利用CFD-DEM方法对高温刚性过滤元件中多分散尘埃沉积和传输的机理进行深入研究

《Separation and Purification Technology》：Mechanistic insights into polydisperse dust deposition and transport in high-temperature rigid filter elements using CFD-DEM

　　李斌|袁环|程学丽|朱慧丽|季中丽

摘要：高温刚性过滤器在恶劣的高温和高压条件下（如整体煤气化联合循环发电（IGCC）和高温气冷核反应堆（HTGR）中得到了迅速应用，这得益于它们的高过滤精度、优异的耐热冲击性和卓越的热稳定性。然而，由于灰尘颗粒的粘附以及过滤器管材微观结构的影响，在清洁过程中无法完全去除灰尘结块，导致残余压降持续增加，过滤器使用寿命缩短。本研究采用了一种结合颗粒模型来生成具有两种代表性微观结构的刚性过滤器管材：膜涂层过滤器（MCF）和非膜涂层过滤器（NMF）。引入了Johnson–Kendall–Roberts（JKR）模型来计算颗粒间和颗粒与壁面的粘附力。在此基础上，进行了数值模拟以研究灰尘颗粒在刚性过滤器内的沉积、迁移和脱落行为。结果表明，膜层表现出更强的拦截效果，显著降低了多分散颗粒的沉积深度，从而提高了过滤器管的过滤效率。此外，细颗粒具有更高的穿透性，导致沉积深度增加，清除难度增大，降低了过滤器的清洁效率，并减弱了膜层对灰尘结块脱落的影响。这项工作为高温刚性过滤器表面膜层的微观结构设计和制造提供了理论基础和指导。

引言：全球能源危机和环境挑战日益严峻。为了实现中国到2030年碳排放达峰和2060年实现碳中和的双重碳目标，清洁高效地利用煤炭已成为国家能源战略的核心组成部分。在现有技术中，整体煤气化联合循环（IGCC）发电因其高效率和低污染物排放而受到广泛关注[1]、[2]、[3]。然而，在IGCC燃气轮机运行过程中，轮叶片会暴露在含有颗粒的合成气中，灰尘颗粒可能导致冲击侵蚀和磨料磨损，从而降低空气动力性能。因此，对合成气中的灰尘浓度和颗粒尺寸分布有严格限制。在高温合成气净化系统中，刚性陶瓷过滤器作为一种极具前景的过滤技术脱颖而出，因为它们具有优异的热稳定性、高细颗粒去除效率和有效保护下游设备的作用[4]、[5]、[6]。

高温刚性过滤元件主要通过表面过滤工作。小于膜孔径的灰尘颗粒会穿透过滤介质并穿过，而较大的颗粒则被拦截并留在表面，形成灰尘结块。随着过滤的进行，灰尘的不断积累会增加灰尘层的厚度，从而导致过滤压降逐渐上升。为了恢复过滤性能，需要定期通过清除灰尘结块来再生过滤元件。脉冲喷射清洗是目前最有效且应用最广泛的再生方法之一。然而，脉冲喷射清洗并不能在每次循环后完全去除灰尘层，导致过滤压降随时间逐渐增加。残余压降受脉冲强度、过滤元件结构和灰尘结块特性等因素的影响，是评估清洗效果的关键指标，在确保刚性过滤器长期稳定运行中起着关键作用[7]、[8]。过滤元件的结构与其过滤压降和过滤效率密切相关。孔径、孔径分布、孔隙率、膜层厚度和孔隙连通性等结构参数直接影响气体流动阻力及颗粒在过滤介质内的捕获行为。一般来说，更细密的结构有利于拦截颗粒并提高过滤效率，但通常会导致更高的压降。相反，更开放的多孔结构可以降低流动阻力，尽管可能会增加颗粒的穿透深度并降低细颗粒的捕获效率。因此，明确过滤微观结构与灰尘沉积/传输行为之间的关系对于优化高温刚性过滤元件的综合过滤性能具有重要意义[9]、[10]、[11]。

在高温运行条件下，尤其是金属制成的刚性过滤元件容易发生热膨胀。这种现象会恶化运行条件，可能导致压降增加和过滤精度降低，从而无法满足工艺要求。此外，脉冲喷射清洗效率不足或不均匀会促进残余灰尘层的积累，导致残余压降升高和过滤元件使用寿命缩短。在严重情况下，可能会发生灰尘结块桥接，可能对过滤元件造成机械损坏。这些问题限制了高温刚性过滤系统的大规模应用。为了解决这些挑战，已经进行了大量的研究工作。Kanaoka等人[12]使用高速成像技术研究了脉冲喷射清洗过程中的灰尘结块脱落行为，证明了过滤材料和运行条件显著影响灰尘结块的结构，包括其孔隙率、厚度和均匀性以及脱落特性。为了观察灰尘层的微观结构，Ji等人[13]提出了一种灰尘结块预固化及树脂嵌入技术，将灰尘层固定在过滤表面上。随后的扫描电子显微镜（SEM）分析揭示了灰尘层的微观结构特征，表明过滤元件的表面微观结构强烈影响沉积灰尘层的结构参数。尽管实验技术在稳态条件下表征灰尘层结构方面有效，但基于离散元方法（DEM）的数值模拟在解析颗粒沉积和脱落的动态过程方面具有明显优势。Smid等人[5]开发了一个简化的理论模型来分析灰尘结块脱落形态，并报告说较高的反向喷射压力倾向于产生不均匀的“斑块状”清洗模式。Tong等人[14]结合了离散元模型（BPM）和毛细力模型（CFM）来考虑颗粒间的凝聚力，与实验观察结果吻合良好。He等人[15]提出了一个基于CFD的框架来模拟二维非多孔元件上的灰尘沉积和随后的去除过程。Liu等人[16]、[17]进一步开发了一种宏观三维CFD方法来预测陶瓷过滤器在过滤过程中的压降演变和灰尘结块分布。通过引入定制的网格单元区域来模拟真实的灰尘结块生长，他们证明了入口流动配置显著影响灰尘沉积的面积密度和均匀性，涡流结构在颗粒沉积行为中起着重要作用。

在微观尺度上，已经采用了多种CFD–DEM耦合方法来模拟单个纤维或多根纤维周围的灰尘沉积[18]、[19]、[20]、[21]。然而，大多数现有研究集中在颗粒床过滤器或纤维级捕获机制上，而对刚性过滤元件上的宏观尺度灰尘沉积和脱落行为关注较少。随着第四代核反应堆氦系统中0.3微米石墨颗粒的超高过滤精度的需求增加，膜涂层刚性陶瓷过滤元件因其高分离效率和结构稳定性而受到越来越多的关注。然而，对于膜层微观结构如何影响多分散颗粒的沉积、迁移和脱落行为仍缺乏清晰的理解。为了填补这一空白，本研究采用了一种双向耦合的CFD–DEM框架来研究微观结构对高温刚性过滤元件中多分散灰尘沉积、传输和脱落行为的影响。使用结合颗粒模型重建了两种代表性的孔径级微观结构：膜涂层过滤器（MCF）和非膜涂层过滤器（NMF），并利用Johnson–Kendall–Roberts（JKR）模型描述了粘附作用。基于这些重建的微观结构，系统分析了多分散颗粒的沉积深度、迁移行为、停留特性和脉冲喷射去除性能。这项工作明确揭示了刚性过滤管的真实微观结构特征，并定量阐明了膜层在调节颗粒拦截、穿透和清洁行为中的作用。结果进一步揭示了膜层在提高细颗粒捕获效率与降低清洁效率之间的权衡，从而为高温刚性过滤器的微观结构设计提供了理论指导。

数值模型：耦合的计算流体动力学-离散元方法（CFD–DEM）是一种成熟的数值方法，用于研究气固两相流动，并已广泛应用于模拟颗粒系统，包括旋风分离器和颗粒床过滤器[20]、[21]、[22]。在此框架中，颗粒属性（如直径、位置和速度）通过用户定义函数（UDF）传递到流体域。基于求解的流场，可以使用Ergun方程（Eq.（11）[33]、[34]估算过滤压降。通过将数值模拟得到的压降与Ergun方程计算的结果进行比较，可以评估所提出模拟模型的有效性。

结论：本研究基于耦合的CFD–DEM模拟框架，使用具有对数正态分布的多分散灰尘颗粒（中位直径为10微米，几何标准差为1）进行了气固两相模拟。系统研究了表面膜层对高温刚性过滤管中多分散灰尘颗粒的沉积位置、停留时间和清洁效率的影响。结果表明：

作者声明：作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢：作者衷心感谢中国国家重点研发计划（2021YFB3801304）提供的财政支持。