燃油加熱爐布袋除塵器工藝設計及袋室氣流分布研究

周贊慶

(青島熱電集團有限公司，山東青島 266034)

燃油加熱爐布袋除塵器工藝設計及袋室氣流分布研究

周贊慶

(青島熱電集團有限公司，山東青島 266034)

針對燃油加熱爐的冒黑煙問題，開展煙氣除塵技術(shù)研究。在分析燃油煙氣特性的基礎上，進行加熱爐的袋式除塵器工藝設計。使用計算流體力學軟件對除塵器內(nèi)流場均勻性進行模擬分析，計算出袋室內(nèi)截面的壓力和氣流速度分布。結(jié)果顯示，除塵器內(nèi)的壓力和速度在不同部位顯示出明顯的非均勻性，袋室內(nèi)布袋的排列方式和灰斗的結(jié)構(gòu)是影響氣流均勻性的重要因素。提出改善袋室內(nèi)氣流分布均勻性的措施。

袋式除塵器;工藝設計;氣流均勻性;數(shù)值模擬

0 引言

燃油加熱爐在使用過程中，由于燃料油的含水或密度、粘度等物性變化以及運行過程中供油壓力波動、燃燒器故障等原因，時常發(fā)生燃料油不完全燃燒現(xiàn)象，煙氣中炭黑成分高，造成周邊環(huán)境污染。近幾十年來，諸如靜電除塵器、袋式除塵器、旋風除塵器、濕式除塵器等各種除塵技術(shù)的應用有效的減輕了工業(yè)煙氣對環(huán)境的污染。燃油加熱爐煙塵容重小、粘度大、塵粒分離處理要求高，很多除塵技術(shù)不能勝任。袋式除塵技術(shù)［1－2］是充分運用空氣動力學捕集機理(如攔截、擴散和慣性碰撞等)以及靜電效應來捕集粉塵微粒，因此具有很高的除塵效率。此類除塵器能適應較大范圍的風量變化，且運行阻力不大，應用廣泛，結(jié)合具有防油、防水、耐高溫、使用壽命長的特殊濾袋材料［3］，該技術(shù)非常適于燃油煙氣的除塵處理。

袋式除塵器內(nèi)的氣流均勻性是影響除塵器除塵效率和濾袋壽命的重要因素。氣流分布均勻程度取決于進出口方式、氣流分布器形式、布袋的排列組合方式等一系列因素。由于袋式除塵器氣流分布比較復雜，也不易進行試驗測試，因而對于袋式除塵器氣流均勻性的研究成果較少。在國內(nèi)，郭烈錦［4－5］、沈恒根［6］、李勇［7］等人使用計算流體力學軟件，持續(xù)開展了袋式除塵器中氣流均勻性的數(shù)值模擬研究，并進行了濾料阻力特性的測定，但燃油鍋爐、加熱爐等性質(zhì)特殊的煙氣除塵流場分布未見報道。本文針對燃油煙氣特性進行加熱爐的袋式除塵器工藝設計，并開展袋式除塵器內(nèi)氣流均勻性研究，計算出袋室內(nèi)截面的壓力和氣流速度分布，并對模擬結(jié)果進行了分析。

1 袋式除塵器工藝設計

1.1 煙氣量計算

首先根據(jù)燃料消耗量計算燃燒所需理論空氣量，燃燒1kg燃料油所需的空氣量:

上式中 Car、Har、Sar、Oar分別為碳、氫、硫、氧的收到基含量?？紤]減少不完全燃燒損失，引入過量空氣系數(shù)，實際送入爐內(nèi)的空氣量為:

1.2 過濾介質(zhì)選擇

燃油鍋爐煙氣中的微粒成分有:霧狀油滴、細微的絮狀物、可沉積及不可沉積的固態(tài)顆粒物，其總體含量一般不超過10g/m3(標準狀態(tài)值)。通常情況下進口煙氣溫度≤200℃，設定煙氣溫度浮動不大。根據(jù)煙氣的性質(zhì)選擇出過濾濾料材質(zhì)為:PTFE+覆膜。PTFE薄膜布滿微細的孔隙，薄膜濾料的過濾作用完全依賴于這層薄膜，對于粒徑0.1μm的粉塵，也能獲得99.9%以上的除塵效率。PTFE薄膜表面光滑，有憎水性，容易清灰。薄膜濾料的使用可以降低過濾能耗和清灰能耗，減少粉塵的排放量，延長濾料的使用壽命。

1.3 清灰方式

袋式除塵器在過濾含塵氣體期間，由于捕集的粉塵增多，氣流的通道逐漸延長和縮小，濾袋對氣流的便逐漸上升，處理風量也下降。所以當阻力上升到一定水平之后，需及時對濾袋進行清灰。

袋式除塵器常用清灰方式有三種:機械振動式、逆氣流清灰、脈沖噴吹清灰。機械振動清灰對布袋的損傷比較大，檢修等麻煩，且多數(shù)為停風清灰應用比較麻煩;燃油鍋爐煙氣粘性稍大，對于逆氣流清灰應用效果不理想。據(jù)各清灰方式的特點及燃油加熱爐的實際情況綜合比較來看選擇脈沖噴吹式清灰方式最適合。脈沖袋除塵器在遇到這樣一些情況，往往需要離線清灰:一是捕集的是較難清灰的粉塵;二是捕集的粉塵比較輕，清灰不容易落入灰斗(特別是在濾袋較長的情況下);三是對除塵效果要求很高，必須盡可能減少清灰時的粉塵外逸。對于粘度較大的燃油煙氣，為了能更好的達到清灰效果，所選擇的清灰方式為低壓脈沖行噴吹離線式清灰。

1.4 除塵器氣布比

氣布比vf即過濾速度，指含塵氣體通過濾料有效面積的表觀速度，以m/min計。袋式除塵器過濾風速的大小與袋式除塵器的使用壽命及投資都有很大的關系，過濾風速過高，所需要的濾布面積小，但其清灰頻率高，設備阻力大，不僅會造成濾袋及脈沖閥使用壽命縮短，而且能耗大。過濾風速過低，雖然壓力損失減少，效率較高，但需要的過濾面積也增加了，會使設備體積龐大，投資增高，為此應按不同的工況條件選擇最佳的過濾速度。

一般而言，處理較細或難于捕集的粉塵、含塵氣體溫度較高、含塵濃度大和煙氣含濕量或者黏性大時適宜取較低的過濾速度。綜合考慮和參考一些應用實例之后，確定過濾速度vf為0.9m/min。

2 袋式除塵器內(nèi)氣流均勻性研究

2.1 研究方法

本文使用Fluent軟件研究除塵器內(nèi)氣流均勻性。采用有限容積法(Finite Volume Method，F(xiàn)VM)作為基本的數(shù)值求解方法。該方法把計算區(qū)域劃分為一系列的控制容積，每個控制容積由一個節(jié)點作為代表，通過將守恒型的控制方程對控制容積作積分導出離散方程。數(shù)值模擬方法圍繞Reynolds時均方程法進行，湍流模型選取雙方程模型中的標準k－ε模型，迭代計算采用使用SIMPLE算法。

2.2 流場邊界條件

本研究中假定氣流是不可壓縮的，即密度是常數(shù)，因此速度入口邊界條件與質(zhì)量入口邊界條件是等價的，本研究選擇速度入口邊界條件。為了使模擬計算有更好的收斂速度，使用壓力出口邊界條件。對于布袋這種薄膜狀邊界的處理是十分重要的，F(xiàn)luent軟件要求該盡可能的使用簡化模型來取代完全的多孔介質(zhì)模型，使其具有很好的魯棒性和收斂性。本研究使用多孔跳躍邊界條件，該邊界條主要用于模擬己知速度或壓降特征的薄膜，它本質(zhì)上是單元區(qū)域的多孔介質(zhì)模型的簡化。薄膜介質(zhì)是具有有限厚度的，通過它的壓力變化定義為達西定律和附加內(nèi)部損失項的結(jié)合。

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 建模及相關參數(shù)

除塵器采用下進風方式(進風口在灰斗上)，進風口φ 300mm，矩形出風口300×300mm。單袋式結(jié)構(gòu)，布袋順列布置，64個布袋，半袋室區(qū)域布袋為4×8排列。袋徑60mm，袋長2000mm，多孔介質(zhì)(布袋)厚度 0.001m，袋面滲透率 1.2 × 10－12m2。煙氣密度 0.768kg/m3，粘度 2.49 ×10－5kg/(ms)。建模網(wǎng)格如圖1(a)(半袋室結(jié)構(gòu)，4×8布袋排列)，對濾袋進行編號，靠近中心對稱面的計作內(nèi)排，靠近除塵器外壁面的計作外排，從靠近進風口的濾袋開始編號。袋底、除塵器內(nèi)壁面、進口、出口、袋室對稱面等區(qū)域也計入編號。

2.3.2 模擬結(jié)果

基于上述建模和模擬計算條件，設定收斂判據(jù)進行迭代計算。表1列出了袋式除塵器建模的各袋流量數(shù)據(jù)(半袋室結(jié)構(gòu)，4×8布袋排列)。從袋式除塵器內(nèi)半袋室截面壓力分布可見，水平截面的袋室壓力呈現(xiàn)中心區(qū)域低，靠近壁面的周邊區(qū)域壓力高的趨勢;在布袋內(nèi)，水平截面邊角位置的布袋壓力明顯較中心區(qū)域偏低;垂直截面沿布袋高度方向，中間區(qū)域的壓力明顯高于布袋內(nèi)兩端的壓力值。圖1(b)為建模袋式除塵器對稱面流速分布，袋室內(nèi)沿氣流進口方向，流速自下而上逐漸降低;垂直截面的速度分布顯示，除袋室邊角區(qū)域外，氣流分布較為均勻，袋內(nèi)流速明顯低于袋間流速;除塵器灰斗內(nèi)的氣流較為復雜，往往會出現(xiàn)不同程度的渦旋流動。改變袋室內(nèi)布袋的排列結(jié)構(gòu)，改進灰斗的幾何尺寸和容積，將有助于改善袋室內(nèi)氣流分布的均勻性。

表1袋式除塵器各袋流量數(shù)據(jù)

圖1 袋式除塵器模型及模擬結(jié)果

3 結(jié)語

本文針對燃油加熱爐在使用過程中出現(xiàn)的冒黑煙問題，開展煙氣除塵技術(shù)研究。在對比分析各除塵技術(shù)特點的基礎上，采用袋式除塵技術(shù)及裝置，并分析了除塵器的主要技術(shù)工藝。使用計算流體力學軟件對一定邊界條件的除塵器模型進行模擬分析，計算出袋室內(nèi)截面的壓力和氣流速度分布。結(jié)果顯示，除塵器內(nèi)的壓力和速度在不同部位顯示出明顯的非均勻性，袋室內(nèi)布袋的排列方式和灰斗的結(jié)構(gòu)是影響氣流均勻性的重要因素。

［1］郝艷紅，邱麗霞，孫 楠.布袋除塵器除塵性能的實驗研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2010，26(5):11 －13.

［2］Aleksandrov V P，Baranova R B，Valdberg A Yu.Filter materials for bag filters with pulsed regeneration［J］.Chemical and Petroleum Engineering，2010，(46):33 －39.

［3］Sang Y Y，Dae Y L，Sung W B，et al.Design of filter bag media with high collection efficiency［J］.Mater Sci，2007，(42):8040 －8046.

［4］高暉，郭烈錦.下進風袋式除塵器內(nèi)部氣固兩相流動數(shù)值模擬［J］.化學工程，2001，29(5):35 －38.

［5］高暉，郭烈錦.除塵器袋室結(jié)構(gòu)改進及內(nèi)部氣固兩相流動特征分析［J］.西安交通大學學報，2000，34(5):50 －54.

［6］張景霞，沈恒根，方愛民，等.袋式除塵器噴吹管內(nèi)氣流數(shù)值模擬分析［J］.電力環(huán)境保護，2008，24(3):30 －32.

［7］李勇，辛龍勝.基于Fluent的脈沖袋式除塵器內(nèi)氣流流場的數(shù)值模擬［J］.青島科技大學學報(自然科學版)，2010，31(2):177 －181.

Technological design and numerical simulation study on internal flow field of bag filter for oil burning boiler

Flue gas dedusting technology was researched for smoke contamination of oil burning boiler.Technological design of bag filter was carried out based on the analysis of flue gas characteristics.Numerical simulation method was adopted to study the internal flow field of the bag filter.Pressure field and air－ flow field structure were obtained by Fluent software and simulated results were analyzed.The results show that the distributions of pressure and velocity are obviously nonuniform and the arrangement mode of bags and the structure of ash bucket are the key influencing factors for flow field uniformity.The research can be the theoretical evidence for the improvement and design of bag filter.

bag filter;technological design;flow field uniformity;numerical simulation

X701.2

B

1674－8069(2012)03－032－03

2012-01-08;

2012-04-30

周贊慶(1976-)，男，山東即墨人，主要從事熱電管理和除塵技術(shù)研究。E－mail:zhouzq76@sohu.com