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随着我国经济和技术的快速发展,国内粮食烘干机械化水平逐步提高[1-5]。据统计,截止到2020年底,国内粮食烘干机保有量达到13.62万台,烘干机械化水平接近20%[6]。由于粮食烘干过程中会排出大量高含尘废气,严重污染周边环境。目前,大多数的粮食烘干采用将废气通入灰房自由沉降后再排放的处理方式,但由于粉尘成分复杂,粉尘量大,沉降处理效果差,无法满足排放要求[7-8]。因此,粮食烘干废气达标排放,成为了粮食烘干行业亟待解决的难题。
关于除尘设备的研究,国内外已经做了大量研究工作。文献[9]最先在Fluent软件中对喷淋塔内的气液两相流场进行模拟研究,提出可运用数值模拟技术来指导优化塔的结构设计。文献[10]利用CFX软件对文丘里洗涤器的烟气流速、体积分数、雾滴粒径和去除效率进行了研究,得到较好的仿真结果。文献[11]通过CFD仿真得出,带有减压孔的旋风分离器可以降低压降并提高分离效率;文献[12]采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法对湿式电除尘器的喷头位置和喷头开启前后的电除尘器内部流场进行了数值模拟,发现了喷嘴对除尘器速度流场影响的规律。文献[13]利用Fluent软件和Euler-Lagrange模型模拟了喷淋塔内两相流场,研究了各因素对喷淋塔性能的影响,为喷淋塔的设计提供了参考。文献[14]为了提高旋风分离器的除尘净化效率,采用数值模拟方法得到了内部气-固两相流的分布参数云图,确定了旋风分离器的最佳设计方案,为旋风分离器的设计提供了参考。
但是,目前关于除尘技术和装备研究,主要是针对工业上烟尘排放展开,对粮食烘干机废气的除尘方法、技术和装备研究则处于空白。虽然目前有采用布袋除尘[15]、重力除尘[16-17]或过滤除尘[18]装置进行粮食烘干废气除尘的应用,但由于粮食烘干废气湿度高、成分复杂,采用布袋等单一的除尘方式除尘效果较差,满足不了实际要求。为此,本文提出一种基于微颗粒团聚效应的多效除尘技术,通过仿真试验,研究喷淋塔主要参数对除尘效果的影响,研制开发一种多效除尘系统,以实现粮食烘干机废气达标排放。
试验测定结果显示,粮食烘干机废气不同于一般的工业含尘气体,一是其相对湿度较高,最高接近100%,最低50%以上。二是粮食烘干机废气除了含有21.3%的微小粉尘外,其余的78.7%为小土块、石子、碎秸秆、稻壳、草种、瘪稻谷大颗粒杂质。
因此,粮食烘干废气无法采用现有的任何一种单一除尘方法进行有效处理。为此,将离心除尘、微粒团聚和喷淋除尘进行集成,构建一种多效除尘系统。先对粮食烘干机排出的废气,通过旋风除尘器将其中的土块、石子和秸秆等较大的颗粒进行离心沉降,然后再利用文丘里管的气流加速功能,强化微小粉尘颗粒的湍流团聚效应,最后利用喷淋的方式除去废气中的微小粉尘。多效除尘系统如图1所示,主要由旋风除尘器、文丘里管、喷淋系统等组成。烘干机排出废气中较大的颗粒及杂质在旋风除尘器中沉至底部由关风机排出;细小粉尘随上升气排出旋风除尘器进入文丘里管被加速后冲入喷淋塔,在团聚效应作用下,部分细小粉尘颗粒团聚成较大的颗粒,在喷淋塔内被液滴捕捉、沉降,随水排出。处理后的洁净空气上升,通过喷淋塔出口排出。
图1 多效除尘系统结构示意图
Fig.1 Schematic of structure of multi-effect dust removal system
1.温湿度传感器 2.关风机 3.文丘里管 4.球阀 5.压力表6.溢流阀 7.电磁阀 8.立式离心泵 9.水箱 10.喷淋塔 11.实心锥喷嘴 12.流量传感器 13.压力传感器 14.控制柜 15.粉尘浓度传感器Ⅱ 16.旋风除尘器 17.风速传感器 18.粉尘浓度传感器Ⅰ
喷淋系统包括喷淋塔、水箱、电磁阀、立式离心泵、压力表、溢流阀、球阀、实心锥喷嘴以及由粉尘浓度传感器、温湿度传感器、风速传感器和PLC组成的监测控制系统构成。PLC作为上位机,通过各传感器监测含尘量、压力等参数,通过变频器控制多级离心泵的工作状态,实现喷淋系统的自动变量喷淋。
喷淋塔气流速度对除尘效率有重要影响,较小的气流速度可使粉尘颗粒延长与雾滴接触的时间,有利于提高除尘效率,但在在烘干废气处理量一定的条件下,气流速度越低,喷淋塔直径就越大,设备投资越大。但是如果喷淋塔直径过小,气流速度就会过大,会导致雾滴随气流排出喷淋塔,不仅降低除尘效率,还会造成环境污染。因此,喷淋塔直径(气流速度)是影响除尘效果的关键因素。参考喷淋塔设计标准,喷淋塔直径(塔径)计算公式为
(1)
式中 D——喷淋塔直径,m
Qf——每小时处理的气体量,m3/h
v——废气穿塔速度,m/s
在气体处理量一定条件下,塔径决定气流速度。
为了保证粉尘与液滴有足够的接触时间,喷淋塔高度需满足
(2)
式中 θ——喷淋塔高径比,取2～7
H——喷淋塔总高度,m
HS——塔身高度,m
HT——顶部高度,m
H1——水管入口定位高度,m
H2——喷淋段高度,m
H3——废气入口定位高度,m
H4——观察口定位高度,m
H5——塔底高度,m
HD——支架高度,m
d1——喷淋塔进风口直径,m
d2——喷淋塔出风口直径,m
d3——观察口直径,m
由以上公式可知,喷淋塔结构尺寸基本由塔径决定。喷淋塔结构及模型如图2所示。
图2 喷淋塔三维图及结构设计图
Fig.2 Three-dimensional and structural design diagram of spray tower
选用实心锥型喷嘴,为保证液滴场能够覆盖整个喷淋塔的内截面并有效减少液滴的逃逸,根据预试验结果,选择喷嘴通径为2 mm,喷嘴数量为4,通过万向节改变喷嘴喷雾方向的喷淋层布置形式如图3所示。
图3 喷淋层布置形式图
Fig.3 Spray layer arrangement diagram
粮食烘干废气处理的难点在于对高湿微小粉尘的处理,多效除尘的关键核心是基于团聚效应的喷雾除尘。喷雾除尘虽然对微小颗粒有良好除尘效果,但雾滴直径、压力、气流速度等参数对除尘效率有重要影响,为此,通过仿真试验,以确定最佳的雾滴直径、压力及气流速度(塔径) 等参数。
3.1.1 物理模型建立及网格划分
设定塔径为1 500 mm,塔高4 000 mm。根据网格无关性试验,设置单元尺寸为40 mm,计算区域划分网格节点97 554个,网格单元510 020个。
3.1.2 模型及边界条件设置
采用DPM模型[19]进行液滴的描述,模型考虑液滴的蒸发,蒸发组分设为H2O,入口设置为速度入口,出口设置为压力出口,计算方法采用Simple,湍流模型为Realisable k-ε mode,喷嘴注射方式为Pressure-Swirl-Atomiser,壁面条件设置为Trap,注射材料为Water-Liquid,设置破碎模型为TAB model,喷雾半角为25°,喷雾流量0.078 L/s。
3.1.3 评价指标计算
在探索各因素对液滴场影响的仿真试验中,以液滴质量浓度作为评价指标,其计算公式为
Cy=m/V
(3)
式中 Cy——液滴质量浓度,kg/m3
m——计算单元内液滴的质量,kg
V——计算单元的体积,m3
液滴逃逸率是指被气流吹出除尘设备液滴所占比率。其计算公式为
ηt=qmp/qm×100%
(4)
式中 ηt——液滴逃逸率,%
qmp——液滴颗粒逃逸质量流量,kg/s
qm——喷淋水的总质量流量,kg/s
3.2.1 气流速度
为了研究不同的塔内气流速度对液滴场的影响,在喷雾角度为0°的条件下,分别设置气流速度为0、0.56、1.11、1.67 m/s。给出距离喷淋塔顶部1 000、2 000、3 000 mm(Z1、Z2、Z3)监测面上,不同气流速度与压力下液滴质量浓度分布如图4所示。由图4可以看出,随着压力的增加,1 000 mm监测面与2 000 mm监测面上,液滴质量浓度均增加,液滴场对粉尘的抑制效果提高。在不同的气流速度下,3 000 mm监测面上液滴质量浓度随压力增加而减小,而且气流速度越高,液滴质量浓度越低,气流速度为1.67 m/s时,进风口处的液滴质量浓度几乎为零。这是因为气流速度过高时会将液滴吹出,而且压力增加会使得液滴粒径变小更易被风吹出,从而导致液滴场的分布极不均匀,抑尘性能变差。
图4 不同气流速度与压力下液滴质量浓度分布
Fig.4 Droplet mass concentration distribution at different inlet wind speeds and pressures
当气流速度过大时,液滴会被风夹带吹出,造成水资源的浪费和环境污染。为此,以喷淋塔出口为监测面,监测液滴逃逸的质量浓度,得到图5所示的不同气流速度及压力下的液滴逃逸率曲线。由图5可知,当气流速度为0.56 m/s时,不同压力下液滴逃逸率基本上没有变化,均小于1%。当气流速度为1.11 m/s时,压力由0.5 MPa增加至2 MPa,液滴的逃逸率会有明显增加,但整体上液滴逃逸率小于5%。当气流速度为1.67 m/s时,压力由0.5 MPa增加至2 MPa,液滴逃逸率显著增加,最高超过10%。综合分析,在气流速度为0.89～1.33 m/s时,能够得到比较理想的液滴场。
图5 不同气流速度液滴逃逸率
Fig.5 Droplet escape rate at different inlet wind speeds
3.2.2 喷雾角度
为研究喷雾角度对液滴场的影响,分别设置喷嘴喷雾角度为-30°、-15°、0°、15°、30°进行试验,以喷淋塔YZ平面为监测面,如图6所示,得到不同喷雾角度下YZ平面上液滴质量浓度分布,如图7所示。分析图7可知,相同压力下,液滴场分布在喷雾角度-30°～30°范围内呈相似变化规律。当喷雾角度为-30°时,液滴主要集中在喷嘴附近,且具有较高的液滴质量浓度,在进风口处液滴质量浓度较低且呈现出不均匀分布。当喷雾角度为-15°时,液滴场分布较均匀,且随着压力增加,液滴场的覆盖率逐步提高。当喷雾角度为0°时,液滴场的分布均匀性开始变差,在进风口一侧液滴质量浓度小于出风口一侧的液滴质量浓度。当喷雾角度为15°及30°,液滴场的分布均匀性更差,液滴场覆盖率也较低,不能起到很好的除尘效果。同时,在相同喷雾角度下,压力越大液滴场的雾化效果越好,液滴覆盖率越高。
图6 喷雾角度及YZ平面示意图
Fig.6 Schematic of spray angle and YZ plane
图7 不同喷雾角度与压力下液滴质量浓度分布
Fig.7 Droplet mass concentration distributions at different spray angles and pressures
为了进一步分析喷雾角度对液滴场的影响,选择喷淋塔顶部距离500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 mm的截面作为目标平面,计算目标平面上液滴的平均质量浓度,结果如图8所示。图中A区域为喷雾区、B区域为除尘区、C区域为进风区。由图8分析可知,在喷雾角度-30°～30°的范围内,不同压力下,液滴质量浓度在喷淋塔轴向上呈现先增后降趋势,除尘区液滴质量浓度最高,进风区液滴质量浓度降低。当喷雾角度为-30°和15°时,各种喷雾压力下液滴场均匀性都较差;当喷雾角度为30°时,不同压力下平均液滴质量浓度曲线一致性较好,但是最大质量浓度仅为0.03 kg/m3;当喷雾角度为-15°到0°时,不同压力下最大平均质量浓度可达0.05 kg/m3。这表明,最佳的喷雾角度应该为-15°～0°。
图8 不同喷雾角度塔内沿着Z方向不同平面平均液滴质量浓度曲线
Fig.8 Curves of average droplet mass concentration at different planes along Z direction in tower with different spray angles
3.2.3 喷雾压力
当喷嘴尺寸确定后,液滴质量浓度、雾滴粒径、雾滴速度主要取决于喷雾压力。为了研究不同的喷雾压力对液滴场的影响,在气流速度为0 m/s及喷雾角度为0°条件下,分别设置喷雾压力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa,得到不同压力下液滴场速度分布图和液滴场粒径分布图如图9所示。由图9可直观看出,随喷雾压力增加,液滴场内液滴数量急剧增加,液滴平均速度降低;由图9也可看出,随喷雾压力增加,液滴粒径变小,液滴场覆盖率增大。
图9 液滴速度及液滴粒径分布
Fig.9 Droplet velocity and droplet size distribution
上述试验结果说明,喷雾压力是影响液滴场的关键因素。如图10所示,喷雾压力增加,液滴平均粒径减小,平均浓度增加,表面积增大,与粉尘粒接触机会变大并增加了液滴与尘粒的接触时间,有利于对尘粒的捕捉及抑尘。但较高的压力会造成液滴逃逸率增加,因此,喷雾压力应在1～1.5 MPa较为适宜。
图10 液滴微观统计
Fig.10 Microstatistics of droplets
试验在南京市江宁区太和水稻种植专业合作社进行,采用CEL-1200型烘干机(金子农机(无锡)有限公司,处理量12 t,额定风量10 800 m3/h)进行烘干试验,稻谷初始含水率为22.5%、18.6%、23.1%、19.5%及24.2%,最终降至15.0%。试验设备仪器包括:ZGF-3型粉尘采样器(盐城市紫光电子仪器有限公司)、MTQ300D型电子天平(深圳市美孚电子有限公司)、Smart Sensor AS8336型风速仪等。
4.2.1 粉尘质量浓度
采用粉尘采样器在喷淋塔出口采集粉尘,计算粉尘的浓度。粉尘采样操作按照文献[20]执行。每次试验条件下重复测量3次,取平均值作为试验结果。粉尘质量浓度计算公式为
(5)
式中 C——粉尘质量浓度,mg/m3
m1——采样前滤膜质量,mg
m2——采样后滤膜质量,mg
t——采样时间,min
Q——采样流量,L/min
4.2.2 除尘效率
除尘效率测定参考文献[21],计算公式为
(6)
式中 η——除尘效率,%
C1——喷淋塔进口粉尘质量浓度,mg/m3
C2——喷淋塔出口粉尘质量浓度,mg/m3
由仿真试验可知,气流速度、喷雾角度、喷雾压力是影响喷淋塔内液滴场的主要因素,为探究以上各因素对除尘效率的影响规律,开展以除尘效率为指标的单因素试验,在烘干中期每组连续进行3次重复试验,以平均值作为结果。
4.3.1 气流速度
考虑到除尘器的除尘效率及液滴的逃逸,选取喷淋塔气流速度为0.56、0.89、1.11、1.33、1.67 m/s共5个水平,在喷雾角度为-7.5°、喷雾压力为1.25 MPa条件下,测量多效除尘器的除尘效率,分析气流速度对除尘效率的影响。
4.3.2 喷雾角度
考虑到除尘器的除尘效率及液滴场的分布,选取喷嘴喷雾角度为-30°、-15°、0°、15°、30°共5个水平,在气流速度为1.11 m/s、喷雾压力为1.25 MPa条件下进行试验,分析喷雾角度对除尘效率的影响。
4.3.3 喷雾压力
综合考虑到除尘器的除尘效率及液滴逃逸率,选取喷嘴喷雾压力为0.5、0.75、1、1.25、1.5 MPa共5个水平,在气流速度为1.11 m/s、喷雾角度为-7.5°条件下进行试验,分析喷雾压力对除尘效率的影响。
气流速度、喷雾角度、喷雾压力对除尘效率的影响如图11所示。由图11a可知,在气流速度由0.56 m/s增加到1.67 m/s时,除尘效率呈现逐渐降低趋势,在气流速度大于1.11 m/s以后除尘效率降低较快,试验结果与前文液滴场分布规律一致。这可能是由于气流速度增大后,喷淋塔内液滴场覆盖性能变差,抑尘性能变差,从而导致除尘效率变低,因此,适宜气流速度取值为0.89～1.33 m/s。
图11 不同试验因素除尘效率变化曲线
Fig.11 Variation curves of dust removal efficiency under different test factors
由图11b可知,在喷雾角度为-30°～30°变化时,除尘效率呈先增加后降低趋势。可能的原因是,随喷雾角度的增加,液滴场逐渐均匀,除尘效率也相应增加,但喷雾角度过大时,会有部分液滴直接飞向塔壁,从而除尘效率降低,因此,最佳确定喷雾角度为-15°～0°。
由图11c可知,当喷雾压力为0.5 MPa增加到1.5 MPa时,除尘效率呈现逐渐增加趋势,但在喷雾压力大于1 MPa以后除尘效率增加缓慢。可能是随喷雾压力增加,液滴场变得密集,有利于除尘效率提高。压力过大,会使液滴逃逸率增加,从而导致除尘效率增加缓慢,因此,合适的喷雾压力应为1～1.5 MPa。
为探究试验因素对评价指标影响的显著性、各因素间交互作用并得到最优参数组合。参考文献[22-26],选择气流速度、喷雾角度、喷雾压力为试验因素。除尘效率为性能评价指标,设计三因素三水平正交试验。根据单因素试验及前文仿真分析得到的结果,试验因素编码如表1所示。在烘干中期每组试验重复测量3次后取平均值。
表1 试验因素编码
Tab.1 Level of test factors
编码因素气流速度/(m·s-1)喷雾角度/(°)喷雾压力/MPa-10.89-15.01.0001.11-7.51.2511.3301.50
为了得到喷雾压力、气流速度和喷雾角度最佳参数组合并建立多效除尘器除尘效率预测模型,进行正交试验并对试验结果进行回归分析,结果如表2所示,X1、X2、X3表示气流速度、喷雾角度、喷雾压力编码值。由表2可知,在气流速度为0.89 m/s、喷雾角度为-7.5°和喷雾压力为1.5 MPa条件下,除尘效率最高,可达95.99%。如果以除尘效率最大为优化目标,通过Design-Expert 10中参数优化模块进行参数优化,结果显示,当气流速度为0.92 m/s、喷雾角度为-8.4°、喷雾压力为1.44 MPa时,能够获得最优除尘效率,为96%。
表2 正交试验结果
Tab.2 Orthogonal test results
试验序号因素X1X2X3η/%100094.55211090.35300094.85400094.79500095.05610192.1970-1192.98800095.1490-1-189.961001192.2811-1-1092.891201-189.251310-190.8214-11092.14151-1090.6916-10195.9917-10-192.55
为了检验优化参数的准确性,取气流速度为0.92 m/s,喷雾角度为-8.4°,喷雾压力为1.44 MPa,在烘干中期进行5组验证试验,结果显示:5组试验平均除尘效率能达到96.27%,最大除尘效率达到96.82%,与优化结果相当。
方差分析结果显示,各因素对除尘效率的影响程度依次为:喷雾压力、气流速度、喷雾角度。回归模型中
影响极显著(P<0.01),X2、X1X3影响显著(0.01≤P<0.05),其他影响不显著。除尘效率二次回归方程表示为
Y=94.88-1.91X1-0.31X2+1.36X3+
(7)
为进一步探究各因素间的交互作用对除尘效率的影响规律,绘制出各因素对除尘效率影响的响应曲面,如图12所示。
图12 因素间交互作用对除尘效率的影响
Fig.12 Influence of interaction among various factors on dust removal efficiency
由图12a可知,当喷雾压力为1.25 MPa时,随着气流速度增加,除尘效率降低,当喷雾角度由-15°增加至0°。除尘效率将先增加后减小。可能是由于气流速度增加会使一部分粉尘来不及被液滴捕捉就被吹出所导致。
由图12b可知,当喷雾角度为-7.5°时,气流速度降低与喷雾压力增加都会使得除尘效率增加。可能是气流速度降低会增加粉尘在喷淋塔内停留时间,而喷雾压力增加会使得液滴数量增加,有利于液滴对粉尘的捕获。
由图12c可知,当气流速度为1.11 m/s时,除尘效率随着喷雾角度增加先增加后降低,随着喷雾压力增加而增大。这可能是随着喷雾角度增加,喷淋塔内液滴场均匀性变好,但当喷雾压力过大时,会造成部分雾滴直接撞上喷淋塔墙壁,失去除尘能力。
在最优参数条件下,进行多效除尘器与TBLM型脉冲除尘器除尘效果对比试验。试验时采用YR-FD100型粉尘浓度测量仪(山东瑶瑞电子科技有限公司),每10 min分别采集测量两种除尘器排出的废气中粉尘浓度,结果如表3所示。由表3可知,经过多效除尘器除尘后,排放的废气中平均粉尘质量浓度约为5.54 mg/m3,而经过脉冲除尘器的除尘后平均粉尘质量浓度约为7.05 mg/m3,前者较后者降低27.26%。这说明多效除尘器除尘效果优于脉冲除尘器。另外,国家大气排放标准规定的颗粒物排放极限为150 mg/m3[27],经过多效除尘器处理后粮食烘干废气中粉尘浓度远低于国家标准,说明粮食烘干机废气经过多效除尘器处理后,可以满足环保要求。
表3 对比试验结果
Tab.3 Comparison of test results mg/m3
序号除尘后粉尘平均浓度多效除尘器脉冲除尘器15.547.0825.516.9135.597.15
(1)基于理论分析确定了喷淋塔的结构,气流速度、喷雾角度及喷雾压力是影响多效除尘器喷淋塔液滴场的主要因素,当气流速度为0.89～1.33 m/s、喷雾角度为-15°～0°、喷雾压力为1～1.5 MPa时,液滴场较均匀,有利于除尘。
(2)除尘效率最高时最优参数组合为:气流速度0.92 m/s、喷雾角度-8.4°、喷雾压力1.44 MPa,此时,平均除尘效率可达96.27%,能够有效抑制烘干机排出的粉尘。
(3)经过多效除尘器处理后,粮食烘干废气平均粉尘质量浓度为5.54 mg/m3,优于脉冲除尘器的7.05 mg/m3,显著低于国家规定湿式除尘器排气口粉尘排放最高允许浓度(150 mg/m3),证明粮食烘干废气经过多效除尘器处理后,可以实现达标排放。
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