布袋除塵器吸風(fēng)罩的研究

郭蕾 朱新才 鄧星 胡騰飛

(重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400054)

本文主要研究垃圾焚燒布袋除塵系統(tǒng)及其主要設(shè)備吸風(fēng)罩的設(shè)計。

1 布袋除塵系統(tǒng)

1.1 原理

生活垃圾焚燒的布袋除塵系統(tǒng)主要由吸風(fēng)罩、風(fēng)管、風(fēng)機、袋式除塵器、飛灰輸送裝置等組成。煙氣從吸風(fēng)罩進入布袋除塵器，到達布袋外表面后，固體顆粒沉積，氣體穿過過濾介質(zhì)進入布袋，再由出口排出除塵器。布袋除塵器的主要作用是濾掉煙氣中的有害顆粒物，然后達標排放。布袋除塵器的效率要高于常用的電除塵器。

我國2000年6月1日開始實施的《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB 18485)規(guī)定:焚燒爐的除塵裝置必須采用袋式除塵器。一個完整的除塵系統(tǒng)應(yīng)該包括以下幾個過程:(1)用吸風(fēng)罩捕集從半干式噴霧反應(yīng)器中產(chǎn)生的污染物煙氣;(2)捕集的煙氣在風(fēng)機的作用下，進入到布袋除塵器中;(3)在布袋除塵器中，通過篩濾、攔截、碰撞、擴散等作用，使得煙氣得到凈化;(4)凈化后的煙氣在引風(fēng)機的作用下，通過煙囪排放;(5)通過飛灰輸送裝置，收集和處理分離出來的粉塵。

1.2 影響袋式除塵器除塵效果的因素

影響除塵效果的因素較多，總結(jié)起來主要有:煙氣的自身特性、布袋除塵器自身結(jié)構(gòu)以及濾袋的選擇、吸風(fēng)罩、煙氣進氣速度、工作環(huán)境等。這些因素相互影響，共同作用。

吸風(fēng)罩形式的確定和設(shè)計計算是垃圾焚燒發(fā)電除塵系統(tǒng)成功與失敗的關(guān)鍵之一。設(shè)計完善的吸風(fēng)罩應(yīng)在不影響操作的情況下以較小的風(fēng)量獲得良好的除塵效果。吸風(fēng)罩的幾何形狀是否合理、安裝位置是否合適、面積是否恰當?shù)戎苯佑绊懗龎m效果。吸風(fēng)罩的作用在于將從半干式噴霧反應(yīng)器中產(chǎn)生的煙氣引導(dǎo)進入布袋除塵器，在除塵器內(nèi)進行濾化處理，以避免其向大氣分散，形成污染。吸風(fēng)罩設(shè)計與安裝不合理，煙氣吸入效果差，當大量氣流以垂直方向從噴霧反應(yīng)器中撲出，吸風(fēng)罩不能有效的捕集氣體，增加了煙氣擴散的幾率，導(dǎo)致噁英彌漫。吸風(fēng)罩的設(shè)計與安裝不盡合理是影響除塵、二噁英等污染物擴散的主要原因。

2 吸風(fēng)罩設(shè)計原理

目前，工藝流程中所說的吸風(fēng)罩是一種收集含塵空氣的罩口。一般是采用1.5 mm厚鐵皮制成的長方形截面風(fēng)管，靠近煙氣產(chǎn)生源安裝。原理上，吸風(fēng)罩是依靠風(fēng)機吸風(fēng)形成負壓抽吸作用，在距離吸風(fēng)罩最遠的粉塵散發(fā)點處造成適當?shù)目諝饬鲃铀俣?即控制風(fēng)壓或吸入速度)，把含塵空氣吸入通風(fēng)除塵裝置中。為了保證設(shè)計的吸風(fēng)罩能有效的捕集煙氣，設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則:

(1)吸風(fēng)罩應(yīng)盡可能包圍或靠近煙氣產(chǎn)生源，使煙氣局限于較小的空間，盡可能減小其吸氣范圍，便于捕集和控制。

苜蓿與4種禾草混播群落中，混播虉草的抗氧化能力大于其他3種禾草，苜蓿的抗氧化能力在苜蓿-貓尾草混播群落中大于其他3種混播群落。

(2)吸風(fēng)罩的吸氣氣流方向應(yīng)盡可能與污染氣流運動方向一致，也就是吸風(fēng)罩的軸線應(yīng)與污染物散發(fā)的軸線相重合，充分利用煙氣的動能。

(3)吸風(fēng)罩內(nèi)含毒污染物的煙氣不允許通過人的呼吸區(qū)，煙氣流程內(nèi)不應(yīng)有障礙物。

(4)吸風(fēng)罩在不影響工藝的情況下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、造價低，以便制作安裝和拆卸維修。在保證控制污染源的條件下，盡量減少吸風(fēng)罩的開口面積或加法蘭邊，使其吸風(fēng)量最小，節(jié)約能源。

(5)和工藝密切配合，使吸風(fēng)罩的配置與生產(chǎn)工藝協(xié)調(diào)一致，其結(jié)構(gòu)、位置不應(yīng)妨礙工人操作和設(shè)備檢修。

(6)要盡可能避免或減弱干擾氣流如橫向氣流、送風(fēng)氣流等對吸氣氣流的影響。

吸風(fēng)罩按結(jié)構(gòu)形式可分為密閉罩、半密閉罩、外部罩和吹吸罩4類。由于除塵器所捕集的煙氣中含有有毒污染物，因此，除塵系統(tǒng)中的吸風(fēng)罩選擇密閉罩的形式。布袋除塵器密閉罩是將煙氣產(chǎn)生源或整個工藝設(shè)備完全密閉起來，氣體分散被限制在一個很小的密閉空間內(nèi)。它僅需較小的排氣量，就可以有效防止粉塵或其他有害物質(zhì)進入室內(nèi)，還減小了風(fēng)量，降低了投資。

3 吸風(fēng)罩內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型

從噴霧反應(yīng)器煙道出口到除塵設(shè)備入口，煙塵的流動過程涉及到氣固兩相的湍流流動，顆粒物作為重金屬及二噁英類污染物成分的主要載體，其質(zhì)量加載率、體積載入率都很小，顆粒物間的孔隙率高，顆粒間的相互碰撞可忽略。只考慮氣體對顆粒物的作用，而不考慮顆粒對氣體的影響。運用FLUENT軟件對吸風(fēng)罩內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，采用遵循歐拉-拉格朗日方法(Eulerian Model)的離散相模型。計算中選用標準k-ε紊流模型，運用一階迎風(fēng)格式及SMPLE算法對離散方程進行求解。

求解的理論依據(jù)是湍流氣固兩相流動的質(zhì)量、動量、能量守恒微分方程組的離散化處理及其數(shù)值解析。經(jīng)時間平均化處理后，各守恒方程的通用形式可表示為:

(1)質(zhì)量守恒方程。

質(zhì)量守恒定律:單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元的凈質(zhì)量。用方程表示為:

(2)動量守恒方程。

動量守恒定律:微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力的和。用方程表示為:

(3)能量守恒方程。

能量守恒定律:微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。用方程表示為:

3.2 數(shù)值模擬

在進行網(wǎng)格劃分時，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響收斂性，使用三角形網(wǎng)格可以消除結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中節(jié)點的結(jié)構(gòu)性限制，節(jié)點和單元分布的可控性好，因而能較好地處理邊界。罩口面積之比最大為16∶1;喇叭口罩長度宜取風(fēng)管直徑的3倍，以保證罩口均勻吸氣。如圖1所示為吸風(fēng)罩擴張角為40°的幾何模型，AB為出口;EF為入口;AH、BC、KF、DE 為壁面;HK、CD 為收縮壁面，且都為無滑移的絕熱壁面。為簡化處理，氣體設(shè)為理想氣體，根據(jù)布袋除塵器的工藝尺寸和操作參數(shù)設(shè)定入口半徑為2 810 mm，進出口溫度為300 K。進口邊界FE，設(shè)置為速度入口，進口速度均勻分布，給定進口速度為18.2 m/s。出口邊界AB，由于該邊界上的速度和壓力均為未知的情形，故設(shè)置自由出流為邊界條件，其余固體壁面為無滑移壁面。在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，運用FLUENT軟件，分析不同的吸風(fēng)罩擴張角對吸風(fēng)罩流動特性的影響。圖2為罩口擴張角度分別為20°，40°，60°，90°和120°時，相同進氣速度下吸風(fēng)罩的煙氣流動情況。圖3為不同擴張角下收縮段的速度矢量放大圖。

圖1 擴張角為40°吸風(fēng)罩幾何模型

圖2 不同擴張角吸風(fēng)罩中的煙氣流動速度矢量圖

圖3 不同擴張角下收縮段的煙氣流動速度矢量放大圖

當罩口擴張角為20°、40°時，中間煙氣的流速大，流線稠密;周圍煙氣的流速小，流線稀薄。擴張角為60°、90°時，吸風(fēng)罩出口的煙氣流場分布明顯改善，較為均勻。氣流不再集中于進氣煙箱的中上部，而是比較均勻地分散于整個空間，在出口的收縮段氣流速度稍大一點，這是因為收縮段采用折板形式，局部壓損較大，與實際情況相符。擴張角為120°時，氣流出現(xiàn)少許分離，產(chǎn)生了回流現(xiàn)象。

因此，利用建立的吸風(fēng)罩模型，改變吸風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬了不同擴張角度對吸風(fēng)罩內(nèi)部流動性能的影響，結(jié)合實際情況，推薦使用60°到90°之間的擴張角。

4 結(jié)論

(1)利用FLUENT軟件對吸風(fēng)罩內(nèi)部氣固兩相流場進行仿真模擬，對不同擴張角的吸風(fēng)罩進行流場分析，得到吸風(fēng)罩最佳設(shè)計尺寸，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

(2)采用數(shù)值模擬軟件進行有關(guān)參數(shù)的模擬計算，可以有效地縮短設(shè)計過程，能獲得完整的數(shù)據(jù)，模擬出實際運行過程中各種所測數(shù)據(jù)狀態(tài)，減少了產(chǎn)品開發(fā)成本。

(3)根據(jù)已有的理論分析，為后續(xù)的設(shè)計提供理論依據(jù)。比如，若達不到均勻吸氣時，可設(shè)多個吸風(fēng)口，或在吸風(fēng)罩內(nèi)設(shè)分隔板、擋板，罩口收縮處采用圓弧型等。

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