袋式除塵器流場動(dòng)態(tài)測試及優(yōu)化

付海明，趙友軍

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海，201620)

袋式除塵器是治理大氣污染的高效除塵設(shè)備, 對減少氣溶膠對大氣的污染起重要作用，在化工、冶金、礦山、機(jī)械、水泥、糧食、制藥、輕工等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，它主要用來捕集細(xì)小、干燥的非纖維性粉塵，袋式除塵器的粉塵排放濃度可達(dá)到 10 mg/m3以下。降低氣流流通阻力及延長濾袋的使用壽命，減少振動(dòng)和噪音，是袋式除塵器需要解決的問題。袋式除塵器破損濾袋大部分集中在除塵器下游，這與箱體內(nèi)部氣流狀況密切相關(guān)。合理調(diào)整氣流分布可以降低運(yùn)行阻力，延長濾袋的使用壽命，減少振動(dòng)和噪音。許多學(xué)者對袋式除塵器氣流分布進(jìn)行了模擬研究[1-4]，其中：桑亮等[1]在除塵器內(nèi)部沒有掛裝濾袋況下，對布袋除塵器內(nèi)部未布置導(dǎo)流板和加有導(dǎo)流板的內(nèi)部流場分布進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)安裝導(dǎo)流板的氣流均布性與沒有氣流均布裝置時(shí)相比有很大提高，但其忽略了內(nèi)部濾袋的影響，試驗(yàn)測試結(jié)果不能完全反映袋式除塵器內(nèi)部流場的實(shí)際分布。在此，本文作者對袋式除塵器內(nèi)部流場的分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，確定必要的邊界條件，建立CFD模擬研究模型，以利用數(shù)值模擬替代部分實(shí)驗(yàn)[5-6]對袋式除塵器內(nèi)部氣流組織分布進(jìn)行模擬計(jì)算，分析流場特性，以節(jié)省人力和物力，優(yōu)化設(shè)計(jì)袋式除塵器。

1 模型建立及數(shù)值計(jì)算方法

1.1 模型的建立

對除塵器整體進(jìn)行模擬。由于袋式除塵器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了利于模型建立和方便計(jì)算，進(jìn)行以下假設(shè)和簡化：

(1)本文試驗(yàn)測試研究是在常溫下于室內(nèi)進(jìn)行，顆粒和氣體的混合物看作是一種均勻介質(zhì)，它們之間沒有相對滑移；在進(jìn)行模擬時(shí)，可以把這種稀相氣固兩相流近似簡化成具有平均流體特性的單相流[7-8]。

(2)只考慮除塵器入口至袋式除塵器的花板處為止，也不計(jì)出口凈氣箱、文丘里(對于脈沖方式的袋式除塵器)等部件的影響。

(3)除塵器入口的氣流速度分布實(shí)際上并不均勻[9-11]，在模擬時(shí)，假設(shè)入口處氣流速度分布均勻。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

通過分析各湍流模型的優(yōu)缺點(diǎn)，確定采用 RNGk-ε模型進(jìn)行模擬分析(其中：RNG即Renormalization group；k為湍動(dòng)能；ε為耗散率)。模擬計(jì)算時(shí)，選擇速度入口邊界條件。應(yīng)注意的是：只有垂直于控制體表面的流動(dòng)分量才對流入質(zhì)量流速有貢獻(xiàn)。出口邊界條件如下：選取壓力出口邊界條件，壁面為靜止壁面，固體壁面邊界無滑移，在壁面處具有零梯度，在壁面上采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

在設(shè)置多孔介質(zhì)邊界條件時(shí)，不可簡單地將其設(shè)成跳躍邊界條件。雖然將多孔介質(zhì)簡化成一維模型時(shí)有利于收斂，但與實(shí)際的流場相差較大，宜設(shè)置為多孔介質(zhì)邊界條件。本文模擬采用國產(chǎn)729濾料，其孔隙率為0.4，壓力邊界條件參數(shù)由試驗(yàn)測試確定，通過實(shí)驗(yàn)得出多孔介質(zhì)壓力與過濾速度的關(guān)系為：

式中：Δp為過濾介質(zhì)壓力損失(Pa)；v為過濾速度(m/s)。

2 評價(jià)流場分布的基本參數(shù)

2.1 不均勻度

袋式除塵器內(nèi)部斷面各點(diǎn)的氣流速度不可能完全相同，本文采用美國 RMS標(biāo)準(zhǔn)的判定方法，即相對均方根法。相對均方差公式為[7]：

式中：vi為測點(diǎn)上的流度(m/s)；為斷面平均流速(m/s)；n為斷面上的測點(diǎn)數(shù)。

RMS標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是對速度場的不均勻度反映比較靈敏，其均方根越大，不均勻度便越高。過濾速度v為1.30 m/min以及0.80 m/min時(shí)的氣流不均勻度見圖1。

圖1 氣流不均勻度對比圖Fig.1 Contrast of uneven flow

由圖1可知：由于進(jìn)風(fēng)口開口面積較小，氣體進(jìn)入除塵器下箱體后形成明顯的射流作用，因此，氣流分布很不均勻，在中箱體的下部其氣流間隙速度過大，超過了設(shè)計(jì)值，特別是后壁面的速度過大，造成局部的過濾速度太大，以至于損壞濾袋，并且降低其過濾效率。

2.2 流量分配系數(shù)

濾袋的流量分配系數(shù)表示每個(gè)濾袋實(shí)際處理氣體流量與平均處理氣體流量的比值，記作Kqi，即

式中：Qi為單個(gè)濾袋的實(shí)際處理氣體量(m3/s)；Qmean為單個(gè)濾袋的平均處理氣體流量(m3/s)。

2.3 最大流量不均幅值

最大流量不均幅值是指最大流量分配系數(shù)和最小流量分配系數(shù)的差值，計(jì)作ΔKqi。

或

式中：Kqimax為單個(gè)濾袋的最大流量分配系數(shù)；Kqimin為單個(gè)濾袋最小流量分配系數(shù)；Q+為單個(gè)濾袋處理氣體量的最大正偏差；Q-為單個(gè)濾袋處理氣體量的最大負(fù)偏差。

當(dāng)氣體流量分配不均勻時(shí)，Kqi在1.0附近波動(dòng)，且ΔKqi≠0，其值越大，表明氣流均勻性越差，反之，說明比較均勻。當(dāng)氣體流量分配絕對均勻時(shí)，Kqi=1.0，ΔKqi=0。由于絕對均勻是理想狀況，所以規(guī)定：只要?dú)饬鞣峙溥_(dá)到一定程度時(shí)便可以認(rèn)為氣體流量分配均勻。一般地，當(dāng)處理風(fēng)量的相對偏差不大于15%時(shí)，便可以認(rèn)為氣體流量分配基本均勻。

2.4 綜合流量不均幅值

綜合流量不均幅值是指所有濾袋的流量分配系數(shù)與理想狀態(tài)下的絕對均勻系數(shù)1.0之差的絕對值的平均值。這個(gè)參數(shù)綜合考慮了各個(gè)濾袋的流量偏差，評價(jià)比較全面，計(jì)作即

式中：N為模型中濾袋的總個(gè)數(shù)。

3 流場分布的計(jì)算機(jī)模擬

實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)平面及模擬研究模型如圖2所示。模型的進(jìn)風(fēng)口在中箱體下部靠近濾袋底部位置，中箱體高度為1.2 m，截面面積(長×寬)為600 mm×600 mm，下箱體上部進(jìn)進(jìn)為正方形，下部出口為圓型，簡稱天方地圓型，高為200 mm，入口直徑為120 mm，濾袋長度L=1 m，濾袋直徑為 100 mm，濾袋長×寬為140 mm×140 mm，共16個(gè)濾袋。此模型設(shè)入口速度為6.09 m/s，過濾速度為0.80 m/min。

Z=250 mm及Y=230 mm截面速度模擬矢量圖如圖3和圖4所示。由圖3可知：氣流在與后壁面碰撞后，氣流沿著壁面形成回流，而回流是造成側(cè)壁面速度過大的主要原因。由于袋式除塵器的中箱體前壁面與濾袋之間存在較大空間，而氣流總是向著阻力小的位置流動(dòng)，因此，前壁面氣流有爬升現(xiàn)象。圖4有效地再現(xiàn)了這種現(xiàn)象。同時(shí)，從圖4中的放大圖可以看到氣流進(jìn)入濾袋的方向，由于存在濾袋，氣流通過濾袋時(shí)的過濾速度明顯比濾袋中心速度以及氣流間隙速度小很多。從圖3可以看出：在靠近除塵器氣流進(jìn)口的位置其氣流比較紊亂，氣流分布很不均勻，氣流間歇速度過大，同時(shí)，濾袋表面過濾速度也超過設(shè)計(jì)值，這樣對底部濾袋造成很大的沖刷作用。此外，由于在除塵器中被過濾的顆粒物向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)顆粒物下降到氣流射流處時(shí)，又會(huì)被射流重新帶回到中箱體，加大了濾袋的負(fù)荷，從而損壞濾袋，縮短其使用壽命。

不同濾袋中心軸向氣流速度模擬結(jié)果如圖 5所示。由圖5可知：氣流速度呈波形變化；當(dāng)與入口聽垂直距離大于0.85 m時(shí)，軸向氣流速度基本上隨著離入口距離的增大而增大。由于濾袋出口面積相同，因此，出口速度差別不大，在離中箱體上壁大約300 mm時(shí)，8個(gè)濾袋的中心軸向氣流速度變化基本一致。

氣流分布情況見表1。可見：1號、2號和5號濾袋的出口流量偏大，而4號和8號濾袋的出口流量偏??；氣流分布系數(shù)Kqi的最大和最小值分別出現(xiàn)在 1號濾袋和 8號濾袋上；最大流量不均幅值ΔKqi達(dá)到0.226，綜合流量不均幅值為0.073，流量分配不均勻；氣流分布不均勻，在濾袋底端，不僅氣流間歇速度過大，超過了設(shè)計(jì)值，而且當(dāng)氣流的含塵濃度也很高時(shí)，對濾袋會(huì)造成嚴(yán)重沖刷作用，這樣必然會(huì)降低濾袋的使用壽命。

圖2 實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)平面及模擬研究模型圖Fig.2 Diagram of experiment measuring plot and simulation model

圖3 Z=250 mm的截面速度矢量圖Fig.3 Diagrams of velocity vector at Z=250 mm

圖4 Y=230 mm的截面速度矢量圖Fig.4 Diagrams of velocity vector at Y=230 mm

圖5 不同濾袋中心軸向氣流速度Fig.5 Flow velocity of central axis in deferential filter bag

4 試驗(yàn)測試值與模擬值對比

選取具有代表性的截面4，6，8和10這4個(gè)截面共128點(diǎn)的測定速度和模擬速度進(jìn)行對比分析，部分測點(diǎn)試驗(yàn)測定速度和模擬速度對比結(jié)果如圖6所示。圖中袋式除塵器入口過濾速度均為0.80 m/min；實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)氣流速度呈布袋四角分布，模擬速度計(jì)算值呈布袋圓周圍氣流分布。由圖6可知：實(shí)驗(yàn)測試速度與模擬速度基本相同。

試驗(yàn)測試和模擬的相對誤差小于 17.5%。誤差主要由測試儀器的精度及以下幾個(gè)方面引起：

(1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓に囉绊?。在建立試?yàn)臺時(shí)，由于實(shí)際操作情況限制，不可能建立理論上的完美模型，如除塵器外殼的不平整性、濾袋安裝位置的偏差等均會(huì)產(chǎn)生誤差。

(2)測試工況的影響。本試驗(yàn)是在忽略一系列因素下進(jìn)行的，如：忽略了室內(nèi)溫度變化的影響，氣體密度變化的影響，風(fēng)機(jī)特性、設(shè)備漏風(fēng)以及安全質(zhì)量的影響等。這些因素將導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定誤差。

(3)測試時(shí)的誤差影響。在實(shí)際測試時(shí)，由于除塵器壁面上打有320個(gè)測孔，測孔的存在對除塵器的流場有一定的影響，進(jìn)而影響速度測試值的準(zhǔn)確性；測點(diǎn)位置與模擬計(jì)算點(diǎn)位置存在一定偏差。另外，在實(shí)際測試時(shí)，探針的稍微晃動(dòng)會(huì)使速度測試值產(chǎn)生跳躍。

(4)模型簡化的影響。在建立模型時(shí)，只考慮袋室入口至袋式除塵器的花板處為止，不計(jì)出口凈氣箱等部件的影響。

(5)邊界條件設(shè)定的影響。在邊界條件的設(shè)定中，對流場模擬影響最大的是濾袋的邊界條件設(shè)定。本文將濾袋設(shè)定為多孔介質(zhì)，并認(rèn)為是各向同性材料[12-13]。因此，模擬的流場與實(shí)際工況流場存在一定差距。

綜上所述，氣流速度試驗(yàn)測試值和模擬值存在相對誤差，但小于17.5%，因此，采用CFD進(jìn)行袋式除塵器流場的模擬對實(shí)際工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。由流場測試結(jié)果與模擬結(jié)果可知：流場的不均勻性主要是入口風(fēng)速過高和袋室結(jié)構(gòu)不合理所致。由于入口的高速射流效應(yīng)，使得氣流分配不均勻現(xiàn)象嚴(yán)重，其部分間隙速度大于設(shè)計(jì)參考限值，而且濾袋底部氣流速度過大，容易使濾袋提前破損。

表1 流量分配系數(shù)KqiTable 1 Parameters of flow volumes Kqi

圖6 試驗(yàn)測點(diǎn)與模擬對比圖Fig.6 Contrast diagram of experimental result and simulation result

5 袋式除塵器流場模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對不同的進(jìn)風(fēng)方式、袋室結(jié)構(gòu)建立2種不同的模型；通過對這些模型進(jìn)行模擬與分析，了解不同的進(jìn)風(fēng)方式對袋式除塵器內(nèi)部氣流組織的影響規(guī)律，比較2種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，以便優(yōu)化袋式除塵器結(jié)構(gòu)，為實(shí)際應(yīng)用提供更合理的袋式除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

5.1 下箱體安有鈍體的進(jìn)風(fēng)模型

下進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器不需要上進(jìn)風(fēng)式結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的均流板，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是，其氣流分布不均勻[6-14]，特別是由于受設(shè)備安裝空間限制或者沒有充分考慮流動(dòng)均勻性要求而設(shè)計(jì)出的某些結(jié)構(gòu)中，流動(dòng)不均勻問題可能十分嚴(yán)重，使分離效率降低，運(yùn)行阻力增加，甚至加速濾袋破壞，形成氣流短路。Croom 等[7-15]提出了一些改進(jìn)措施，有一定的借鑒意義。

本文提出2項(xiàng)改進(jìn)措施：擴(kuò)大進(jìn)風(fēng)管面積；在袋室下箱體中布置鈍體。前者是為了降低入射氣流速度，后者在于使氣流形成均勻的縱掠濾袋流動(dòng)。經(jīng)過多次數(shù)值模擬，確定如圖7所示的袋室結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，其流場分布均勻性分析結(jié)果如表2所示。由表2可知：靠近壁面的1，4，5和8號濾袋出口流量分配系數(shù)偏大，而中間濾袋的出口流量分配系數(shù)偏?。蛔畲罅髁坎痪郸qi為 0.029，綜合流量不均幅值為0.014，流量分配基本均勻。流場分布均勻是由于入口面積擴(kuò)大以及存在鈍體，入口氣流速度降低，氣流在進(jìn)入除塵器下箱體后已沒有明顯的射流存在，除塵器中氣流分布基本均勻，間歇速度小于設(shè)計(jì)值，不會(huì)對濾袋起沖刷作用。

5.2 裝有氣流均布板的單入口側(cè)進(jìn)風(fēng)模型

為了使氣流分布更加均勻化，也可采用側(cè)進(jìn)風(fēng)入口，并加有氣流均布板的流場改進(jìn)方案，改進(jìn)模型如圖8所示，氣流均布板具體設(shè)計(jì)參數(shù)如圖9所示。當(dāng)含塵氣體從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入中箱體后先碰上進(jìn)風(fēng)口氣流均布板，由于慣性作用，使氣體粗顆粒粉塵直接進(jìn)入灰斗，起到預(yù)收塵作用；此外，在氣流均布板的截流作用下氣體被分散流動(dòng)，從每個(gè)濾袋外側(cè)進(jìn)入濾袋內(nèi)，在濾袋的篩分、攔截、沖擊、擴(kuò)散和靜電吸引等作用下，粉塵貼附于濾布縫隙間，因而使粉塵從煙氣中分離出來，清潔的氣體經(jīng)抽風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)管排入大氣。裝有氣流均布板的單入口側(cè)進(jìn)風(fēng)的流場分布均勻性分析結(jié)果如表3所示。由表3可知：除7號和8號濾袋出口流量分配系數(shù)稍小外，其余流量分配系數(shù)基本相等，最大流量不均幅值ΔKqi為 0.083，綜合流量不均幅值為 0.019，流量分配均勻。其原因是含塵氣體從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入中箱體后先碰上進(jìn)風(fēng)口氣流均布板，由于慣性作用，使氣體粗顆粒粉塵直接進(jìn)入灰斗，起到預(yù)收塵作用；此外，在氣流均布板的截流作用下氣體被分散流動(dòng)，其速度進(jìn)一步降低。因此，建議在側(cè)進(jìn)風(fēng)的除塵器入口處加裝氣流均布板裝置，使氣流在進(jìn)入除塵器后速度得到控制，不至于出現(xiàn)速度過大的現(xiàn)象。

圖7 加有鈍體的袋式除塵器半圖及袋室結(jié)構(gòu)剖視圖(單位：mm)Fig.7 Diagram of structure of bag filter with bluntness body

表2 改進(jìn)模型1流場的流量分配系數(shù)KqiTable 2 Flow distribute parameter Kqi of improvement model 1

表3 改進(jìn)模型2流場的流量分配系數(shù)KqiTable 3 Flow distribute parameter of Kqi improvement model 2

圖8 加有氣流均布板的單入口袋式除塵器Fig.8 Single entrance bag filter with even current board

圖9 氣流均布板簡圖Fig.9 Even current board

6 結(jié)論

(1)除塵器內(nèi)部流場氣流分布很不均勻。在濾袋底端，氣流速度超過了設(shè)計(jì)值，對濾袋造成嚴(yán)重沖刷，降低濾袋的使用壽命。

(2)對袋式除塵器流場進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，將流場速度分布模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)構(gòu)對比，試驗(yàn)測試值與模擬值相對誤差小于17.5%。

(3)流場的不均勻性主要是入口風(fēng)速過高和袋室結(jié)構(gòu)不合理所致。本文提出的擴(kuò)大進(jìn)風(fēng)管面積和在袋室下箱體中布置鈍體這2種流場改進(jìn)方案，使綜合流量不均勻幅值由原來的0.073降低到0.019，最小降低幅度為74%。用這2種方案均可以使袋式除塵器中氣流分布基本均勻，氣流流通阻力降低。

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