0 3 k j k g 气体，对喷流除尘与传统的除尘技术“”相比，具有显著的 低阻性和节能性，其性能如表l 一1 。 表1 1几种除尘器的性能比较 t a b i e l 一1t h ep e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eo fs e v e r a ld u s tc o il e c t i o n 1 2 2 2 对喷流除尘的应用领域 利用对喷流除尘技术显著的低阻性和节能性重要特点，可将其用于以下两 个方面：一是对大型的除尘系统，易于在系统前端设置为预处理阶段，因为 对喷流除尘器的低能耗、低阻力的特性使其对整个系统的阻力影响很小，不 会影响后续设备的正常运行；二是对小型的除尘系统，由于对喷流除尘器本 身的效率也比较高，也可以直接作为终端处理。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 对喷流除尘领域的准确定义和拓展依赖于粉尘自身粘附性的准确、定量的 描述。然而这正是现代粉体工程领域研究的一大难点“1 。由于粉尘之间或粉尘 与器壁之l 日j 存在着粘附力，而粉尘粘附性的强弱与粉尘本身的粘附性有着重 要的关系，因此可用粉尘的粘附强度作为评价粉尘粘附性的指标。中黏性粉 尘和强黏附性粉尘可以用对喷流除尘方法来除去。中黏附性粉尘包括：湿镁 粉、泥煤粉、黄铁矿粉、氧化铝、氧化锡、干水泥、干牛奶粉、面粉等；强 黏性粉尘包括：潮湿空气中的水泥、石膏粉、熟石灰、含盐的钠、纤维尘( 石 棉、棉纤维、毛纤维) 等“”。需要注意的是，对粉尘的润湿或干燥都将影响粉 尘的粘附性。此外，粉尘的分散度也对粉尘的粘附性有很大的影响。因此， 对不同的粉尘和含尘气流应采取适当的处理方法，如喷雾化水润湿含尘气流 能有助于粉尘的团聚和沉降，这样也能拓宽对喷流除尘的应用领域。 尤其是在现代化工行业中的湿法工艺中，很多粉尘是在高湿条件下产生 的，而且本身具有较强的粘附性，因此对这类粉尘的收集可选用对喷流除尘 技术。 1 2 3 对喷流除尘技术的研究现状 早期的对喷流除尘技术的研究以俄罗斯和以色列为主，主要是基于粉尘颗 粒在撞击区内来回振荡、相互碰撞并团聚的除尘机理，从喷流装置的结构、 颗粒碰撞、团聚模型、强化粉尘颗粒的团聚效应和除尘效率等方面进行了研 究，但都有一定的局限性。国内也有极少数研究，但相当一部分是借鉴了国 外的思路和模型，主要是关于最优除尘速度和含尘浓度“町以及单一颗粒动力 学模型“”的研究。 i 2 3 1 对喷流结构的研究 在对喷流装置的结构方面主要有三种：水平式对喷、倾斜式对喷和曲线同 轴切向式对喷，对前两者的研究比较广泛。l a i n e r “”最早采用的是水平式对 喷，但这种方式存在的问题就是会使近8 5 的粉尘粘附在除尘器内壁上，而且 喷嘴也易被堵塞。b e r m a n 1 等对水平式对喷结构进行了改进，采用倾斜式对 喷结构。这样能增加粉尘的在撞击区的平均停留时间，从而强化粉尘的团聚 效应。通过进一步研究得出增大喷管的倾斜角度能进一步增加粉尘在撞击区 的平均停留时间，并指出该最优倾斜角为4 0 。6 0 。，但该值并不确定。就 喷流装置的结构与除尘效率而言，倾斜式对喷结构优于其余两种。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 3 2 数学模型的研究 在建立数学模型方面主要是关于粉尘碰撞、团聚过程的动力学模型和对喷 流流场特性模型方面的研究。 k i t r o 、e l p e r i n 和t a m i r ”于1 9 9 0 年基于波尔兹曼气体动力学方程建立 了气固悬浮颗粒的蒙特卡罗模型，分析了颗粒渗入反向流对撞击区颗粒 的浓度分布和连续相分布的影响，推导出在撞击面附近颗粒的浓度显著高于 其它地方。这点与e l p e r i n “”“”通过实验观察得到的结果相一致。 b e r m a n “等于1 9 9 6 年假设粉尘颗粒是球形的、颗粒之间的碰撞只发生在 大颗粒与小颗粒之间、大颗粒能渗入反向流而小颗粒不能的条件下，分析指 出了粉尘粘附性、喷嘴的进口速度、含尘气流的浓度等因素对除尘效率的影 响。并通过实验的数据对模型的分析结果进行了验证。该模型是分析影响除 尘效率因素最全面的模型，模拟结果最接近实验数据的模型。但在描述粉尘 的粘附性影响时，还需要有粉尘颗粒自身的粘附性的定量描述。 随后，b e r m a n ”等又于2 0 0 3 年建立了粉尘碰撞的动力学模型，模拟了粉 尘颗粒在撞击区的运动，与实验结果相一致。但该模型是基于颗粒在液体中 流动的基本理论来确定颗粒沉降的比例和区域；张和平等“”于2 0 0 5 年从颗粒 受力分析出发，建立了单颗粒的动力学模型，模拟出粉尘颗粒在撞击区来回振 荡的次数。 但这些模型都是对单个的颗粒而言的，并未对所有颗粒或整个流场进行系 统的模拟和分析。而且在e l p e r i n 和l a i n e r ”1 的实验中，也只是肉眼观察 到颗粒在撞击区来回振荡的次数为5 8 次，这在b e r m a n o ”2 1 的模型中并未做 准确定量的描述。而张和平等“钔模拟的结果为3 次，显然这些方面还存在着 欠缺和分歧。 1 2 3 3 对喷流除尘效率的影响因素 对含尘气流进行适当的喷雾润湿能提高除尘效率，提高的多少与润湿程度 有关。l a i n e r “”o ”等于1 9 7 5 年用对喷流除尘器收集空气中的氧化铝粉尘，通 过喷雾润湿含尘气流能使除尘效率比干法除尘时增加1 3 1 7 ，进一步研究 得出，最佳的润湿水量为0 3 k g k g 收集尘，超过该值后，除尘效率则保持不 变。随后，以色列的b e r m a n “”等又用磷酸盐做了同样的实验，结果表明喷雾 润湿含尘气流使除尘效率从7 0 上升至9 0 ，与l a i n e r 的结果相一致。说明 氧化铝粉尘与磷酸盐粉尘的粘附性相一致。但不同的粉尘对其润湿的耗水量 也不一样，所以应注意对不同的粉尘采取不同的加水量和雾化效果。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 喷嘴的进口速度对除尘效率有着重要的影响，影响的大小与含尘气流的浓 度和粉尘颗粒的粒径有关。l a i n e r ”等采用6 0 1 0 0un l 氧化铝粉尘的实验结 果表明：当进口速度为1 2 m s 和2 3 m s 左右时的除尘效率较高，而且当含尘 气流的浓度为0 8 k g m 3 时达到最高约为9 2 。如果再进一步提高流速，会由于 沉降室的分离能力不足，效率反而会降低。而b e r m a n “”等采用的倾斜式对喷 流装置收集粒径为6 5 d 于6 0 l lm 和3 5 d 、于4 0 p m 的磷酸盐粉尘的实验表明， 进口速度为1 0 1 5 m s 时，除尘效率最大为9 2 9 8 。张和平等“”用自行设 计的磷矿粉回收实验装置实验的结果表明：进口最优流速为l o m s 和2 3 m s ， 除尘效率最大为9 6 ：最优含尘浓度为0 8 k g m 3 。显然，在高速对喷情况下的 除尘效率的影响因素还需深入研究。 湿法除尘时( 即用雾化水润湿含尘气流) 的除尘效率随气流速度的增加而 升高，而干法除尘则相反。这在l a i n e r ”和b e r m a n “”实验中有相同的结果。 同时，干法除尘的除尘效率与对喷流装置的倾斜角度无关。 含尘气流的温度对除尘效率也有一定的影响。当含尘气流的温度从2 5 升高到4 8 0 时，除尘效率却从8 0 降到了6 5 。这点在l a i n e r “”o ”的研究中 得到了证明。这使得对喷流除尘器有着其独特的应用：一般对于高温的含尘 气流，传统的方法要对其进行喷雾化水降温，这恰好使得降温的同时也对含 尘气流进行了润湿的作用，因此可以直接利用对喷流除尘器达到降温和除尘 的目的，也扩展了对喷流除尘技术的应用领域。 1 2 3 4 目前存在的问题及今后的研究方向 ( 1 ) 对喷流除尘机理尚不完善。对喷流除尘的关键是粉尘颗粒的团聚、沉 降过程。俄罗斯对这方面的研究只是出于经验性的总结提出，并未深入研究 “3 “捌。而以色列的实验研究也有许多的不确定因素o “。如粉尘颗粒在撞击区 来回振荡的次数“；粉尘颗粒团聚、沉降作用的强化机理的深入研究等方面 还有待进一步的研究。但由于粉尘颗粒本身的粘附性到目前为止尚未有一个 准确的数值来衡量，这也正是在这方面深入研究的难点所在。 ( 2 ) 对喷流除尘器流场的研究。在粉尘颗粒碰撞和团聚的研究中，都只注 重了单个粉尘颗粒之间的相互碰撞效应，而忽略了对除尘器整个流场的系统 优化的研究“”“町。“。如建立除尘器的几何模型，模拟其气固两相流流场，并 对粉尘颗粒的运动轨迹进行定量的描述，用以验证实验室中的不确定因素。 这也是今后研究的一个重要方向。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 3 ) 两个主要的研究中关于对喷流除尘应用领域的提及甚少。如何更准确 的选用对喷流除尘器，必须在其应用领域做深入的研究。如喷雾化水涧湿含 尘气流强化粉尘颗粒的团聚效应对哪些粘附性粉尘是有效的。这样不仅为选 择对喷流除尘提供了依据，而且为其应用领域的拓展也奠定了基础。 ( 4 ) 通过作者查阅大量的相关文献后发现，无论是在早期俄罗斯人俄罗斯 人l a i n e r “”和以色列的b e r m a n “”等人还是近期伍沅“”的研究中均未提及如 何保证实验中加料的连续性分散、连续和均匀。但实际实验中，物料的分散 效果直接影响到实验数据的可靠性。因为如果物料分散效果不好，就没法鉴 定团聚的颗粒是由于在撞击区来回振荡而团聚的还是因为进料时就已经团聚 了，这对实验数据的准确性有相当重要的影响。 ( 5 ) 相关文献中均未针对高湿、高粘附性粉尘提出对喷流除尘技术收集该 类粉尘的最优模型及其参数选取的理论依据。 ( 6 ) 文献中对喷雾化水润湿含尘能提高除尘效率是公认的，但对如何均 匀、连续且水喷成雾状后的液体颗粒是多大对含尘气流动润湿效果才是最后 的，都没有一个准确定说法，因此之雾化水润湿含尘气流方面还需作深入研 究。 ( 7 ) l a i n e r 等人在低速区的除尘效率及其影响因素是公认的，但在高 速区的研究存在一定的分歧，需进一步深入研究。 1 3 c f d 在除尘领域中的应用 现代工业对除尘器在性能、结构、造价、可操作性等方面提出了更高的 要求。传统除尘器在很大程度上是根据设计人员的经验参数o 。2 6 1 而设计，再由 实验实际工作的参数进行检验并优化各参数。这样会造成许多由于设计参数 的不合理而引起的涡流、回流以及内部压力场、速度场分布的不均匀 2 5 3 2 7 2 s 往往会造成除尘效率的偏低和运行阻力的增加。比如到目前尚无准确的理论 计算公式计算袋式除尘器的过滤速度。”。，主要靠经验值确定。而利用c f d 模拟之后就能有针对性地采取措施、有效避免这类问题的发生，满足现代工 业对除尘器的高性能、低造价、可操作性强、结果简单的要求。 计算流体动力学c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) 是基于经典流体力 学与数值计算方法而形成的一门新型学科，通过计算机数值计算和图像显示 的方法，在时间和空间上定量描述流场特性的数值解。主要用于航空航天、 船舶、动力、水利、环境、建筑、汽车等的外部流场和化学容器、锅炉、除 尘器等内部的化学反应、燃烧、传热、传质等问题的数学模拟。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 c f d 的数值解法主要有有限差分法、有限容积法( 也叫有限体积法) 、有限 元法、边界元法、有限分析法、谱分析法等。但主要的只有有限容积法和有 限元法。目前主流c f d 商业软件中的f i d a p 是采用的有限元法，f l u e n t 、 p h o n e n i c s 、s t a r c d 都采用的是有限体积法“。 f l u e n t 软件是基于有限元体积法、主要用于模拟和分析在复杂几何区域 内的流体流动与热交换，可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可 完成多种参考系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压缩流和可压缩 流的计算、层流和紊流模型、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、 多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析等。它的模型包括k e 模型、r e y n o l d s 应力模型、l e s 模型、标准壁面函数、双层近壁模型等”小”1 。 本文主要以c f d 中的f l u e n t 软件为基础来分析对喷流除尘器内部气固两相流 的流场特性。 1 3 1f l u e n t 模拟的基本理论和方法 1 3 1 1 除尘器流场特性 在除尘领域中，一般采用以流场为研究对象分析流场各质点运动情况的 欧拉法来描述除尘器中的气固两相流的运动规律的。除尘器流场一般认为是 一种气溶胶体系，其中固体或液体颗粒为分散相，气体为连续相。含尘气流 可看着是不可压缩的，因为气体与固体或液体颗粒相的相对速度远小于音速。 1 3 1 2 数值计算方法 目前，工程上应用最广泛的流场计算方法就是压力耦合方程组的半隐式 方法( s i m p l e 算法) 。该方法是p a t a n k e r 和s p l d i n g ”于1 9 7 2 年提出来的。 在除尘领域的压力场、速度场和温度场的模拟中，s i m p l e 算法的计算过程就 是：根据给定的速度来确定流过单元面上的对流通量。首先，使用一个假设 的压力场来求解动量方程，得到速度场；接着求解通过连续性方程所建立的 压力修正方程，得到压力场的修正值；然后利用压力修正值更新压力场、速 度场和温度场；最后检查结果是否收敛，若不收敛，再用得到的压力场作为 新的假设压力场，重复该过程，为了达到迭代过程，需要提供初始假定的压 力场和速度场。随着迭代的进行，这些给定的压力场、速度场和温度场不断 的改进，所得到的压力场、速度场和温度场也逐渐逼近真实解。 在f l u e n t 软件中，流场的计算方法可分为耦合式求解法( c o u p l em e t h o d ) 和非耦合式求解法( s e g r e g a t e dm e t h o d ) o “o ”也叫分离式两大类。耦合式求 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 解法用于高速可压缩流动，而非耦合式求解法主要用于不可压缩和微可压缩 流动。在模拟除尘领域的气固两相流时，由于除尘器中的气固两相流是不可 压缩的，因此通常采用非耦合式隐式求解法。 为了准确描述除尘器的流场特性和粉尘颗粒在除尘器中的运动轨迹，模 拟时也可借助离散相( d i s c r e t ep h a s em o d e l ) ”在l a g r a n g i a n 坐标下模拟 流场中的粉尘颗粒。计算时，空气作为连续相，粉尘作为离散相( d i s c r e t e p h a s e ) 。 1 3 1 3 数学模型 在除尘器的流场进行模拟时，由于含尘气流一般是气固或气液或三相的 混合物，所以一般采用多相流模型( m u l t i p h a s e m o d e l s ) 。f l u e n t 软件的多相 流模型包括v o f 模型( v o l u m eo ff l u i dm o d e l ) 、混合模型( m i x t u r em o d e l ) 、 欧拉模型( e u l e r i a nm o d e l ) 口”。 v o f 模型通过求解单独的动量方程和处理穿过流体区域各相的体积比来 模拟多相流的，主要用于流体喷射、喷嘴出流、气液界面的稳定和分层等； m i x t u r e 模型假定了局部空间上的平衡，是一种简化的多相流模型，主要用于 模拟各相同性多相流和各相以相同速度运动的多相流，如粉体沉积、气固分 离、气相容积率很低的泡状流等；e u l e r i a n 模型可用于多相分离流及其相互 作用的模拟。 m i x t u r e 和e u l e r i a n 模型o ”适合于流动中有相混合或分离，m i x t u r e 模 型用于分散相有着宽广的分布、系统相间的曳力规律不知道或不确定、对计 算精度要求不高的流体，而e u l e r i a n 模型则适用于分散相只集中在区域的一 部分、系统的相间曳力规律是可利用、对计算精度要求极高的流体。 对于过滤式除尘器的模拟，由于过滤过程具有复杂性和不确定性以及目 前f l u e n t 软件的功能和计算机的硬件条件等因素，在模拟过滤过程时与理论 上还有一定的出入。但采用结构化、非结构化网格处理和多孔介质模型方法， 其结果与实际情况比较接近o ”o ”。 因此，在模拟除尘器流场特性和粉尘颗粒运动轨迹时一般选e u l e r i a n 多 相流模型o ，采用k e 紊流模型求解混合相的动量方程、第二相的 v o l u m ef r a c t i o n 方程以及相对速度的代数表示。离散方法一般采用有限体积 法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) ，具有良好的守恒性。 为使计算结果准确，还须考虑紊流对离散相轨迹的影响，f l u e n t 提供了 2 个考虑紊流影响的模型，一个是随机轨迹( s t o c i i a s t i ct r a c k i n g ) 模型，另 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 一个是云轨迹( c l o u dt r a c k i n g ) 模型，除尘领域的模拟中主要考虑颗粒运动 的随机性，选用随机轨迹模型。 1 3 2 f i u e n t 软件在除尘领域中的应用研究 在除尘领域中，除尘器的性能与除尘器内部的气流形式有着非常重要的关 系啪m ”，特别是以旋风除尘器和惯性除尘器为代表的依靠粉尘颗粒的离心力 或重力作用除尘的除尘器中，对流场的均匀性要求很严格。国内外的研究主 要有以下几方面： 1 3 2 1 旋风除尘器和惯性除尘器 这两种除尘器是对气流均匀性要求最为严格，也是研究最广泛，代表性的 研究有：i v a n o v ，v l a d i m i ra 、s l a c k ，m d 伽、g o n g ，a l 4 1 1 和g i m b u n ， j 4 2 4 3 9 主要是模拟旋风除尘器的流场特性、三相速度变化、粉尘颗粒运动 轨迹和压力损失等，模拟的结果与实验数据都很接近。 1 3 2 2 过滤式除尘器和电除尘器 这方面主要指袋式除尘器和滤筒除尘器，因为结果复杂研究相对较少，主 要是模拟整个流场的特性和粉尘颗粒的运动轨迹，用以对除尘器的结构参数 进行改进，避免由于经验参数选取不合理而形成的涡流和回流。模拟结果与 实验相吻合，能为除尘器的设计提供指导性的参数，主要的研究有：c a g n a ，m 等】、a a r o u s s i 等“6 1 和高晖“。m ”。 电除尘方面的研究非常少，但电除尘器对气流要求也是非常严格。气流分 布不均形成致粉尘颗粒荷电不均而导致除尘效率的下降。这方面主要的研究 有c h o i ，b s “”和n o o r p o o r ，a r “”，主要是模拟电除尘器中粉尘颗粒的运 动轨迹，并分析流场特性和粉尘颗粒的运动轨迹对粉尘荷电的影响。 1 3 2 3 其它 在一些新型除尘器的设计研发过程中，f l u e n t 软件也是非常有用的。如 在对喷流除尘技术“町“”中，目前并没有非常完善的除尘机理，对流场特性和 粉尘颗粒在除尘器中运动轨迹的研究也只处于理论研究阶段。运用f l u e n t 软 件模拟其流场特性和粉尘颗粒的运动轨迹并结合实验数据，能为其设计研发 提供指导性参数。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 3 3f l u e n t 在对喷流除尘技术中的应用 高效和节能始终是除尘领域所追求的目标，这就要求除尘器内部流场的均 匀性必须达到设计的效果，避免产生速度场、压力场和温度场的分布不均匀 而导致除尘效率降低和设备运行阻力的增加等情况，但这些往往是由于设计 参数选取不合理而引起的”5 儿州”1 ，如果在设计过程借助c f d 模拟除尘器流场 特性和粉尘颗粒运动轨迹的结果不仅能使除尘器达到设计效果，还能缩短产 品的研发周期。基于c f d 快速、定量描述流场特性和粉尘颗粒运动轨迹的特 点和除尘领域中现存的主要问题可知，c f d 在除尘领域中将得到广泛的应用。 对喷流除尘技术与传统的除尘方法有着本质的区别，它是利用的是颗粒相 互碰撞并团聚的除尘机理，其间的气固两相流流场和颗粒的运动、沉积规律 对除尘效率有着重要影响。因此用c f d 对除尘器内部流场特性和颗粒运动、 沉积规律的模拟能为除尘器的设计和研究提供一些指导性参数。 1 4 论文选题的意义和主要研究内容 1 4 1 论文选题的意义 ( 1 ) 对喷流除尘技术在除尘领域中提出了一种全新的除尘机理，能有效利 用高湿、高粘附性粉尘自身粘附性强、极易团聚的特性而将其有效收集。从 而为除尘领域中这类粉尘的收集提供新方法，解决传统除尘方法处理这类粉 尘存在的问题。 ( 2 ) 首次运用c f d 的商业软件f l u e n t 6 2 1 6 数值模拟与理论计算结果和实 验结果的对比分析的方法首次提出来对喷流除尘技术收集高湿、高粘附性粉 尘的最优模型及其选型的理论依据。 ( 3 ) 首次运用自行设计的用步进电机驱动的喷吹分散式螺旋加料装置加 料，步进电机保证在小加料量情况下均匀进料；音速分散喷嘴保证颗粒充分 分散且连续、均匀地加入系统。避免了传统加料方式中颗粒没有充分分散、 加料不均匀所造成的实验数据不准确的问题。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 对喷流除尘机理的分析及完善； ( 2 ) 对喷流除尘技术应用领域的探讨； ( 3 ) 内部流场特性、粉尘颗粒的运动、沉积规律和除尘效率影响因素的模 拟与分析； ( 4 ) 水平式和倾斜式对喷流除尘效率影响因素的正交实验分析； 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 ( 5 ) c f d 数值模拟结构与实验的对比分析，从而得出对喷流除尘技术在收 集高湿、高粘附性粉尘中的最优模型。 1 5 采取的研究方法、技术路线 1 5 1 研究方法 ( 1 ) 首先从理论方面对对喷流除尘器除尘机理进行了分析，得出了各参数 设计的理论依据； ( 2 ) 然后利用c f d 对由理论计算模型的内部流场和颗粒的运动规律进行了 数值模拟、分析和优化，重点分析了喷嘴风速、含尘浓度、喷嘴问距对除尘 效率的影响； ( 3 ) 先采用单因素实验方法分析了除尘效率的各影响因素，然后用正交实 验方法分析了各因素对除尘效率的影响程度； ( 4 ) 最后采用模拟分析与理论计算和实验结果对比分析得出除尘对喷流 除尘技术中收集高湿、高粘附性粉尘的最优模拟及参数选择的理论依据。 1 5 2 技术路线 如图1 2 理论分析与完善 撞1 i 化 模ii 团 型jl 聚 c f d 数值模拟l 弧 度if 平 场旧 墓苯磊两覆羽l 内部流场特性模拟分 粉尘的最优模型及其参数选取的理论依据i 图i 一2技术路线 f i g 1 2 t h em a i f lr o u t eo ft e o h n i q u e 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 2 对喷流除尘的机理分析及参数选型的理论依据 2 1对喷流除尘的机理分析 2 1 1 颗粒团聚的机理分析 由于高湿、高粘附性粉尘间粘性力的存在，颗粒在自然状态下就会团聚， 而物料在对喷流中被气流加速，会形成流态化团聚，团聚的效果根据颗粒的 物理性质及外表面特性的不同而有所不同。对球形颗粒，颗粒越小，颗粒粘 性越大，团聚结合得就越紧。 在对喷流中两股含尘气流同轴相向运动在该面上碰撞空气流速度消失。 加速颗粒从位置l 开始在相向而来空气颗粒流的阻力作用下做减速运动，直 到轴向速度衰减为零( 位置2 ) 时，这以后该颗粒又在空气颗粒流的推动作用下 又被反向加速向撞击面方向运动。在撞击面上有的颗粒又因惯性而再次渗入 原来空气颗粒流中，继续经历减速运动阶段到达位置3 ，如此往复的做减幅 振荡运动，直到轴向速度为零，并离开撞击区进入沉降室沉积下来( 位置4 ) ；有 的则直接离开撞击区进入沉降室( 位置5 ) ，这样就达到除尘的目的。但是应用 甚少，主要是因为： 空气+ 撞击面 圉2 1对喷流除尘的工作原理示意图 f i g 2 1t h e o r yd ；a g r a mo fi 呻i n g ir i gs t r e a m ( 1 ) 粉尘颗粒在对喷流除尘器中的动力学机理没有确切的模型和描述； ( 2 ) 粉尘颗粒与颗粒之间的团聚效应不清楚； ( 3 ) 对喷流除尘器内强化相间传递的过程没有定性的描述； ( 4 ) 撞击区内颗粒的随机性。 但是从表2 1 中可以看出与其它除尘器相比具有结构简单、压力损失小 和动力消耗低等有点，存在着很大的应用潜力，因此下面主要对对喷流除尘 技术的机理进行分析，研究粉尘颗粒在对喷流除尘器中的运动规律。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 由于粉尘在运动中受重力或离心力、浮力和阻力，使粉尘颗粒在对喷流除 尘器中的运动变得复杂。如：流体的阻力，使颗粒的动能不断损耗，使颗粒 运动变成减幅振荡；重力的作用使颗粒有跌落离开撞击流场的倾向。要对以 上复杂问题描述对实际应用的意义不大，因此对粉尘颗粒做如下假设： ( 1 ) 颗粒在撞击区中为轴对称水平流动，可认为是一维流动； ( 2 ) 颗粒对气体的体积比很小； ( 3 ) 颗粒为球形； ( 4 ) 忽略颗粒重力作用和雾化水质量。 2 1 2 粉尘颗粒的动力学模型 对喷流除尘器中，单个颗粒受三种力作用：由于无旋转流动，颗粒所受 的场力就是重力；浮力，它等于颗粒所受重力减去颗粒所排出液体所受的力， 与重力方向相反；阻力，取决于颗粒与流体间的相对速度。为简化问题，在 颗粒整个运动中都不考虑重力的影响。另外，固体颗粒与气体的密度差极大， 浮力可以忽略。因此，对单个颗粒的一维水平运动的方程根据牛顿第二定律 有： 鲁= 一l c f p 。a p l u p 一一) ( 2 _ 1 ) 式中：珥一颗粒质量，k g ： p 。一空气密度，k g m 3 ： c ，一空气阻力系数； a o 一颗粒在垂直于运动方向的平面投影面积，m 2 ： u 。，u 。一空气流和颗粒速度矢量，m s 。 将= i 7 a ，3 纬，4 = ；代入式( 5 1 ) ， 鲁= 一等n 怙虬) c z 叫 式中：也一颗粒直径，m ； p 。一颗粒密度，k g m 3 。 颗粒雷诺数定义为： r e 。：刿兰d ( 2 3 ) 屹 式中：v t 一空气运动粘度，m 2 s 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 空气阻力系数一般表达式为： 勺2 两a ( 。聊1 ) ( 2 4 ) 其中a ，m 一待定常数和指数，取决于流动状态，撞击流除尘器中颗粒一 般都处于湍流状态，此时，1 0 3 5 7 9 d 9 ( 2 - 1 4 ) 05 79-(2-14) 要使颗粒能够发生振荡，加速管出口端面间距离蔓j i s 4 ： 三。 兰盟 2 钆 所以喷嘴间距离为： 1 1 5 8 生 s p 3 ， 可以得到在气体出口之前颗粒在对喷流除尘器中的速度： 匕 ( 2 2 1 ) 由动量守恒定律：喷嘴处的动量必然等于上部箱体的动量，假设喷嘴出 口处颗粒的速度跟空气的速度是一样的，因此有： 屹万譬叫2 v 。石箪 4 8 ( 2 - - 2 2 ) 佗- 2 3 ) 对喷流除尘器上部的箱体断面面积只有足够大才能将粉尘颗粒去除。 堕h = d 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 2 2 5 雾化水质量 对喷流装置雾化水质量跟流量含尘浓度和每种粉尘对应的吸水系数有关 w = x r x 2 ( 2 2 4 ) 式中：w 一雾化水质量，k g ； v 。一流量，r 1 3 h , r 一含尘浓度，k g m 3 ； 一吸水系数，该系数需通过实验确定。 2 2 6 阻力损失 对除尘器的阻力损失，t a m i r 等”“”对不同的结构计算得出的阻力损失范 围在2 0 - - 3 7 2 5 p a ，但对对喷流装置没有一般化的结果。在对喷流中，阻力损 失可分为流经加速管道的其它与管壁间的摩擦阻力；气体与分散相之问的摩 擦力；两股流体相向撞击的动力损失以及除尘器的结构阻力损失。伍沅”总 结出对喷流的总阻力为： 其中： 卸t = p 。日+ p w + p h + 卸 钒哩= 无等譬 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 式中，摩擦系数乃是管内表面相对粗糙度，l 。加速管道长度，d 加速管 直径，成气体密度，h a 气流速度。 印。= 矿1 瓦m p u 2 呻 ( 2 2 7 ) 式中，局部综合阻力系数，定义乞，。l + a ，a 为比例系数，m p i l l a 为 固气两相流的质量比，“。是加速管出口处颗粒的平均速度， 纸= 彘互1 成2 ( 2 - - 2 8 ) 式中，厶为撞击区的局部压降系数，需要通过实验确定。 = 矧4 删( 2 - - 2 9 ) 式中，d d 。为对喷流除尘器进出口的直径比。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 3 本章小结 通过对除尘器内部颗粒团聚的机理分析和颗粒的动力学模型分析得出颗 粒在对喷流除尘器中碰撞的数学模型和团聚机理、颗粒在腔体中的停留时问 以及喷嘴直径、喷嘴问距、断面、粉尘所需雾化水量等结构参数和对喷流除 尘器的阻力损失等的理论计算公式。 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 3 对喷流除尘技术的c f d 数值模拟与分析 计算流体动力学c f d 是近年发展起来的流体动力学分析方法，f l u e n t 软 件是基于有限元体积法、主要用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流场 特性的c f d 商业软件。f l u e n t 软件能很好的模拟除尘器内部的流场特性和粉 尘颗粒的运动轨迹，本文用f l u e n t 6 。2 。1 6 模拟并分析了