燒結(jié)機(jī)尾“電改袋”除塵器數(shù)值模擬*

宋孝紅陳旺生湯靜芳

（1．武漢科技大學(xué)　武漢430081；2．武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司　武漢430083）

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燒結(jié)機(jī)尾“電改袋”除塵器數(shù)值模擬*

宋孝紅1陳旺生1湯靜芳2

（1．武漢科技大學(xué)武漢430081；2．武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司武漢430083）

摘要針對現(xiàn)有“電改袋”除塵器不易實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行中更換濾袋且內(nèi)部氣流分布不均勻等問題，結(jié)合某燒結(jié)廠190 m2“電改袋”工程實(shí)例，提出一種可以在運(yùn)行中更換濾袋的分室式“電改袋”除塵器結(jié)構(gòu)，并利用CFX軟件模擬其流場。結(jié)果表明，煙氣由進(jìn)氣煙道進(jìn)入袋室時速度大小和方向均發(fā)生突變，大顆粒粉塵受慣性力和重力作用易被中間灰斗捕集，有效減緩粉塵對濾袋的磨損；濾袋底部附近區(qū)域和兩側(cè)灰斗內(nèi)的煙氣速度分別小于5 m／s和6 m／s，可有效防止濾袋間的碰撞磨損和灰斗二次揚(yáng)塵；各袋室的煙氣流量分布比較均勻，標(biāo)準(zhǔn)差為0．152。

關(guān)鍵詞“電改袋”除塵器流場數(shù)值模擬二次揚(yáng)塵

Numerical Simulation of Bag Filter Transformed From Electrostatic Precipitator of Sintering Machine Tail

SONG Xiaohong1CHEN Wangsheng1TANG Jingfang2
（1．Wuhan University of Science and Technology Wuhan 430081）

Abstract To solve the existing problems of uneasy replacement of filter bags during the dust collector operating，and un-even distribution of internal airflow in the bag filter transformed from electrostatic precipitator（ESP），the structure of sec-tional bag filter transformed from ESP is proposed in this paper，which can replace filter bags during it operating．The exper-imental model is based on the 190 m2ESP project，and CFX software is applied to simulate the flow field．The simulation re-sult indicates that the rate and victor of gas abruptly varies when gas flow enters bag rooms from flue，at the same time，the large particles is easily collected in middle ash hopper under the together function of gravity and inertia force，and the wear of filter bag is effectively slow down．The rate near the bottom of filter bags is less than 5m／s，and the speed in the inner of bilateral dust hopper is less than 6m／s，thus the wear of the filter bag and the secondary dust is effectively controlled．Be-sides，the gas flow is evenly allocated to every bag room，and the standard deviation is 0．152．

Key Words bag filter transformed from ESP flow field numerical simulation secondary dust

0　引言

我國新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燒結(jié)機(jī)尾顆粒物的排放限值為30 mg／m3［1］。目前燒結(jié)機(jī)尾煙氣凈化設(shè)備主要是電除塵器，而電除塵器對0．1～2μm的微細(xì)顆粒物除塵效率低［2］，很難達(dá)到當(dāng)前的環(huán)保要求，亟需改造。

與電除塵器相比，袋式除塵器除塵效率可達(dá)到99．99%以上，粉塵排放質(zhì)量濃度能達(dá)到10 mg／m3以下，甚至達(dá)到1 mg／m3，而且對PM10，PM5，PM2．5等細(xì)微顆粒物有很高的捕集效率［3］，完全能夠滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以將電除塵器改造為袋式除塵器（即“電改袋”）在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)有不少研究者對沿垂直氣流方向有2排灰斗的電除塵器進(jìn)行了“電改袋”研究，如黨小慶［4］、吳高明［5］、許漢渝［6］等人，而對沿垂直氣流方向有3排灰斗的電除塵器“電改袋”研究較少。此外，現(xiàn)有的“電改袋”除塵器仍然存在一些不足：

（1）除塵器運(yùn)行中不易更換濾袋。在除塵器運(yùn)行期間，如果袋室內(nèi)即使一個濾袋破裂，都可能導(dǎo)致粉塵排放濃度升高，除塵效率降低，而更換濾袋工作一般需在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，影響正常的生產(chǎn)［7］。

（2）濾袋底部煙氣速度分布不均勻，易引起濾袋間碰撞磨損，影響濾袋使用壽命，進(jìn)而影響除塵器的除塵性能。

針對“電改袋”除塵器存在的問題，本文結(jié)合某燒結(jié)廠機(jī)尾190 m2“電改袋”工程實(shí)例，提出了一種可以在除塵器運(yùn)行中更換濾袋的分室式“電改袋”除塵器結(jié)構(gòu)，并利用計算流體力學(xué)商用軟件CFX模擬流場分布，為除塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)，進(jìn)而指導(dǎo)工程設(shè)計。

1燒結(jié)機(jī)尾“電改袋”除塵器結(jié)構(gòu)

以某燒結(jié)廠機(jī)尾190 m2電除塵器為例（如圖1所示），結(jié)合燒結(jié)機(jī)尾煙塵溫度高、磨損性強(qiáng)等特點(diǎn)，本文提出以下“電改袋”方案，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—兩側(cè)灰斗；2—中間灰斗；3—進(jìn)氣箱；4—?dú)んw；5—出氣箱圖1電除塵器結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

（1）拆除電除塵器的極板、極線、振打裝置、橫梁和高壓電源等，保留電除塵器的進(jìn)氣箱、殼體、出氣箱、灰斗和輸灰系統(tǒng)以及外部框架、梯子、平臺等。

（2）在中間灰斗上側(cè)設(shè)有煙道，煙道被斜板分隔為進(jìn)氣煙道和出氣煙道，斜板下側(cè)為進(jìn)氣煙道，上側(cè)為出氣煙道。

（3）煙道兩側(cè)對稱地共設(shè)12個袋室，在袋室上側(cè)相應(yīng)地設(shè)有12個凈氣室，每個袋室設(shè)有1個袋室入口，每個凈氣室設(shè)有2個凈氣室出口，袋室和進(jìn)氣煙道通過袋室入口連通，凈氣室和出氣煙道通過凈氣室出口連通。

（4）在袋室入口處設(shè)有入口閥門，通過鋼絲繩、鉸鏈及連桿與除塵器殼體外側(cè)的氣缸連接，通過氣缸可控制閥門的開閉；凈氣室出口處設(shè)有提升閥。當(dāng)某個袋室需要更換濾袋時，只需關(guān)閉相應(yīng)袋室的入口閥門和相應(yīng)凈氣室的提升閥，其他袋室和凈氣室正常運(yùn)行。

2數(shù)值計算

2．1物理模型

1—斜板；2—出氣煙道；3—提升閥；4—凈氣室出口；5—凈氣室；6—花板；7—濾袋；8—袋室；9—?dú)んw；10—?dú)飧祝?1—支撐架；12—鉸鏈；13—入口閥門；14—中間灰斗；15—袋室入口；16—進(jìn)氣煙道；17—兩側(cè)灰斗；18—阻流板；19—進(jìn)氣箱；20—出氣箱圖2“電改袋”除塵器結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

本“電改袋”項目每個袋室內(nèi)均勻布置336條濾袋，濾袋間距為70 mm×70 mm，單條濾袋尺寸為Φ160 mm×7 000 mm，過濾速度0．83 m／min。

2．2數(shù)學(xué)模型

“電改袋”除塵器內(nèi)部流場復(fù)雜，在建模時假設(shè)［8］：①流體做定常流動；②流體為不可壓縮流體；③濾袋為圓柱體，在工作時無變形；④整個流動過程為等溫過程，模擬時取溫度為100℃。

除塵器正常運(yùn)行過程遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律，在CFX計算時采用的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。而除塵器內(nèi)氣體流動為紊流狀態(tài)，因此，需選取湍流模型進(jìn)行數(shù)值計算。鑒于湍流模型應(yīng)用廣泛、實(shí)用性強(qiáng)，模擬時采用湍流模型進(jìn)行計算［9］。

2．3網(wǎng)格劃分

為了提高計算精度，同時控制網(wǎng)格數(shù)量，采用結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性混合網(wǎng)格。本模擬中袋室和凈氣室部分采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，煙道采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量約為500萬個。

2．4邊界條件

除塵器入口采用速度入口條件（處理風(fēng)量65× 104m3／h，入口速度為10．8 m／s），出口采用開放式出口條件，壁面采用無滑移壁面，濾袋采用多孔介質(zhì)模型，濾袋的滲透率和損失系數(shù)根據(jù)試驗確定［10］。

3結(jié)果分析

通過模擬計算得到“電改袋”除塵器流場速度分布圖，如圖3～圖8所示。圖3和圖4截取自平面1，圖5和圖6截取自平面2，圖7截取自平面3，圖8截取自平面4，平面1～平面4分別按圖2所示虛線方向截取。

由圖3和圖4可知，含塵煙氣經(jīng)進(jìn)氣箱以4～16 m／s的速度進(jìn)入進(jìn)氣煙道，受斜板阻擋向下運(yùn)動，在此過程中部分煙氣直接沖擊斜板，在慣性力和重力作用下部分大顆粒物從煙氣中分離，進(jìn)而被中間灰斗捕集。同時，由于斜板的作用，煙氣均勻向下運(yùn)動，有利于煙氣均勻分配到各袋室。由圖5和圖6可知，煙氣以最高16 m／s的速度通過進(jìn)氣煙道兩側(cè)的袋室入口進(jìn)入袋室，在經(jīng)過袋室入口的過程中，煙氣速度大小和方向發(fā)生突變，大顆粒粉塵在慣性作用下沉降到中間灰斗內(nèi)，中間灰斗區(qū)域煙氣速度均在3 m／s以下，且無漩渦存在，能有效防止中間灰斗二次揚(yáng)塵。該“電改袋”除塵器充分利用了電除塵器中間灰斗，實(shí)現(xiàn)粉塵的一次捕集。

圖3平面1速度云圖

由圖5和圖6可知，煙氣進(jìn)入袋室后，在袋室入口處形成一個高速區(qū)，最高速度為16 m／s，并在兩側(cè)灰斗與高速區(qū)之間形成漩渦，但漩渦距離灰斗區(qū)域距離較遠(yuǎn)，對下側(cè)灰斗內(nèi)的流場分布影響較小。此外，濾袋底部附近區(qū)域煙氣速度均在4 m／s以下，且分布較為均勻，不存在偏流現(xiàn)象，可有效地防止因高速度煙氣引起的濾袋擺動、摩擦等問題，減緩了濾袋間的碰撞磨損。靠近灰斗上部壁面處，煙氣速度最大為6 m／s，兩側(cè)灰斗內(nèi)大部分區(qū)域煙氣速度均小于4 m／s，且灰斗內(nèi)無漩渦存在，可有效防止二次揚(yáng)塵的發(fā)生。

圖4平面1速度矢量圖

圖5平面2速度云圖

圖6平面2速度矢量圖

由圖7和圖8可知，平面3和平面4的速度分布與平面2具有基本相同的規(guī)律。由圖7可知，平面3內(nèi)濾袋底部附近區(qū)域和兩側(cè)灰斗內(nèi)的煙氣速度分別小于4 m／s和4．5 m／s。由圖8可知，平面4內(nèi)濾袋底部附近區(qū)域和兩側(cè)灰斗內(nèi)的煙氣速度均小于4 m／s。各袋室流場速度分布基本一致。

圖7平面3速度矢量圖

圖8平面4速度矢量圖

另外，根據(jù)模擬結(jié)果可計算出各袋室的煙氣流量，如表1所示。由表1可知，在各袋室中，煙氣流量最大為14．43 kg／s，最小為14．06 kg／s，標(biāo)準(zhǔn)差為0．152，可見各袋室煙氣流量分布十分均勻。

表1袋室煙氣流量分布 kg／s

4　結(jié)論

針對現(xiàn)有“電改袋”除塵器不易實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行中更換濾袋，且內(nèi)部氣流分布不均勻等問題，提出一種新的“電改袋”除塵器結(jié)構(gòu)，并對其內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

（1）在電除塵器殼體內(nèi)進(jìn)行合理地分室，使各過濾單元相互獨(dú)立，并在袋室入口和凈氣室出口處設(shè)有相應(yīng)的閥門，以實(shí)現(xiàn)在除塵器運(yùn)行中更換濾袋。

（2）根據(jù)模擬結(jié)果，煙氣從進(jìn)氣煙道進(jìn)入各袋室時，速度大小及方向均發(fā)生突變，有利于煙氣中的粉塵慣性分離，大顆粒粉塵在慣性力和重力作用下沉降到中間灰斗，有效地降低了進(jìn)入袋室的煙氣中粉塵的濃度。

（3）各袋室濾袋底部區(qū)域和灰斗區(qū)域流場分布較為均勻，其速度分別小于5 m／s和6 m／s，無較大漩渦存在，可有效地防止濾袋間的碰撞磨損和灰斗二次揚(yáng)塵的發(fā)生。

（4）該“電改袋”除塵器可有效利用原有電除塵器結(jié)構(gòu)，改造成本低，具有較好的應(yīng)用前景。

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收稿日期：（2015－07－30）

作者簡介宋孝紅，男，1989年出生，碩士研究生，主要研究方向為工業(yè)通風(fēng)與除塵。

*基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2012AA062501）。