袋式除塵器的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模擬試驗(yàn)分析

王建 沈恒根

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

袋式除塵器以其除塵效率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵等行業(yè)[1]。對(duì)于袋式除塵器運(yùn)行壽命有著重要影響的核心部件濾袋是其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[2]。實(shí)際應(yīng)用表明，濾料選型不合理、加工不當(dāng)、機(jī)械磨損、化學(xué)腐蝕、煙氣溫度過(guò)高、結(jié)露粘結(jié)等原因引起濾袋破損失效，從而導(dǎo)致粉塵泄漏，給機(jī)組造成安全隱患以及引起排放濃度超標(biāo)等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生[3-4]。常規(guī)袋式除塵器容易單條濾袋破損后形成煙氣通道，加速相鄰濾袋，噴吹孔及花板的磨損進(jìn)而使整臺(tái)設(shè)備失效，引發(fā)嚴(yán)重?fù)p失，但目前針對(duì)濾袋失效后處理措施主要是關(guān)閉對(duì)應(yīng)倉(cāng)室或關(guān)閉整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行檢修更換濾袋，會(huì)給整個(gè)除塵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大影響，不僅可能會(huì)引發(fā)排放超標(biāo)，也會(huì)對(duì)剩余處于超負(fù)荷運(yùn)行的濾袋帶來(lái)巨大的磨損，加速濾袋的損壞。對(duì)于一系列由于濾袋失效而引起的除塵系統(tǒng)故障，目前研究多處于尋求相關(guān)預(yù)防措施和故障發(fā)生后停機(jī)檢修措施針對(duì)上述問(wèn)題[5-6]。對(duì)標(biāo)傳統(tǒng)袋式除塵器，在結(jié)構(gòu)上做出改變?cè)O(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種新型直流式模塊化袋式新型除塵器，在保證了袋式除塵器高效除塵能力的基礎(chǔ)上，大大提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性，有利于整機(jī)的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。

1 模塊化袋式新型除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型袋式除塵器采用扁條形濾袋如圖1（a）所示，規(guī)格尺寸為8000 mm×5000 mm×100 mm，單條濾袋破損可通過(guò)提升裝置單獨(dú)離線如圖1（b），不影響同箱體內(nèi)其他濾袋繼續(xù)運(yùn)行，袋式除塵器可繼續(xù)工作，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。每八片濾袋組成一個(gè)單元模塊如圖1（c）所示，可實(shí)現(xiàn)以模塊組的形式對(duì)濾袋進(jìn)行更換，解決了濾袋更換困難問(wèn)題。新型袋式除塵器煙氣過(guò)濾方式如圖2 所示，為直流式設(shè)計(jì)，可大大減小袋式除塵器運(yùn)行阻力。

圖1 新型袋式除塵器箱體構(gòu)造示意圖

圖2 過(guò)濾箱體氣流運(yùn)動(dòng)示意圖

表1 給出了該除塵器的規(guī)格。為了更清楚對(duì)該新型袋式除塵器的空間認(rèn)識(shí)，圖3 給出了該除塵器的三維模型結(jié)構(gòu)圖。

表1 新型袋式除塵器規(guī)格

圖3 袋式除塵器三維模型結(jié)構(gòu)圖

2 各過(guò)濾箱體流量分配

由文獻(xiàn)[7-8]可知，可利用流量偏差和不均方根值對(duì)氣流分配均勻程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)該袋式除塵進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理，得出各個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室入口平均流量并根據(jù)流量偏差公式和均值方根公式進(jìn)行計(jì)算，可得出各個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室的流量偏差，表2 給出了各個(gè)倉(cāng)室的煙氣流量，其流量偏差及均方根值。

式中：Li為第i 個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室的煙氣流量，m3/h；L 為四個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室的煙氣平均流量，m3/h；σ 為均值方根。

表2 過(guò)濾倉(cāng)室處理風(fēng)量分配

從表2 中可看出，第2 個(gè)過(guò)濾箱體和第3 個(gè)過(guò)濾箱體處理的煙氣量較大，煙氣流量值偏差較小。第1個(gè)過(guò)濾箱體和第4 個(gè)過(guò)濾箱體處理的煙氣量較小，其煙氣流量值和流量偏差也很接近，從表2 可以清楚看到，該新型袋式除塵器的流量偏差絕對(duì)值均小于5%，能夠符合設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求。

3 新型袋式除塵器各部分速度場(chǎng)分布和壓力場(chǎng)分布

新型袋式除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了新型袋式除塵器各部分速度場(chǎng)分布和壓力場(chǎng)分布。

3.1 濾袋迎風(fēng)截面氣流分布

圖4 給出了過(guò)濾箱體入口迎風(fēng)截面處（Y=0.1 m）的速度分布云圖和壓力分布云圖。從圖4（a）可看出，在濾袋高度的1/4 與3/4 附近的位置上，氣流速度較同一截面上其它位置速度較高，達(dá)到5 m/s 左右。從圖4（b）可看出，靜壓分布在濾袋高度的1/2 處，明顯高于同截面的其它位置。由袋式除塵器結(jié)構(gòu)可知，濾袋高度的1/2 位置與新型袋式除塵器進(jìn)口處于同一水平高度，含塵煙氣在除塵器入口進(jìn)入后，在喇叭口的均布作用下，進(jìn)入過(guò)濾箱體內(nèi)部，與過(guò)濾箱體中的濾袋碰撞后向上下兩個(gè)方向轉(zhuǎn)移，故會(huì)出現(xiàn)圖4（a）中的速度分布情況。含塵氣流與濾袋碰撞時(shí)動(dòng)壓急劇減小，靜壓增大，導(dǎo)致圖4（b）中的靜壓分布情況。

圖4 過(guò)濾箱體入口迎風(fēng)截面處（Y=0.1 m）速度、壓力分布圖

3.2 濾袋平行于底部截面氣流分布

圖5 給出了濾袋底部截面處（Z=-0.1 m）的速度分布云圖和壓力分布云圖。從圖5（a）中可看出，濾袋底部截面靠近過(guò)濾箱體前部位置處的氣流速度較大，速度最大值達(dá)6.5 m/s，其后部位置處的氣流速度較小。從圖5（b）中可看出，濾袋底部各部分壓力分布較為均勻。入口氣流經(jīng)喇叭口起到氣流均布的作用后，部分氣流流入灰斗，經(jīng)過(guò)灰斗壁的作用，反射進(jìn)入過(guò)濾箱體內(nèi)部，從而導(dǎo)致圖5（a）所示的現(xiàn)象。

圖5 濾袋底部截面處（Z=-0.1 m）的速度、壓力分布圖

3.3 濾袋間隙氣流分布

除塵器過(guò)濾箱體中包含的四個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室是關(guān)于中線呈對(duì)稱分布，因此根據(jù)對(duì)稱面中一側(cè)的過(guò)濾倉(cāng)室研究，即可由對(duì)稱性推測(cè)整個(gè)過(guò)濾箱體的氣流組織情況。為了更清楚的分析濾袋間隙的氣流分布情況，圖6給出了截面截取的分布圖，截取位置為X 方向上的3.8 m，4.4 m，5.4 m 和6.0 m 位置處的濾袋間隙。

圖6 選取截面分布圖

圖7 給出了濾袋間隙截面（X=3.8 m、4.4 m、5.4 m、6.0 m）的速度分布云圖。由圖7 中可以看出，氣流進(jìn)入過(guò)濾箱體后分別從過(guò)濾箱體前部，上部和下部呈包裹狀進(jìn)入到過(guò)濾間隙，然后逐漸擴(kuò)散到間隙的其他部位，濾袋間隙速度絕大部分均保持在相對(duì)較低的風(fēng)速下，擾動(dòng)較小，有利于粉塵粒子在濾袋表面的沉降，有利于提高過(guò)濾效率。

圖7 濾袋間隙截面速度分布圖

圖8 濾袋間隙截面在Z 方向的氣流速度分布圖

圖8 給出了濾袋間隙截面（X=3.8 m、4.4 m、5.4 m、6.0 m）處，沿濾袋間隙高度Z 方向取-0.5 m，-4.0 m 和-7.5 m 的位置處，沿?zé)煔馇斑M(jìn)方向（Y 方向）的氣流速度分布圖。從圖8 中可以看出，不同的濾袋間隙在相同濾袋間隙高度處沿?zé)煔馇斑M(jìn)方向的速度變化趨勢(shì)基本呈現(xiàn)一致分布。在Z=-7.5 m 高度上，煙氣前進(jìn)速度Vy呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，速度大小主要在2.5～0.5 m/s 范圍之間，且速度變化較為緩慢，波動(dòng)幅度較小，有利于粉塵在濾袋壁面的沉積。處于距袋底距離較短的Z=-0.5m 高度的Vy整體變化趨勢(shì)也是呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，可能由于灰斗上升氣流造成的干擾，Vy出現(xiàn)波動(dòng)，且隨間隙越遠(yuǎn)離中線（X 增大），波動(dòng)逐漸減小，當(dāng)X=6.0 m 時(shí)已無(wú)明顯波動(dòng)趨勢(shì)。對(duì)于過(guò)濾箱體的高度中間位置（Z=-4 m）Vy變化趨勢(shì)基本相同從2 m/s 逐漸下降到0 m/s，然后保持基本不變。結(jié)合圖4（a）可知，這種現(xiàn)象是由于煙氣主流進(jìn)入過(guò)濾箱體時(shí)被分為上下兩部分，處于1/2 高度上的氣流速度驟減造成的。

3.4 濾袋表面平均過(guò)濾風(fēng)速

圖9 給出了濾袋表面截面（X=3.65 m、4.25 m、5.25 m、5.85 m）處的氣流速度分布云圖。由圖9（a）～（d）中可以看出，濾袋邊緣處的過(guò)濾氣流速度較高，最大氣流速度達(dá)到1.8 m/min，但相對(duì)而言占比較小，選取的四個(gè)截面的面平均實(shí)際過(guò)濾風(fēng)速分別為0.691 m/min，0.690 m/min，0.692 m/min 和0.690 m/min，均為較理想的過(guò)濾風(fēng)速。

圖9 濾袋表面過(guò)濾氣流速度分布云圖

3.5 新型袋式除塵器的運(yùn)行阻力

圖10 給出了新型袋式除塵器全壓（皮托管壓力）分布圖。從圖10 中可以看出，新型袋式除塵器進(jìn)出口全壓差可計(jì)算得出除塵器整體的阻力損失為260 Pa，此結(jié)果為濾料為全新濾料（沒(méi)有粉塵層包裹）清潔氣體時(shí)的阻力損失。

圖10 除塵器全壓分布圖

4 結(jié)論

本文對(duì)傳統(tǒng)袋式除塵器過(guò)濾箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)上改變，設(shè)計(jì)出一種新型直流式模塊化袋式除塵器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單條濾袋到整個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室的關(guān)閉，在出現(xiàn)濾袋破損時(shí)，可實(shí)現(xiàn)破損濾袋離線而不影響整體運(yùn)行，很大程度上提高袋式除塵器運(yùn)行穩(wěn)定性，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。并且，利用CFD 數(shù)值模擬的方式對(duì)該種袋式除塵器進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）該種袋式除塵器氣流分配均勻性較好，各過(guò)濾倉(cāng)室氣體流量分配偏差最大值為-4.65%，均值方根為0.043，根據(jù)美國(guó)RMS 標(biāo)準(zhǔn)氣流分布達(dá)到了優(yōu)秀。

2）濾袋表面平均實(shí)際過(guò)濾風(fēng)速在0.69 m/min 能有利于提高除塵效率，實(shí)現(xiàn)更低顆粒物的排放濃度。

3）直通式的箱體結(jié)構(gòu)可有效降低運(yùn)行阻力，該新型袋式除塵器整體阻力損失（沒(méi)有粉塵層包裹）相對(duì)較低約為260 Pa，有利于除塵器運(yùn)行節(jié)能。