撞击流除尘阵列惯性除尘机理强化

Strengthening of Inertial Dust Removal in Impingement Flow Dust Removal Array

摘要

惯性除尘是工业上常用除尘器的主要除尘机理之一，可通过提高气速对其进行强化，但由此将带来较大的阻力损失。针对撞击流除尘器的结构特征，提出多层撞击流除尘阵列的排布方式以平衡颗粒脱除率和压降之间的矛盾关系。首先，通过数值模拟获得了除尘阵列在不同排列间距条件下的颗粒脱除率和气路压降，引入过滤质量因子（Q因子）对颗粒脱除率和气路压降进行综合评价，结果表明，工业除尘中气速1.5 m·s^-1条件下6 mm等间距的排列方式为较优排布方式。然后，通过除尘实验（雷诺数Re=2 131～2 787）得出6 mm等间距除尘阵列的单元排颗粒脱除率随斯托克斯数（S_tk数）的变化趋势，实验数据拟合得到了S_tk=5.2×10^-4～1.0范围内单元排颗粒脱除率与S_tk数的经验公式。最后，为适应含尘气的宽粒径范围，开发了级联式撞击流排布方式的除尘阵列，此种除尘阵列通过逐渐收窄流道、提高阵列间气速，从而强化惯性碰撞，可有效提升分级颗粒粒径脱除率。级联式撞击流除尘阵列的实验表明，该排布方式较6 mm等间距撞击流除尘阵列颗粒脱除率有较大提升，15个单元排的级联式除尘阵列与同单元排数的6 mm等间距排布的除尘阵列相比，在气速为1.5 m·s^-1时颗粒脱除率提升了126%，且脱除率与S_tk数的关联关系与前述经验公式预测值一致，表明此经验公式可适用于多种排列方式的除尘阵列。

Abstract

Aerosol particles released into the atmosphere in industrial production cause significant harm to the environment and human health, and it is necessary to use a series of dust removal equipment at the source of aerosol emissions to control them effectively. The dust removal mechanism of inertial collision is one of the main mechanisms used in dust removal equipment commonly applied in modern industrial production. When the particle size distribution characteristics of aerosol particles to be removed are determined, this mechanism can be directionally strengthened by continuously increasing the gas velocity to improve the removal rate of both large and small particles. However, this approach results in considerable resistance loss (gas path pressure drop), and the higher the gas velocity, the greater the resistance loss becomes. After fully understanding the structural characteristics of the impingement flow dust collector, the research group proposes the arrangement of a multi-layer impingement flow dust collector array to balance the contradictory relationship between particle removal rate and pressure drop. The impingement flow dust removal array consists of dust removal columns, specifically composed of several dust removal columns uniformly arranged in three-dimensional space based on certain rules, with spacing between columns to allow the passage of dust-bearing gas. The computational fluid dynamics (CFD) method is utilized to simulate the particle removal process of the array to obtain a relatively better arrangement of the equidistant impingement flow dust collection array for subsequent experiments. The aim is to obtain the particle removal rate and gas path pressure drop under different arrangement spacing through simulation. The smaller the dust column spacing, the higher the particle removal rate, but the gas path pressure drop also increases. Therefore, to balance this contradiction, a more comprehensive evaluation of removal rate and gas path pressure drop under different spacing is conducted by introducing a filter quality factor (Q factor) to determine a better arrangement of the impingement flow dust collection array. After evaluating the final numerical simulation results using the Q factor, the arrangement mode with equal spacing of 6 mm is optimal under a gas velocity of 1.5 m/s, commonly used in industrial dust removal. Based on the numerical simulation results, the research group designs and produces a physical model of a 6 mm equidistant dust removal array for experiments. Based on the above steps, further dust removal experiments are conducted at Re = 2 131~2 787 to obtain the trend of unit discharge particle removal rate of the 6 mm equidistant array with the S_tk number. Finally, the empirical formula between the removal rate of unit discharge particles and the S_tk number in the range of S_tk = 5.2×10^-4~1.0 is obtained using a numerical fitting method, and the applicability of this empirical formula is preliminarily verified by another set of removal experiments under different Re values. At present, in the actual process of industrial dust removal, not only the removal rate and energy consumption of the gas path are considered, but also the space occupied by the equipment is a critical factor. Therefore, to adapt to the wide particle size range of dust-containing gas while considering removal rate, energy consumption, and occupied space, the research group further develops a dust collection array with cascaded impingement flow arrangement based on the previous simulation and experimental results. The main feature of this dust removal array is the uneven spacing between unit rows formed by the dust removal columns. Specifically, along the direction of the dust-laden airflow, the spacing between the unit rows gradually decreases, which narrows the flow channel, increases gas velocity between arrays, and strengthens the inertial collision mechanism, improving the overall removal rate of graded particle sizes. After preliminary optimization and design, the cascaded impingement flow dust collection array is tested in a dust collection experiment. Experimental results showed that, compared to the impingement flow dust collection array with equal spacing of 6 mm, the particle removal rate of the cascaded array is significantly improved. Taking 1 μm particles at a gas velocity of 1.5 m/s as an example, the removal rate of the cascaded impingement flow dust collection array with 15 unit rows increases by 126% compared to the 6 mm equispaced array with the same number of rows, and the correlation between removal rate and S_tk number aligns with the predicted value of the previously mentioned empirical formula. The applicability of the empirical formula is further confirmed. Accordingly, the research group successively designs the equidistant and cascaded impingement flow dust removal arrays and derives the empirical formula of the removal rate through experiments. This work provides guidance for further development of dust removal arrays.

Graphical abstract

关键词

撞击器 / 惯性碰撞机理 / 除尘阵列 / 气溶胶 / 过程强化

Key words

impactor / inertial collision mechanism / dust removal array / aerosol / process intensification

本刊网刊

01 ‒ 21

网络出版日期:2024 ‒ 06 ‒ 05

大气中的气溶胶颗粒聚集可引发雾霾^[1‒2]，对人体健康有较严重的危害，尤以亚微米颗粒为甚^[3‒4]。工业源排放是大气中气溶胶颗粒的主要来源之一^[5]，对其进行源头治理是控制PM_2.5一次排放的工程共识。

惯性碰撞机理是工业生产中尾气颗粒脱除和健康防护时气溶胶收集检测的主要机理之一。过滤层除尘装置和袋式除尘装置主要依靠惯性碰撞机理除尘，具体过程为使含尘气体通过致密编制的纤维层或者粒状物料组成的填料层，气体中的颗粒会因为惯性碰撞而被拦截。上述装置有较高的颗粒脱除率，但长时间运行积灰会造成气路能耗陡增；且由于其需要定期清灰，因此此类除尘器无法连续稳定工作；同时，用于过滤的纤维无法在高温下正常发挥作用^[6‒7]。湿式除尘装置，如文丘里洗涤器是一种常见的利用液滴通过惯性碰撞机理去除颗粒物的设备，但其运行能耗高，小颗粒的收集效率不高^[8‒9]。湿式静电除尘技术利用电晕放电先使颗粒荷电，然后通过电场力作用将颗粒收集在极板上，最后用水冲刷极板除去颗粒，虽工作效率高且克服了一般电除尘器二次扬尘的问题，但设备易腐蚀且固定投资和运行成本都较高，无法应对高粉尘浓度条件^[10‒11]。因此，开发一种能够兼顾压降与脱除率的惯性碰撞除尘设备具有显著工程价值。

撞击器^[12‒13]是一类利用惯性碰撞机理收集气溶胶颗粒进行检测的设备，如图1所示。主要包括常规冲击式采样器^[14‒15]、虚拟冲击式采样器^[16]和旋风分离器^[17]等，其中，常规冲击式采样器结构包括一个喷嘴以及一块挡板；虚拟冲击式采样器由喷嘴和收集探头组成；旋风分离器由进气口、出气口和内外筒体构成。虽然它们具体结构不尽相同，但核心机理均与惯性碰撞有关。

衡量撞击器性能的参数主要有两个^[18]：S_tk数（斯托克斯数）和切割粒径d₅₀。对于撞击器而言，只有临界S_tk数以上的颗粒才能被撞击器捕获^[19]，且S_tk数越大，颗粒被挡板所捕获的几率越大。S_tk数与撞击器尺寸以及颗粒相关性质有关^[12]。切割粒径d₅₀指脱除率50%对应的颗粒粒径，在一个结构确定的撞击器中，切割粒径只与流动状况有关，改变气流速度即可改变切割粒径。

在颗粒粒径分布确定的情况下，可通过提高进气速度来增大S_tk数、减小切割粒径从而提高颗粒被捕获的数量。但在如撞击器此类只有一层挡板的结构中，提高气速将使压降剧增。另外，某些气流通道为微孔的撞击器长期在高气溶胶浓度条件下收集颗粒，极易造成堵塞。

因此，将撞击器的结构运用到工业除尘中时，可通过设置多层撞击流除尘柱的阵列以提升颗粒的总脱除率，同时能够兼顾气路能耗。也可通过逐渐收窄除尘柱间距使气体流速加快，逐渐降低颗粒切割粒径，达到进一步增强小颗粒脱除率的目的。本文分别研究了等间距排列与级联排列两种类型的“X”形槽湿式撞击流阵列（X-shaped wet impingement flow arrays，X‒WIFA）除尘系统，研究其惯性除尘特性，并在结构尺寸与系统压降的限域条件下探讨其较优的工作条件。

1 X‒WIFA除尘系统

1.1 除尘系统实验装置

X‒WIFA除尘系统运行流程如图2所示，主要由3个部分构成：气溶胶发生器、气溶胶检测仪和气溶胶脱除系统。气溶胶检测仪和气溶胶发生器分别为Welas Digital 2000（Palas GmbH）和RBG 2000（Palas GmbH）。在本实验中，气溶胶发生器所用颗粒为Pural NF（SASOL GmbH），其主要成分为Al₂O₃，密度为2 837 kg·m^‒3，其颗粒粒径分布如图3所示。

气溶胶脱除系统主要由主体除尘室和前后稳流段组成。除尘阵列置于主体除尘室中，根据其排列的周期性，定义分布板上相邻两个物理排为一个单元排，如图4所示。图4中，W为除尘柱间距。循环水间歇性从单元排顶部导入并在“X”形槽内流动用以降膜清灰。

1.2 除尘阵列

为尽可能减小切割粒径（即增大颗粒脱除率），需要提升气速，但将导致单层撞击器结构压降急剧增大，不符合工业上对于低阻力除尘器500 Pa的压降限制条件^[20]。因此，为平衡压降与脱除率，可设置多层撞击结构，此结构由除尘柱组成，含尘气体通过除尘阵列对颗粒进行层层脱除。为方便降膜清灰，将除尘柱设置为“X”形。

“X”形除尘柱截面形状和尺寸如图5所示，其结构保证了稳定降膜条件的实现^[21]。后续撞击流除尘阵列的研究均以此除尘柱尺寸为基础。

上述多根除尘柱在除尘空间中均匀排布形成除尘阵列，以如图4所示的上下分布板进行固定并放置于主体除尘室中用于除尘实验。除尘柱之间的间距通过分布板上孔洞间的间距进行约束。

S_tk数是衡量颗粒在除尘阵列中惯性大小的无量纲数，其值越大，颗粒越容易被除尘阵列所捕获。颗粒在除尘阵列中的S_tk数可由式（1）计算得到^[22]。

S_{\mathrm{t}\mathrm{k}}=\frac{{\rho }_{\mathrm{p}}{u}_{\mathrm{0}}{C}_{\mathrm{c}}{d}_{\mathrm{p}}^{\mathrm{2}}/\mathrm{18}{\mu }_{\mathrm{g}}}{W/\mathrm{2}}（1）

式中：ρ_p为颗粒密度，kg·m^‒3；u₀为阵列间的真实气速，m·s^‒1；C_c为肯宁汉修正系数；d_p为颗粒粒径，m；μ_g为气体黏度，Pa·s。

实验时测得的气速为表观气速，除尘柱阵列间的真实气速可由式（2）计算得到。

u_{\mathrm{0}}=\frac{W+L}{W}u（2）

式中：u为管道中气体的表观气速，m·s^‒1； L为除尘柱宽度，m，本文中为0.006 4 m（图5）。

2 等间距排布的X‒WIFA除尘特性

2.1 等间距除尘阵列数值模拟寻优

为确定等间距排列的最佳方式，首先采用计算流体力学（CFD）方法对不同间距的撞击流除尘阵列的除尘过程进行模拟。

等间距错列排布的X‒WIFA 具有周期性，可视各单元排脱除率相同^[23]。除尘阵列总脱除率可由单元排脱除率计算：

\mathrm{1}-{\eta }_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}^{\text{'}}={\displaystyle \prod _{i=\mathrm{1}}^n}\left(\mathrm{1}-{\eta }_i^{\text{'}}\right)（3）

式中，η'_total为除尘阵列总脱除率，n为单元排数量，η'_i 为第i个单元排的脱除率。由于等间距排列的除尘阵列各单元排脱除率相同，取为η'，可得：

\mathrm{1}-{\eta }_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}^{\text{'}}={\left(\mathrm{1}-{\eta }^{\text{'}}\right)}^n（4）

选取除尘阵列前1.5个单元排的中间对称区域作为计算域。液体在降膜槽内稳定流动时，忽略液膜波动，同时考虑到计算成本和计算精度，将3维模型进一步简化为2维模型，得到简化的X‒WIFA除尘系统计算几何模型，如图6所示。

如图6所示，X‒WIFA除尘阵列计算区域总长度为70 mm，除尘阵列的前后各设置有稳流段；降膜槽边长为8 mm，壁厚为1 mm，位于6.4 mm×6.4 mm的方形区域中。将降膜槽中的液膜简化为与壁面相切的圆弧面，如图6中弧面所示。以气溶胶流动方向为主流方向，降膜槽横向间距W与轴向间距S相同，对比计算W和S均为2、3、4、5、6、7 mm的分布条件。计算时假设：

1） 第1个物理排仅作为导流排，其降膜槽壁面为颗粒反射面；

2） 第2、3个物理排的液膜以均一速度下降且无波动，其表面为颗粒捕获面；

利用ICEM CFD划分网格后导入到流场模拟软件FLUENT中进行数值计算，运用时均的RNG k‒ε 湍流模型^[24‒25]求解气相 Navier‒Stokes方程，用离散相模型^[26]（Discrete Phase Model，DPM）追踪颗粒轨迹，并使用Stokes‒Cunningham公式^[27]对气固曳力系数进行修正，不考虑颗粒对流体相的反馈。

边界条件的设置中，气溶胶进口为速度进口，出口设置为压力出口，“X”形槽表面液膜被简化为刚性无滑移壁面（即捕获面），计算域两侧设置为对称面。颗粒物只要接触到捕获面即被捕获，不考虑颗粒的反弹。具体边界条件设置如表1所示。

引入过滤质量因子^[28]（Q因子）对X‒WIFA的除尘性能进行评价，Q因子定义为：

Q_{d\mathrm{p}}=\frac{-\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\mathrm{1}-{\eta }_{d\mathrm{p}}^{\text{'}}\right)}{\mathrm{\Delta }{p}^{\text{'}}}（5）

式中：η'_dp为颗粒粒径d_p的单元排脱除率；Δp'为系统单元排气路压降，Pa。

模拟计算得到等间距X‒WIFA中，当入口气速为典型工业除尘操作气速1.5 m·s^-1时，除尘阵列对颗粒的单元排脱除率和压降如图7所示。

从图7可以看出，单元排压降以及颗粒脱除率均随除尘柱间距的增大而减小，这是由于除尘柱间距W越大，除尘阵列越稀疏，因而压降越小；再根据式（1），W越大，S_tk数越小，因此单元排脱除率越小。压降与单元排脱除率的上述矛盾关系可通过Q因子进行综合评价。

图8给出了X‒WIFA除尘系统中降膜槽间距对单元排Q因子的影响。

如图8所示，模拟条件下Q因子随阵列间距W增大呈现先增加后减小的趋势，在间距为6 mm时Q因子取最大值，为3.02×10^-3 Pa^-1。因此除尘实验等间距X‒WIFA除尘系统采用排列间距为6 mm的除尘阵列，共计12排。需要指出的是，模拟时为快速比选除尘阵列布置条件，设置了较多简化条件，实际颗粒脱除率仍需实验予以确认。

为验证模拟结果，选取间距分别为2和6 mm的除尘阵列单元排压降模拟计算结果和实验数据进行对比，结果如图9所示。

从图9可以看出，单元排的压降模拟值与实验值吻合较好，说明模拟所采用的模型以及相关设置所得出的结果能够比较准确地反映出实验现象。因此，将模拟结果通过Q因子进行综合评价，得到间距为6 mm的排布方式较优，能够用于进一步的实验。

2.2 等间距X‒WIFA除尘实验研究

以雷诺数来更准确描述除尘柱间气体流动状态^[12]，其计算公式如下：

Re=\frac{\mathrm{2}{\rho }_{\mathrm{g}}{u}_{\mathrm{0}}W}{{\mu }_{\mathrm{g}}}（6）

式中，ρ_g为气体密度，kg·m^-3。

以6 mm等间距除尘阵列进行除尘实验，表观气速u取值为1.3、1.4、1.5、1.6和1.7 m·s^‒1。结合式（2）、（6），得到不同雷诺数下脱除率随粒径变化如图10所示。从图10可以看出，单元排脱除率随粒径增大而增大。

S_tk数为研究惯性碰撞机理时常用特征参数，将图10中颗粒粒径转换为S_tk数，得到脱除率散点图。考虑到脱除率拟合公式的简洁性以及适用范围的广泛性，采用Regtuit等^[29]推荐的惯性除尘经验公式对散点图进行拟合，得到的脱除率实验数据及拟合曲线如图11所示。在S_tk=5.2×10^-4～1.0范围的脱除率（η'）经验公式如下：

{\eta }^{\text{'}}=\frac{\mathrm{3}{S}_{\mathrm{t}\mathrm{k}}^{\mathrm{0.9}}}{\mathrm{3}{S}_{\mathrm{t}\mathrm{k}}^{\mathrm{0.9}}+\mathrm{20}}（7）

为验证所得脱除率经验公式的适用性，另选择一组不同的气流雷诺数进行除尘实验，取Re分别为2 049、2 213、2 377、2 541、2 705、2 869，得到的脱除率散点如图12所示。

如图12所示，散点为实验数据点，曲线为由式（7）所得的脱除率计算值，与实验值吻合度良好，表明本公式可以较好地预测单元排脱除率。

实验所用12个单元排除尘阵列的S_tk50（脱除率50%对应的S_tk数）可由式（4）和（7）联立计算得出，不同真实气速下的切割粒径d₅₀可由S_tk50根据式（1）计算得出，结果如图13所示。

图13进一步定量说明，可以通过逐渐收窄流道的方式提高气速，减小除尘阵列的切割粒径从而增大总脱除率。工业上旋风分离器能够有效脱除粒径5 μm以上的颗粒^[30]，而本除尘阵列12个单元排在气速5 m·s^-1时切割粒径可达5 μm，相应的压降仅为315 Pa。

类似地，联立式（1）、（4）、（7）可以得到切割粒径随单元排数的变化曲线，如图14所示。图14中真实阵列间气速为3.1 m·s^-1，对应表观气速为1.5 m·s^-1。

从图14可以看出，切割粒径随着单元排数增加而逐渐减小，在总压降Δp'_total为500 Pa（工业低阻力除尘器压降限值条件）的限制条件下，6 mm等间距的除尘阵列约可在48个单元排时取得2.89 μm的切割粒径。若采用级联式排布方法，将会在更少的单元排下取得相同的脱除效果，从而减少除尘系统占用的空间。

3 级联式排布的X‒WIFA除尘特性

3.1 级联式除尘阵列排布方式寻优

根据装置脱除率和压降限制条件所确定的目标任务，等间距是除尘阵列常用的排列方式，S_tk数的提升则可通过气速变化予以调节。考虑到实际工业装置表观气速相对固定，综合考虑脱除率、压降、装置空间限制性要求，级联式排布则是一个可选的设计方案。通过前疏后密的排布，其不但能实现大小颗粒的分级脱除，同时能有效控制系统压降。

由前述CFD模拟，得到了2～7 mm单元排间距下，单元排压降与表观气速u的函数关系式。其中，单元排间距为6 mm时的关系式如式（8）所示，单元排压降随表观气速变化拟合曲线如图15所示。

\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{6}}^{\text{'}}=-\mathrm{0.19}u+\mathrm{4.52}{u}^{\mathrm{2}}（8）

由式（8）可以得到粒径1 μm、特征速度1.5 m·s^‒1时每个间距下单元排压降的参考图像，如图16所示。

再考虑脱除率，联立式（1）、（2）与（7），可以得到粒径为1 μm、表观气速为1.5 m·s^-1时不同间距下单元排分级脱除率的参考图像。最终将单元排脱除率及压降随单元排间距变化趋势绘制成图，如图16所示。

由图16可得，单元排脱除率和压降均随单元排间距的增大而减小。在保证总脱除率不变的情况下，除尘系统占用空间却随着单元排间距的增大而增大。窄间距的除尘阵列单元虽然有着较高的脱除率且占用空间更小，但其压降也相对较高；而宽间距的除尘阵列单元虽然压降更低，但为了达到相同的脱除率目标需采用多排串联，需占用更多的空间。因此，在同时考虑压降、脱除率、占用空间三者的情况下，级联式排布的除尘阵列显然更具优势。

结合单元排脱除率、单元排压降、单元排长度，在满足Δp'_total<500 Pa，实验室装置限域总长L<300 mm的排布方式的条件下，使用穷举法对排布方式进行寻优。选择脱除率在所设定条件下最优（所选粒径与表观气速下，总脱除率最大）的排布方式。所得最优排布方式为1个W=5 mm的单元排、4个W=4 mm的单元排、10个W=3 mm的单元排，采用先疏后密的排布方式，且级联式除尘阵列理论总压降为497.311 Pa，总长度为294 mm。

3.2 级联式X‒WIFA除尘实验研究

将此级联式除尘阵列用于除尘实验，实验表观气速为1.0～1.5 m·s^-1，最终得到的除尘率结果如图17所示。

图17中曲线为级联式阵列除尘率计算值，散点为脱除率实验数据。其中级联式阵列中每一单元排脱除率由式（7）计算；总脱除率可由式（3）计算，n取为15。

从图17中可以看出，拟合曲线与散点的变化趋势吻合较好，表明经验公式（7）在应用于级联式阵列除尘率的计算时仍表现出较高的预测精度。

在相同单元排数（15个）且表观气速u_g=1.5 m·s^-1的实验条件下，以粒径1～5 μm的颗粒为例，等间距和级联排布的X‒WIFA阵列脱除率η'_total如图18所示。

从图18可以看出，级联式除尘阵列的颗粒脱除率要高于6 mm等间距的除尘阵列，高出126%。6 mm等间距排布的除尘阵列实验压降为148 Pa；级联排布的除尘阵列实验压降为540 Pa；相较于等间距的排布方式，级联式压降增加了265%。

4 结 论

1）本文提出了一种“X”形槽湿式撞击流阵列用于强化惯性碰撞除尘。通过CFD数值模拟寻优，引入Q因子对颗粒脱除率和气路压降进行综合评价，结果表明，工业除尘常用气速1.5 m·s^‒1条件下6 mm等间距的排列方式为较优排布方式。

2）除尘实验（Re=2 131～2 787）得出6 mm等间距除尘阵列的单元排颗粒脱除率随S_tk数的变化趋势，实验数据拟合得到在S_tk=5.2×10^-4～1.0范围内适用本“X”形槽湿式撞击流阵列的脱除率计算经验公式。

3）设计出了级联式撞击流排布方式的除尘阵列。级联式撞击流除尘阵列的实验表明，该排布方式与等间距撞击流除尘阵列相比，颗粒脱除率有较大提升，15个单元排的级联式除尘阵列相较于同单元排数的6 mm等间距排布的除尘阵列，在气速为1.5 m·s^-1时颗粒脱除率提升了126%，且脱除率与S_tk数的关联关系与前述经验公式预测值一致，验证了公式的适用性。相比于均匀排布，级联式撞击流除尘单元具有更高的脱除率且除尘设备占用空间更小。

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