采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，通過數(shù)值模擬的方法對下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器的內(nèi)部流場進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)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(jìn)氣通道內(nèi)添加導(dǎo)流板的改進(jìn)措施．結(jié)果表明:在四種不同的工況下，改進(jìn)后的袋室除塵器內(nèi)部氣流分布更均勻，進(jìn)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(yùn)行的穩(wěn)定性，為袋式除塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞:下進(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行了許多研究。FraunhoferITWM［20］提出計(jì)算流體力學(xué)模擬過濾過程的算法。
Croom［20］提出了一些對進(jìn)氣口和導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化的改進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)，在除塵器進(jìn)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(jìn)氣煙箱放置氣流分布板前后氣固多相流的分布情況進(jìn)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(jìn)行定性研究，掌握流場分布規(guī)律，比較各種模型的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣口、排氣口等幾個(gè)部分。
模型基本參數(shù)為上箱體的長1600mm、寬2200mm、高6000mm，進(jìn)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(gè)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(jì)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(yuǎn)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(yuǎn)離進(jìn)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(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程模型控制方程為:
連續(xù)性方程
1．3數(shù)值計(jì)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(jì)算方便，做如下假設(shè):
(1)將進(jìn)入袋室內(nèi)細(xì)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(shí)，只考慮袋室入口至袋式除塵器的花板處為止，不計(jì)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(jìn)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(gè)模型的一半作為計(jì)算區(qū)域。
由以上假設(shè)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)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(xiàng)，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(jìn)風(fēng)式袋式除塵器，灰斗沒有任何的氣流均布裝置，進(jìn)氣口面積較小，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(fù)荷，而且以較大的速度沖刷濾袋，同時(shí)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(jìn)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(jìn)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(jì)值，而且氣流的含塵體積濃度也很高，對濾袋造成嚴(yán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)模型及模擬結(jié)果
3．1除塵器改進(jìn)方法
針對現(xiàn)有的袋室進(jìn)氣口區(qū)域氣流不均導(dǎo)致濾袋易破損的缺點(diǎn)，對袋式除塵器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jìn)氣口的氣流，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(7)可得導(dǎo)流板板高:
式中:Hi為第i個(gè)導(dǎo)流板的高度，m;i=1，…，6;H為進(jìn)氣口的高度;n為濾袋的列數(shù)。
3．2改進(jìn)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(shí)除塵器不同截面的速度分布結(jié)果．由圖5可以看出，在進(jìn)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(jìn)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(jìn)后下進(jìn)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(jìn)后下進(jìn)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(jìn)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(jì)算這些截面改進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入上箱體。
分流后氣流速度相對較小，氣流在進(jìn)入除塵器后不會對濾袋帶來嚴(yán)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(yùn)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(jì)值，沒有對濾袋帶來沖刷，整個(gè)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(jìn)入袋室，從而加重了濾袋負(fù)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)提供了依據(jù)。
參考文獻(xiàn)略
《東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)》作者：李少華，宋陽，王鐵營，王艷鵬
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