直通式布袋除塵器氣流均布的數(shù)值研究

張彥婷

Zhang Yanting

（大唐環(huán)境產業(yè)集團股份有限公司 北京 100097）

(Datang Environment Industry Group Co.,Ltd,Beijing,100097)

直通式布袋除塵器氣流均布的數(shù)值研究

張彥婷

Zhang Yanting

（大唐環(huán)境產業(yè)集團股份有限公司 北京 100097）

(Datang Environment Industry Group Co.,Ltd,Beijing,100097)

本文利用CFD軟件對直通式布袋除塵器內部流場進行模擬，在袋區(qū)增加導流裝置后不僅使進入布袋區(qū)域的平均速度減小，同時使進入各袋室的流量偏差減小，為直通式布袋除塵器的結構改進提供了依據(jù)。

直通式布袋除塵器；數(shù)值模擬；槽形板

1 前言

工業(yè)的高速發(fā)展帶來的環(huán)境問題越來越嚴峻，國家及各地逐漸對煙氣顆粒污染物做出細致和強制性的要求，特別是排放標準要求越來越高，對除塵設備的性能也提出了更高的要求，布袋除塵器具有高除塵效率、結構簡單、運行穩(wěn)定、維修方便等優(yōu)點,是一種除塵性能優(yōu)異、能滿足當前《環(huán)境保護法》嚴格要求的、值得信賴的除塵設備。

直通式布袋除塵器以其占地面積小、壓降低、維修部件少的特點在電廠得到了廣泛應用，但除塵器內煙氣流場分布不合理等因素，在其使用及大型化過程中仍然存在內部件磨損、布袋局部破損和除塵效率降低等問題，特別是直通式布袋除塵器，與常規(guī)布袋除塵器進氣方式不同，對氣流均勻性分布要求更高。所以，在布袋除塵器設計前，可利用數(shù)值模擬的方法對設備進行數(shù)值計算，優(yōu)化結構，模擬結果用于指導工程設計。本文以發(fā)電廠350MW機組直通式布袋除塵器為例，利用CFD對除塵器設備進行1:1建模計算，對增加導流裝置前后的流場進行了模擬，根據(jù)計算結果選擇最佳的導流裝置結構，用于除塵器設備的設計依據(jù)。

2 模型建立及邊界條件設置

2.1 物理模型

350MW機組鍋爐配置兩臺除塵器，每臺除塵器型號為雙列三室結構，平進平出，不設中間煙道。進口喇叭內布置兩層孔板，出口位于凈氣室一側，與凈氣室聯(lián)通，除塵器頂部不再設置出口煙道。除塵器外形圖如圖1主視圖和圖2側視圖所示。

圖1 除塵器主視圖

圖2 除塵器側視圖

2.2 軟件介紹

計算流體力學（Computational Fluid Dynamic,CFD）是用數(shù)值方法在計算機中對流體力學的控制方程進行求解，從而可預測流場的流動。計算流體力學在最近20年得到了飛速的發(fā)展，其計算方法和理論模型及技術不斷完善和豐富，并在科研和工程應用中得到了廣泛的應用。數(shù)值模擬技術的優(yōu)勢在于能夠突破實驗環(huán)境的空間與參數(shù)限制，經濟高效的解決實際問題。

2.3 三維建模及網格劃分

除塵器為對稱結構，網格越多占用計算機空間較多，為使計算結果更精確，選用較小的網格進行劃分，所以在計算機空間一定的情況下，選用一臺除塵器的單列進行三維建模。建模范圍包括進口喇叭及孔板、殼體、灰斗、凈氣室、除塵器出口以及所有濾袋。進口喇叭內部均流孔板全部按實際布置來進行建模，沒有采用多孔介質模型，目的在于更接近于真實值。除塵器本體采用混合網格劃分，由于進口喇叭內包含孔板，因此采用非結構化網格，其它區(qū)域均為結構化網格，最差整體網格質量0.3，滿足計算模擬要求。三維建模圖如圖3～4。

圖3 進口喇叭及孔板建模圖

圖4 除塵器網格圖

2.4 邊界條件設置

每臺爐煙氣量為1950000m3/h，每臺爐配備兩臺除塵器，因此每臺除塵器的處理煙氣量為975000m3/h，則單列除塵器處理風量487500m3/h，單列除塵器濾袋數(shù)量2160條，規(guī)格為Φ160x8350mm，過濾面積為9066m2，則過濾風速約為0.9m/min。

喇叭進口斷面的當量水力直徑D：D=2ab/(a＋b)=3.23 m，其中 a=3m，b=3.5m

經過核算除塵器內雷諾數(shù)達到了106，可知內部煙氣流動屬于高湍流度湍流流動，需要使用湍流模型進行描述，由于除塵器內存在旋轉、分離等現(xiàn)象，選用比k-e湍流模型更準確的k-w，這種模型可以保持雷諾應力與真實湍流一致，考慮湍流各向異性等，在計算強旋流、分離流和射流的擴散速度時具有優(yōu)異表現(xiàn)。對流項的差分格式選用二階格式精度，并且在計算旋轉流動時具有比一階格式更大準確度。除塵器壁面采用無滑移壁面邊界條件，壁面邊界層湍流模型采用壁面函數(shù)法計算。除塵器進口選用速度進口，出口采用自由出流。

3 計算結果與分析

常規(guī)布袋除塵器一般僅在進口喇叭內布置兩層均流孔板達到袋區(qū)的氣流均布，本文首先對只布置孔板的布袋除塵器進行了模擬，存在局部風速偏高、沖刷濾袋、各袋區(qū)流量偏差大的問題，在此基礎上對均流孔板進行改進，在袋區(qū)增加導流裝置，使各袋區(qū)流量偏差小于5%，煙氣到濾袋的速度均小于1.2m/s，避免了煙氣對濾袋的沖刷。

為防止煙氣直接沖刷濾袋，使煙氣進入袋區(qū)能充分擴散，靠近進氣口的第一袋區(qū)濾袋布置較少，濾袋到進口喇叭出口留有一定空間。兩列除塵器中間頂部需要布置氣包，使得側部濾袋到壁板有一定距離。對布袋區(qū)域進行分區(qū)，對每一個區(qū)域的流量分布進行計算，統(tǒng)計各袋區(qū)的流量分配，計算各袋區(qū)的流量偏差。布袋區(qū)域分區(qū)圖如圖5所示。

圖5 布袋除塵器分區(qū)圖

3.1 原結構的數(shù)值計算

除塵器一般只在進口喇叭內布置兩層均流孔板，第一層孔板開孔率35%，第二層孔板開孔率45%。袋區(qū)各分區(qū)的流量偏差見表1。從表中數(shù)據(jù)看出，各布袋分區(qū)流量偏差較大，靠近進口方向和出口方向的流量偏大，原因在于：1分區(qū)和2分區(qū)靠近煙氣進口方向，一部分煙氣從正面直接沖到濾袋迎風面；15分區(qū)和16分區(qū)處理煙氣量偏多是因為大部分煙氣從濾袋下部直沖到除塵器后部袋區(qū)。

表1 袋區(qū)分區(qū)的流量偏差表（優(yōu)化前）

3.2 結構改進后的計算結果

3.2.1 結構改進設想

針對上述問題，對結構進行優(yōu)化改進，改進結構如下：

（1）原有均流孔板開孔率不變，僅側切一段（袋區(qū)有通道一側），使更多的煙氣導流到布袋區(qū)域側面通道；

（2）在進風喇叭口出口迎風面設置槽型板，避免來流方向流速過大對布袋造成沖擊；

（3）在側面1、3袋區(qū)和13、15袋區(qū)設置槽型板，避免高流速沖擊。

把原有均流孔板側部開全孔的目的在于使更多的煙氣進入袋區(qū)側部通道，減少濾袋下部的煙氣量；在布袋迎風面和側部通道設置槽型板的目的是為了防止高流速的煙氣對布袋造成

圖6 槽形板布置三維視圖

直接沖刷，同時起到均流的作用。增加槽形板后的結構見圖6。

3.2.2 結構改進后的計算結果

結構改進后各袋區(qū)的流量偏差見表2，和原有結構相比，流量偏差降低很多，最大流量偏差小于5%，說明各袋區(qū)流量分配均勻，符合布袋除塵器流量分配均勻的標準。

表2 袋區(qū)分區(qū)的流量偏差表（優(yōu)化后）

結語

本文利用CFD軟件對某電廠350MW機組用直通式布袋除塵器內部流場進行了模擬，并對結構進行了改進，原有結構存在氣流分布不合理，部分袋區(qū)濾袋存在煙氣沖刷現(xiàn)象，導致局部阻力增大，濾袋使用壽命縮短，通過數(shù)值模擬的方法對在喇叭出口和側面通道增加槽形板導流裝置后的結構進行計算，結果顯示各袋區(qū)風量較優(yōu)化前均勻，各袋區(qū)流量偏差＜5%,同時槽形板也防止煙氣直接沖刷前排和側部通道區(qū)濾袋。計算結果表明，優(yōu)化結構滿足布袋除塵器氣流分布均勻的要求，可用于工程設計指導。

[1]石增斌.布袋除塵器技術及其應用.煤炭技術.2006,25(1):123-125

[2]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.212.

[3]張滌宇.電解鋁煙氣布袋除塵器內流場數(shù)值模擬[D].武漢:華中科技大學，2009

[4]毛銳,劉根凡等.布袋除塵器結構改進的數(shù)值模擬研究.環(huán)境工程.2014,77-81

Numerical Analysis and Study on Gas Flow Distribution of Straight-Through Flow Bag Filter

The article uses CFD to simulate the flow field inner bag filter,increases guiding device to make the average velocity into bag decrease,at the same time make the flow deviation of each bag area reduce,providing a basis for the improvement of the structure of the straightthrough flow bag filter.

Straight-through flow bag filter numerical simulation trough plate

張彥婷（1981-），女，碩士研究生，主要研究方向：布袋除塵器的設計及優(yōu)化。