SCC型湿式除尘器除尘区域流场分析及结构优化

吴敬宇　虞斌　江超　吴琼

摘 要 对SCC型湿式除尘器除尘区域流场流动进行分析，基于FLUENT软件采用气-固两相流和气-液-固三相流进行数值模拟研究，对不同时刻金属颗粒和液滴颗粒分布图、金属颗粒物轨迹、速度矢量进行对比，发现加入液滴颗粒后，除尘效率明显上升。通过正交试验研究了导流板长度、导流板倾角、导流板间距对被壁面及导流板捕集金属颗粒所占总数比例的影响，结果显示：各因素对被壁面及导流板捕集金属颗粒所占总数比例的影响主次顺序为导流板长度、导流板倾角、导流板间距，其最佳参数组合是A2B2C2，即导流板长度L=650 mm、导流板倾角θ=22.5°、导流板间距H=450 mm。显著性分析结果表明：导流板长度L对综合除尘效率有一定影响，导流板倾角θ和导流板间距H对综合除尘效率无明显影响。

关键词 SCC型湿式除尘器 气-液-固三相流 导流板 正交试验 除尘效率 FLUENT

中图分类号 TQ086.1   文献标识码 A   文章編号 0254?6094（2023）02?0244?06

除尘器作为机械零件制造、抛光过程中处理金属粉尘的关键设备，能够有效预防车间因粉尘浓度过高而产生粉尘爆炸，降低发生安全事故的可能性［1］。湿式除尘器使含尘气体与液体（一般为水）密切接触，利用水滴和颗粒的惯性碰撞，捕集颗粒并使之留存于固定容器内从而实现气体和固体粉尘颗粒的分离［2］。湿式除尘器的种类多样，包括文丘里除尘器、过滤湿式除尘器及自激式除尘器等［3］。笔者研究的SCC型湿式除尘器因导流板间的气流流动轨迹与“SCC”字母形状相同而得名，但现有文献对这种湿式斜板除尘器的流场及其影响分离的因素研究并不完善［4～8］。

目前，我国对于湿式除尘器的研究尚处于起步阶段，由于气-液-固三相流实验较为复杂，并且实验操作中很多参数难以记录，例如金属颗粒与液滴颗粒发生作用、水雾喷嘴的来流速度、液滴颗粒直径、蒸发情况以及气流在除尘区域内的运动等问题难以解决［9］。近年来随着计算流体力学的发展，采用数值模拟方法研究湿式除尘器问题被越来越多的人使用，故笔者利用计算流体动力学CFD流场分析软件FLUENT研究SCC型湿式除尘器流场运动规律［10～13］，并通过改变导流板结构参数探究其对综合除尘效率的影响［14］。

1 除尘器结构模型与参数设置

1.1 建模与结构参数

如图1所示，除尘区域整体高2 000 mm，宽1 200 mm，长1 000 mm，除尘器壁厚1 mm，内部导流板的长度为600 mm，导流板与壁面倾角为15°，导流板6个，上下导流板间距400 mm。使用Workbench软件中的Design Model模块进行建模。

1.2 基本控制方程

由物理守恒定律可知，流体流动需遵循三大基本守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。因此，流体流动与对流换热问题均需遵循相应的控制方程，即质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。笔者主要采用质量守恒方程和动量守恒方程。

在工业流动计算中应用最为广泛的湍流模型主要有3种，分别是标准k?ε模型、RNG k?ε模型和Realizable k?ε模型。由于RNG k?ε模型在湍动粘度中考虑了平均流动产生的旋转或旋流流动，提高了对高速畸变流动的计算精度，可以较为准确地处理高变形率和流线弯曲程度较大的流体流动，因此，笔者采用RNG k?ε模型对除尘区域内的流体流动进行数值模拟计算。

1.3 网格划分及数值模拟方法

首先在Design Model中对计算模型边界进行命名，之后使用Workbench中的Meshing模块对模型进行网格划分，最终选择网格数在100万左右。为了满足计算离散误差的要求，将液相入口简化，将雾化器简化成液滴颗粒从圆管入口进入。SCC型湿式除尘器除尘区域有限元模拟网格划分如图2所示，局部放大图如图3所示。

1.4 边界条件设置

除尘区域上部为气流进口，来流速度为10 m/s；固体金属颗粒粒径为5 μm，质量流量为0.01 kg/s，速度为10 m/s；右侧为液相进口，液滴颗粒粒径为5 μm，来流速度为25 m/s，入射角度为180°（气-固两相流模拟无此设置），液滴颗粒设定与FLUENT软件提供的水雾雾化器设置不尽相同，其目的是为简化一定的计算量。金属颗粒和液滴颗粒均是拉格朗日算法的DPM模型。由于水雾颗粒从入口进入，在重力作用下会下落至导流板表面并在导流板及部分壁面形成稳定的水膜，对水雾颗粒和金属颗粒具有很好的捕集作用，所以在FLUENT软件中对壁面和导流板均设置成捕集（trap）。

2 除尘区域颗粒物流动分析

采用CFD?POST后处理软件对除尘区域的数值模拟进行后处理，通过该软件可直接读取FLUENT软件计算结果处理数据文件，实现计算结果可视化。图4为不同时刻除尘区域内金属颗粒和水雾颗粒分布图，图5为气-固两相流与气-液-固三相流除尘区域x=0.5 m处速度矢量图，图6为气-固两相流和气-液-固三相流金属颗粒物数目n=10时的运动轨迹。

由图4可知，除尘区域上部是金属颗粒与液滴颗粒高浓度区域，并且金属颗粒和液滴颗粒间发生凝并吸附作用，形成“液包”降落至导流板表面。液滴下落至导流板形成液膜，对颗粒物进行捕集，仅较少金属颗粒逃逸至出口。可见，加入液滴颗粒后除尘效果明显。

由图5a可知，金属颗粒进入除尘区域内，金属颗粒跟随气流在除尘区域上部以及各导流板间形成多个旋流，这不仅增加了颗粒在导流板间的停留时间，同时也增加了被碰撞捕集的概率，从而提高了除尘效率。由图5b可知，加入液滴颗粒后除尘区域上部速度明显上升，导流板间产生旋流个数明显减少，其原因是绝大多数金属颗粒在除尘区域上部被液滴吸附并捕集，仅较少颗粒随气流运动。由此可见，加入液滴后，除尘效率得到明显提升。

由图6a可知，金属颗粒进入除尘区域内，跟随气流被壁面不断反射，其运动轨迹较为复杂，金属颗粒全部完成逃逸耗时较长，综合除尘性能偏低。由图6b可知，金属颗粒进入除尘区域内，首先金属颗粒被液滴吸附沉降至导流板，仅极少金属颗粒会继续随气流运动至出口，以图6b为例，仅1个金属颗粒逃逸，除尘效率高达90%，可见，加入液滴后除尘效率提升明显。

3 基于正交试验的除尘区域导流板结构优化

3.1 几何模型建立

基于导流板长度L（因素A）、导流板倾角θ（因素B）、导流板间距H（因素C）这3个因素，每个因素考虑3个水平，设计正交试验表（表1）。

若每个因素的每个水平相互搭配进行模拟研究，则需要做33=27次试验，这将耗费大量的时间和精力。为了提高计算效率，在不影响结构优选的前提下减少模拟，笔者选择其中9组方案进行正交试验，具体见表2。

3.2 网格划分与边界条件

網格划分与1.3节基本相同，通过网格独立性验证之后，其网格数在100万左右。

边界条件与1.4节基本相同。

3.3 正交试验结果分析

K1、K2、K3分别代表不同水平所对应的被壁面及导流板捕集颗粒物所占总数比例（图7）的总值；k1、k2、k3分别代表不同水平下综合除尘效率总值的平均值，其最大值与最小值的差值为极差R，极差可以体现出各因素水平对试验目标的影响程度，R值越大，说明R对应的因素对试验结果的影响越大。根据R值的大小评价各因素的影响主次顺序，最优水平是各因素k的最大值对应的水平，最优组合就是基于主次顺序的因素最优水平的组合。此外，在对正交试验进行方差分析时，需估计随机误差，因此在表2中还添加了一列空白列作为误差列以便进行后续的误差分析。

由表2、图7可知，导流板长度对被壁面及导流板捕集颗粒物占总数比例的影响最大，各因素对综合除尘效率的影响主次顺序为导流板长度L、导流板倾角θ、导流板间距H，表明导流板长度对除尘效率的影响最大，与1.4节提到的水雾颗粒落至导流板面形成液膜，对金属颗粒有明显捕集作用的结论吻合。通过对比因素A、B、C的平均值（即k1、k2、k3）可知，因素A（导流板长度）的最优水平为A2，因素B（导流板倾角）的最优水平为B2，因素C（导流板间距）的最优水平为C2，即最佳结构优化方案为A2B2C2：导流板长度L=650 mm、导流板倾角θ=22.5°、导流板间距H=450 mm。

利用Statistica软件对不同结构参数下的综合除尘效率进行方差分析，结果见表3。

由表3可以看出，因素A的统计量F大于因素B和C，说明导流板长度对综合除尘效率的影响最大，导流板间距对综合除尘效率的影响最小。因素A、B、C的p值均大于0.05，其中因素A的p值介于0.10～0.15之间，因素B、C的p值均大于0.25，从综合除尘效率的显著性角度分析，这说明导流板长度L对综合除尘效率有一定影响，导流板倾角θ和导流板间距H对综合除尘效率无明显影响。

4 结束语

通过FLUENT软件采用气-固两相流和气-液-固三相流方法对SCC型湿式除尘器除尘区域进行模拟，通过对比加入液滴颗粒前后的颗粒相分布、金属颗粒运动轨迹、速度矢量图可以发现，加入液滴颗粒后除尘效率得到显著提升。正交试验结果表明，各因素对被捕集固体颗粒物占总数比例的影响排序为A>B>C，其最佳方案组合是A2B2C2，即导流板长度L=650 mm、导流板倾角θ=22.5°、导流板间距H=450 mm为最佳结构参数组合。从显著性角度分析，导流板长度L对综合除尘效率有一定影响，导流板倾角θ和导流板间距H对综合除尘效率无明显影响，为工程实践提供了坚实的理论基础。

参 考 文 献

［1］ 张殿印，王纯.除尘器手册［M］.北京：化学工业出版社，2015：1-2.

［2］ 向晓东.现代除尘理论与技术［M］.北京：冶金工业出版社，2002：107-115.

［3］ 傅雨菲.一种复合式湿式除尘器设计、实验及模拟研究［D］.沈阳：东北大学，2013.

［4］ 吴晟.高效节能径向直叶片湿式除尘器研究［D］.长沙：中南大学，2012.

［5］ 康新库.径向直叶片湿式除尘器除尘效率及最佳运行参数匹配研究［D］.长沙：中南大学，2011.

［6］ 杨有亮.DW型高效湿式除尘器的性能研究与应用［D］.赣州：江西理工大学，2011.

［7］ 李玢玢.湿式除尘洗气机的流场分析及其磨损和喷雾性能研究［D］.南京：南京师范大学，2017.

［8］ 王云龙.基于FLUENT对井下除尘器的流场分析及其优化设计［D］.唐山：华北理工大学，2014.

［9］ 张震，郑源，冯方，等.离心式曝气机排出管对曝气性能的影响［J/OL］.排灌机械工程学报，2023：1-8［2023-03-09］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH. 20220919.1830.007.html.

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［11］ 高扬.径混式旋流强力洗气除尘器的净化特性研究［D］.太原：太原理工大学，2021.

［12］ 张文青，李勇，董放，等.开口型挡板在复合除尘器的数值模拟及优化［J］.化学工程，2018，46（7）：57-62.

［13］ 姜玉婷.矿用湿式金属网除尘器性能研究［D］.沈阳：东北大学，2013.

［14］ 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

（收稿日期：2022-04-11，修回日期：2023-03-15）

Flow Field Analysis and Structure Optimization of

the SCC Wet Dust Collector

WU Jing?yu， YU Bin， JIANG Chao， WU Qiong

（College of Mechanical and Power Engineering ， Nanjing Tech University）

Abstract   The flow field within dedusting area of the SCC wet dust collector was analyzed， including having FLUENT software based and the gas?solid flow and gas?liquid?solid flow simulated. Comparing metal particle and droplet size distribution diagrams at different time， and the metal particle trajectory and the velocity vector shows that the dedusting efficiency becomes increased dramatically after adding the droplet particles. The orthogonal experiment on influence of the guide plates length， angle and spacing on the proportion of total metal particles captured by the wall and guide plate shows that， the factors mainly and secondarily influencing the proportion of metal particles caught by the wall and the guide plate are guide plates length， angle and the spacing， and its optimal parameter combination is A2B2C2， that is， the guide plates length L=650 mm， the inclination angle θ=22.5° and the spacing H=450 mm. The significance analysis shows that， from the significance analysis of the comprehensive dedusting efficiency， the guide plates length L has a certain influence on the comprehensive dedusting efficiency while the inclination angle θ and the spacing H has no obvious influence on the comprehensive dedusting efficiency.

Key words    SCC wet dust collector， gas?liquid?solid flow， guide plate， orthogonal test， dedusting efficiency，  FLUENT

作者简介：吴敬宇（1996-），硕士研究生，从事高效环保装备技术的研究，dayuziyoo@163.com。

引用本文：吴敬宇，虞斌，江超，等.SCC型湿式除尘器除尘区域流场分析及结构优化［J］.化工机械，2023，50（2）：244-248；255.