采用計算流體力學(xué)軟件Fluent，通過數(shù)值模擬的方法對下進風(fēng)袋式除塵器的內(nèi)部流場進行了研究，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計方案存在氣流分布不均勻、設(shè)備阻力過大等問題，提出了在進氣通道內(nèi)添加導(dǎo)流板的改進措施．結(jié)果表明:在四種不同的工況下，改進后的袋室除塵器內(nèi)部氣流分布更均勻，進出口壓力差減小，除塵器各部分均能起到良好的除塵作用，從而有效地減少了濾袋的磨損，提高了除塵效率和運行的穩(wěn)定性，為袋式除塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞:下進風(fēng)袋式除塵器;內(nèi)部流場;數(shù)值模擬;導(dǎo)流板;過濾速度;除塵效率
在我國，電力行業(yè)是煤炭消耗的最大部門，也是工業(yè)粉塵的主要排放部門。隨著國家環(huán)保治理力度不斷加大［1］，對火電廠煙囪出口煙塵排放濃度要求日益提高，要求治理整改的期限也越發(fā)緊迫。作為電力行業(yè)應(yīng)用最廣泛的的除塵設(shè)備之一，對袋式除塵器進行優(yōu)化改造，提高袋式除塵的除塵效率，具有十分重要的現(xiàn)實意義。
袋式是袋式除塵器的執(zhí)行部分，袋室內(nèi)的氣流分布直接影響到除塵器的工作性能和使用壽命，氣流不均易造成袋室內(nèi)的布袋的破損，影響到袋室內(nèi)其他濾袋的除塵效率。袋式除塵設(shè)備內(nèi)部氣固兩相流動十分復(fù)雜，直接對袋式除塵器流場測試非常困難，因而一般選取CFD技術(shù)作為數(shù)值模擬的主要分析手段。
近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對這方面進行了許多研究。FraunhoferITWM［20］提出計算流體力學(xué)模擬過濾過程的算法。
Croom［20］提出了一些對進氣口和導(dǎo)流板進行優(yōu)化的改進措施，有一定的借鑒意義。德國INTENSIVFILTER公司［23，24］擁有自己專門的CFD部門利用CFX軟件對方案前期預(yù)估以及袋式除塵器結(jié)構(gòu)進行改進，在除塵器進口段通過加導(dǎo)流片改善內(nèi)部氣流組織，得到良好效果。
徐文亮等［11］分析了擋板除塵器流場狀況，主要分析了前擋板長度和除塵器入口速度兩因素對除塵性能的影響，提出了最佳擋板長度，并說明了降低入口速度對除塵器性能優(yōu)化是有利的。鄭輝等［13］用數(shù)值模擬軟件對除塵設(shè)備進氣煙箱放置氣流分布板前后氣固多相流的分布情況進行了數(shù)值模擬，提出了放置氣流分布板后的氣流分布情況明顯優(yōu)于未放置之前，氣流分布較為均勻。
國內(nèi)外一些袋式除塵企業(yè)已開始采用CFD技術(shù)，對除塵系統(tǒng)中流場進行定性研究，掌握流場分布規(guī)律，比較各種模型的優(yōu)點和不足，了解各種袋室結(jié)構(gòu)因素對氣流分配的影響。筆者通過采用Fluent軟件對改造前后袋室內(nèi)的氣流分布情況進行了對比分析，得到了改善氣流分布的方案。
1數(shù)值模擬平臺的建立
1．1幾何模型及網(wǎng)絡(luò)劃分
研究選取的是下進風(fēng)袋式除塵器，圖1幾何模型分為上箱體、中箱體、下箱體(灰倉)、進氣口、排氣口等幾個部分。
模型基本參數(shù)為上箱體的長1600mm、寬2200mm、高6000mm，進風(fēng)管位于上箱體底面位置，灰倉是高1200mm的倒四棱錐，灰斗側(cè)面與水平面呈60°，濾袋直徑130mm、長6000mm，濾袋為10排7列，間距是200mm×200mm，共70個濾袋，除塵器總過濾面積1807m2。
由于該除塵器是軸對稱圖形，因此在Fluent中可采用對稱邊界條件，建模只取其中一半作計算區(qū)域。模型的網(wǎng)格劃分采用:上箱體的上表面和濾袋出口面的面網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，濾袋及上箱體的體網(wǎng)格采用三角棱柱形網(wǎng)格，中箱體的體網(wǎng)格采用三棱柱形網(wǎng)格，除塵器的入口采用正六面體網(wǎng)格，下箱體的體網(wǎng)格采用四棱柱臺形網(wǎng)格，見圖2。
圖2除塵器的幾何模型及網(wǎng)格劃分
按順序?qū)V袋編號，靠近對稱面的濾袋編為第1排，遠離對稱面的濾袋編為第5排，中間2排濾袋依次為第2排、第3排和第4排，每排濾袋在遠離進風(fēng)口側(cè)的編為第1列，依次往后，共分7列，見圖3。
1．2數(shù)學(xué)模型
假定袋室內(nèi)部流體是等溫不可壓縮、作定長流動，模擬計算選用標準k－ε雙方程模型控制方程為:
連續(xù)性方程
1．3數(shù)值計算方法和邊界條件
由于袋式除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為利于建立模型及計算方便，做如下假設(shè):
(1)將進入袋室內(nèi)細小顆粒和氣體的混合物看作是一種均勻介質(zhì)。
(2)分別在一定的粉塵厚度的情況下，對內(nèi)部氣流的分配作近似的模擬分析。
(3)建立模型時，只考慮袋室入口至袋式除塵器的花板處為止，不計其他部件的影響。
(4)由于袋式除塵器中濾袋數(shù)量龐大，因此，只取袋式除塵器中有限數(shù)量的濾袋進行模擬。
(5)由于模型的幾何結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此在模擬中可以取整個模型的一半作為計算區(qū)域。
由以上假設(shè)，本文采用標準的k－εepsilon;方程湍流模型、穩(wěn)態(tài)3D分離隱式解算器，壓力－速度耦合采用SIMPLE算法，對流項選取二階迎風(fēng)離散格式，在近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法。濾袋采用多孔跳躍模型，在連續(xù)相的動量方程中加入附加的黏性損失項，流體穿過介質(zhì)的壓力降滿足Darcy公式:
2數(shù)值模擬結(jié)果及分析
本模型是下進風(fēng)式袋式除塵器，灰斗沒有任何的氣流均布裝置，進氣口面積較小，進氣速度較高。
圖4為入口風(fēng)速7．11m/s，過濾速度1m/min工況的下進風(fēng)式袋式除塵器流場速度云圖。由圖4中(a)—(e)中可以看到:在氣流進入除塵器灰倉后，一小部分氣流沿著除塵器上箱體前端墻體高速上升，造成這部分空間間歇速度過大，對靠近墻體濾袋的下部帶來沖刷。
又由于在除塵器中被過濾下來的顆粒物向下運動，當(dāng)顆粒物下降到氣流射流處，又會被射流重新帶回到上箱體，這樣不僅加重了濾袋的負荷，而且以較大的速度沖刷濾袋，同時也使在靠近墻體的濾袋的氣流量較大，靠近對稱面的濾袋的氣流量較小。
圖4下進風(fēng)式袋式除塵器Y軸方向不同截面的速度云圖
圖5下進風(fēng)式袋式除塵器Z軸方向不同截面的速度云圖
從5圖中可以看出在布袋的底部附近(Z=0mm面)氣流極不均勻，靠近墻體濾袋附近的氣流流量比較大，不僅氣流間歇速度過大，超過了設(shè)計值，而且氣流的含塵體積濃度也很高，對濾袋造成嚴重沖刷，這樣必然會降低濾袋的使用壽命。
由圖5分析可以看出:入口處氣流流速比較大，氣流間歇速度過大，含塵體積濃度也很高，靠近墻體濾袋附近的氣流流量比較大，一部分煙氣進入袋室沿濾袋高度上升，煙氣在遇到濾袋的阻擋后，一部分煙氣沿濾袋間隙上升，一部分直接進入濾袋過濾。濾袋出口端速度較大且氣流極不均勻，對濾袋造成沖刷，使濾袋內(nèi)部所受壓力不均，極易導(dǎo)致濾袋破碎。
3除塵器改進模型及模擬結(jié)果
3．1除塵器改進方法
針對現(xiàn)有的袋室進氣口區(qū)域氣流不均導(dǎo)致濾袋易破損的缺點，對袋式除塵器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，在除塵器的入口處安裝了幾塊逐漸下降的導(dǎo)流板，以改變氣體流動方向，得到幾乎均勻的上升氣流。
導(dǎo)流板排列形式不同，除塵器內(nèi)氣流分布也不同。根據(jù)除塵器濾袋的列數(shù)(n)，如圖6所示，在除塵器的入口處安裝了7塊導(dǎo)流板。
為平分進氣口的氣流，根據(jù)經(jīng)驗公式(7)可得導(dǎo)流板板高:
式中:Hi為第i個導(dǎo)流板的高度，m;i=1，…，6;H為進氣口的高度;n為濾袋的列數(shù)。
3．2改進后模型的流場分布
圖7、圖8為添加導(dǎo)流板后過濾速度為1m/min時除塵器不同截面的速度分布結(jié)果．由圖5可以看出，在進風(fēng)口截面添加導(dǎo)流板后，除塵器袋室內(nèi)的回流區(qū)域進一步縮小，流場也更趨于均勻，尤其是袋室前后兩部氣流分布有了明顯的改善．
圖7改進后下進風(fēng)式袋式除塵器Y軸方向不同截面的速度云圖
圖8改進后下進風(fēng)式袋式除塵器Z軸方向不同截面的速度云圖
為了能更加直觀地顯示袋式除塵器改進后流場的改善程度，在袋室內(nèi)不同位置取面積相等的截面，分別計算這些截面改進前后的平均速度，結(jié)果示于圖9。
圖9為除塵器內(nèi)部氣流各濾袋不同工況條件下的改進模型前后氣流平均速度分布對比，從圖中可以看出:總體上，隨著過濾速度的提高，除塵器內(nèi)部各濾袋平均氣流速度的不均勻程度呈增大的趨勢。
圖(a)－(d)．為過濾速度為0．5m/min，1m/min，1．5m/min和2m/min4種工況的除塵器內(nèi)部氣流分布平均速度改進前后對比，由圖(a)(d)可知，在除塵器入口附近加導(dǎo)流板后，高速氣流進入袋式除塵器后，氣流受導(dǎo)流板的影響，氣流的主流方向下移，在導(dǎo)流板的作用下分7股氣流均勻地進入上箱體。
分流后氣流速度相對較小，氣流在進入除塵器后不會對濾袋帶來嚴重沖刷，并且除塵器內(nèi)氣流分布也比較均勻。由于氣流被分流，氣流對后墻體的沖擊變小，氣流一直貼著除塵器下箱體的后墻體運動，回流速度也比原型的速度小，使得除塵器下箱體內(nèi)氣流分布均勻。在除塵器的不同截面，除塵器上箱體中氣流間歇速度都小于設(shè)計值，沒有對濾袋帶來沖刷，整個除塵器內(nèi)氣流分布均勻。
4結(jié)論
(1)在原型中，氣流高速沖刷灰斗墻體，一部分氣流在灰斗內(nèi)流動形成回流，使沉積的粉塵再次卷入氣流進入袋室，從而加重了濾袋負荷;另一部分氣流沿除塵器后墻體高速上升，沖刷濾袋，造成袋室后端的濾袋容易破損;
(2)在進口處添加導(dǎo)流板，可以對除塵器入口處的射流分流，使袋室內(nèi)氣流分布更均勻，有效減少對部分濾袋的集中沖擊，從而提高了濾袋的使用壽命及除塵效率;
(3)采用計算機模擬方法能夠很好地反映出除塵器內(nèi)部氣流的流動狀況，為袋式除塵器氣流分布、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。
參考文獻略
《東北電力大學(xué)學(xué)報》作者：李少華，宋陽，王鐵營，王艷鵬
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