上進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器的流場優(yōu)化分析

董陽昊， 梁 珍， 沈恒根

(東華大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院; b.暖通空調(diào)研究所，上海 201620)

近年來，國家環(huán)保局大力整治并淘汰燃煤鍋爐，但現(xiàn)實(shí)情況是，部分農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)存在“氣、油、電”等使用不方便的問題，短期內(nèi)無法改變采用燃煤采暖的現(xiàn)狀。因此，通過技術(shù)創(chuàng)新提高燃煤爐具的環(huán)保性能是我國節(jié)能爐具可持續(xù)發(fā)展的新方向[1]。山東省兗礦集團(tuán)的散煤高效清潔項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種清潔爐具，利用解耦燃燒原理，通過燃燒生物質(zhì)燃料與清潔煤，實(shí)現(xiàn)了煤的高效清潔燃燒。本文研究搭配該清潔爐具使用的內(nèi)濾式袋式除塵器，以減少燃燒污染物排放，從而使該爐具的污染物排放達(dá)到“超低排放”的標(biāo)準(zhǔn)。清潔爐具燃燒產(chǎn)生的煙塵黏附性較大，質(zhì)量濃度高達(dá)230 mg/m3。粒徑分布為D10、D50、D90和D100的煙塵粒徑分別為0.305、17.200、63.800和209.000 μm，由此可見90%的顆粒物粒徑低于63.800 μm。研究發(fā)現(xiàn)，使用脈沖噴吹袋式除塵器難以清除濾袋表面的塵餅[2-3]。研究者[4-5]考慮采用機(jī)械振打袋式除塵器，搭配聚四氟乙烯(PTFE)內(nèi)表面覆膜的玻璃纖維濾袋，通過振動(dòng)清灰減少氣動(dòng)部件，從而降低成本并提高清灰效率。毛銳等[6]在袋式除塵器內(nèi)部增設(shè)一種新型混合式導(dǎo)流板，利用Fluent軟件對其流場進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，增設(shè)導(dǎo)流板可有效改進(jìn)除塵器內(nèi)部流場的均勻性。唐奇[7]基于Fluent軟件模擬上進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器的內(nèi)部流場，并對除塵器進(jìn)行氣固兩相的模擬計(jì)算，結(jié)果表明，上進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器可利用粉塵自重進(jìn)行沉降從而降低濾袋壓降。黃文杰[8]通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，貫通式袋式除塵器內(nèi)粒徑大于20 μm的粉塵在濾袋中心投射時(shí)可直接落入下方灰斗，當(dāng)粉塵粒徑大于40 μm時(shí)，沉降效率可達(dá)到較高水平，表明貫通式內(nèi)濾袋式除塵器雖結(jié)構(gòu)簡單，但過濾負(fù)荷較低，可有效清灰。

本文通過數(shù)值模擬研究不同進(jìn)、排氣口位置以及添加導(dǎo)流板對除塵器內(nèi)部流場的影響，分析不同結(jié)構(gòu)下除塵器內(nèi)部各濾袋的流量分配均勻性以及表面過濾風(fēng)速，對內(nèi)濾式袋式除塵器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以期提高氣流均勻性及過濾效率。

1 物理模型及數(shù)值模擬

1.1 模型建立

(a) 進(jìn)、排氣口同側(cè)分布的除塵器模型

(b) 濾袋編號

1.2 邊界條件設(shè)置

利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 16.0對袋式除塵器內(nèi)部的氣流組織進(jìn)行模擬。不考慮濾袋表面落灰對氣流組織的影響，將除塵器的進(jìn)氣口設(shè)為速度入口，入口風(fēng)速設(shè)為5.0 m/s，除塵器排氣口設(shè)為壓力出口，濾袋壁設(shè)為多孔跳躍邊界，其滲透率設(shè)為5×10-12m2，厚度為3 mm，其余部分均視為無滑移邊壁。在離散相模型中添加入口為顆粒噴射面，濾袋為捕捉邊界，出入口為逃逸邊界，其余壁面為反射邊界。

1.3 網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗(yàn)證

該除塵器模型的外形較為規(guī)則，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并運(yùn)用interface耦合連接[9-10]進(jìn)行拼接。建立不同結(jié)構(gòu)的除塵器模型并劃分網(wǎng)格后進(jìn)行對比模擬分析。由于除塵器內(nèi)氣體流動(dòng)屬于高雷諾數(shù)湍流，采用應(yīng)用廣泛、計(jì)算量適中且精度較高的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε型。模型中κ和ε對應(yīng)的輸運(yùn)方程[10]如式(1)～(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：下標(biāo)i、j代表空間直角坐標(biāo)系下的方向；Gκ為平均自由速度梯度引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)；C1、C2、Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σκ、σε分別為與湍動(dòng)能κ和耗散率ε對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；μt為湍流黏度。方程包含Cμ、C1、C2、σκ、σε5個(gè)可調(diào)整常數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型中Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σκ=1.0，σε=1.3。

為研究網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響，按100萬、200萬、300萬對進(jìn)、排氣口同側(cè)模型的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行劃分(見圖2(a))，并對比3種網(wǎng)格數(shù)量模型中心線上的氣流流速，結(jié)果如圖2(b)所示。由圖2可知，200萬網(wǎng)格模型的模擬準(zhǔn)確性較好，模擬速度較快，故采用200萬網(wǎng)格劃分方法對除塵器進(jìn)行模擬研究。

(a) 局部網(wǎng)格劃分

(b) 不同網(wǎng)格數(shù)下的氣流流速(無關(guān)性驗(yàn)證)

1.4 模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的可靠性，選取各個(gè)濾袋入口平面的平均風(fēng)速與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，計(jì)算得出模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均誤差為7.4%。再提取模型進(jìn)、排氣口平面的氣流平均流速、濾袋內(nèi)外的壓差與除塵器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。其中：模型的進(jìn)、排氣口平均流速分別為5.00和4.15 m/s，濾袋內(nèi)外平均壓降為222.58 Pa。使用煙氣流量儀測得實(shí)際進(jìn)、排氣口速度分別為5.50和4.20 m/s，使用壓差計(jì)測得上下箱體的壓降為227.00 Pa。計(jì)算得出，3項(xiàng)指標(biāo)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差依次為9.1%、 1.2%、 1.9%，表明模擬結(jié)果比較符合除塵器的實(shí)際運(yùn)行工況。

圖3 濾袋入口風(fēng)速模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3 Comparison of air velocity simulation and test results for filter bag inlet

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 流場分析

2.1.1 進(jìn)、排氣口位置分析

為分析不同進(jìn)氣口位置的袋式除塵器內(nèi)部氣流流動(dòng)情況，提取x=0.58 m處的速度云圖，如圖4所示。由圖4可知：當(dāng)進(jìn)、排氣口同側(cè)分布時(shí)，結(jié)合流線圖(見圖5(a))可知，除進(jìn)、排氣口對應(yīng)位置的濾袋外，其他濾袋只有少量氣流通過，出現(xiàn)“氣流短路”現(xiàn)象；當(dāng)進(jìn)、排氣口異側(cè)分布時(shí)，氣流流程較長，主氣流經(jīng)進(jìn)氣口流向排氣口時(shí)需經(jīng)過多個(gè)濾袋，可通過設(shè)置階梯濾料提高過濾效率；當(dāng)進(jìn)氣口位于中間時(shí)，靠近排氣口一端的濾袋流速和流量均偏大，氣流基本呈對稱分布，大部分濾袋均有氣流通過。此外，3種結(jié)構(gòu)除塵器的進(jìn)氣口氣流均以較大的流速通過濾袋，對除塵器內(nèi)部部分濾袋的沖刷較為嚴(yán)重，易導(dǎo)致濾袋的損壞，同時(shí)也會揚(yáng)起灰斗中的塵粒(即“二次揚(yáng)塵”)，降低除塵器的過濾效率。為減小進(jìn)氣口氣流流速，并加長除塵器內(nèi)部氣流的流程，本文擬在進(jìn)氣口下方添加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

針對絲黑穗病而言，如果要妥善加以防控則需要將農(nóng)作物種子拌于粉銹寧（25%）的藥劑中，確保摻入5%左右的藥劑來完成相應(yīng)的拌種處理。在某些情形下，技術(shù)人員如果察覺到黑穗病表現(xiàn)為蔓延趨向，那么針對整個(gè)植株都要予以拔除處理，最好能夠就地焚燒。及時(shí)察覺并且妥善處理黑穗病的舉措有助于防控黑穗病的后期擴(kuò)散。

(a) 進(jìn)、排氣口同側(cè)分布，不含導(dǎo)流板(case 1)

(b) 進(jìn)、排氣口異側(cè)分布，不含導(dǎo)流板(case 2)

2.1.2 添加導(dǎo)流板后結(jié)構(gòu)分析

在除塵器入口與濾袋之間添加一塊350 mm×350 mm的矩形鋼制導(dǎo)流板，以解決2.1.1節(jié)的問題。添加導(dǎo)流板后不同結(jié)構(gòu)的流線圖及速度云圖如圖5和6所示。

(a) 不含導(dǎo)流板，進(jìn)、排氣口同側(cè)分布

(b) 含導(dǎo)流板，進(jìn)、排氣口同側(cè)分布

(a) 含導(dǎo)流板，進(jìn)、排氣口同側(cè)分布(case 4)

(b) 含導(dǎo)流板，進(jìn)、排氣口異側(cè)分布(case 5)

(c) 含導(dǎo)流板，進(jìn)氣口位于中間(case 6)

未添加導(dǎo)流板時(shí)，除塵器內(nèi)部含塵氣流由進(jìn)氣口進(jìn)入上箱體后形成射流，使得部分濾袋內(nèi)部過濾風(fēng)速增大，過濾負(fù)荷加重，并且其他濾袋不能有效作用，同時(shí)氣流以較大流速沖擊下箱體灰斗的底板，形成的回流易造成“二次揚(yáng)塵”，降低過濾效率。添加導(dǎo)流板后：當(dāng)進(jìn)氣口位于上箱體中間時(shí)，除塵器內(nèi)部氣流因?qū)Я靼遄钃醯淖饔枚a(chǎn)生渦旋，導(dǎo)致氣流流向紊亂以及各濾袋氣流流量分配不均勻；當(dāng)進(jìn)、排氣口同側(cè)或異側(cè)分布時(shí)，添加導(dǎo)流板均可有效增加氣流的流程、降低含塵氣流的進(jìn)口流速，從而提高各濾袋內(nèi)部氣流流量的分配均勻性，同時(shí)減小氣流對濾袋的沖刷，避免“二次揚(yáng)塵”，提升過濾效率。

2.2 流量分配均勻性

流量分配系數(shù)是單個(gè)濾袋含塵氣體處理流量與所有濾袋含塵氣體平均處理流量的比值，是檢驗(yàn)袋式除塵器氣流組織均勻性的重要指標(biāo)[11]，按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：Ki為編號i=1， 2， 3， …，n濾袋的流量分配系數(shù)，其值越接近1，表明流量分配越均勻；Qi為編號i濾袋的含塵氣體處理流量，m3/s；Qm為平均含塵氣體的處理流量，m3/s。

設(shè)置濾袋入口平面為監(jiān)測面，通過模擬軟件計(jì)算得出該平面的平均氣體處理流量，從而計(jì)算不同結(jié)構(gòu)袋式除塵器中各濾袋的流量分配系數(shù)。由于該袋式除塵器模型前后對稱，F(xiàn)luent計(jì)算的結(jié)果也基本對稱。提取編號為1～6(第1排)、7～12(第2排)的濾袋進(jìn)行流量分配均勻性分析，結(jié)果如圖7所示。

(a) 第1排濾袋

(b) 第2排濾袋

由圖7可知，未添加導(dǎo)流板時(shí)：當(dāng)進(jìn)氣口位于上箱體中間時(shí)，濾袋8、 11流量分配系數(shù)約為1.0，其他濾袋間的流量分配系數(shù)差異較大；當(dāng)進(jìn)、排氣口同側(cè)分布時(shí)，只有10、 11、 12號濾袋的流量分配系數(shù)達(dá)到1.0，其他濾袋的流量分配系數(shù)均低于0.5；當(dāng)進(jìn)、排氣口異側(cè)分布時(shí)，只有7、 8、 9濾袋流量分配系數(shù)達(dá)到1.0；第1、2排濾袋的流量分配非常不均勻，流量分配系數(shù)Ki為0.03～4.55，氣流集中在進(jìn)氣口對應(yīng)位置的濾袋上，并且遠(yuǎn)離進(jìn)氣口的濾袋流量分配系數(shù)較小。添加導(dǎo)流板可有效提高遠(yuǎn)離進(jìn)氣口濾袋的流量分配系數(shù)：當(dāng)進(jìn)、排氣口同側(cè)分布時(shí)，第1排濾袋的流量分配系數(shù)可提高至1.0左右，導(dǎo)流板的遮擋雖避免了氣流短路，但導(dǎo)致第2排10、 11、 12濾袋的流量分配系數(shù)降至0.5以下；當(dāng)進(jìn)、排氣口異側(cè)分布時(shí)，各濾袋流量分配系數(shù)均在1.0左右，氣流分配最為均勻，此時(shí)流量分配系數(shù)為0.25～1.50；當(dāng)進(jìn)氣口位于上箱體中間時(shí)，即使有導(dǎo)流板，流量分配還是較為不均勻，導(dǎo)流板以下的3、 4、 8、 9、 10、 11濾袋流量分配系數(shù)接近0，而其他濾袋的流量分配系數(shù)接近2.0。

(5)

式中：N為濾袋個(gè)數(shù)。

根據(jù)式(5)計(jì)算得到不同結(jié)構(gòu)除塵器的綜合流量不均勻幅值，如表1所示。由表1可以看出，流量分配最均勻的是進(jìn)、排氣口異側(cè)分布且添加導(dǎo)流板的case 5，其次為進(jìn)、排氣口同側(cè)分布且添加導(dǎo)流板的case 4，流量分配最不均勻的為無導(dǎo)流板且進(jìn)、排氣口同側(cè)分布的case 1。由此可見，不同結(jié)構(gòu)的流量分配均勻性為case 5>case 4>case 6>case 3>case 2>case 1。

表1 綜合流量不均勻幅值

2.3 濾袋表面過濾風(fēng)速

為準(zhǔn)確分析濾袋表面風(fēng)速，將濾袋等面積分為4份，在每兩份相交的位置上設(shè)置1條監(jiān)測線[11-12]，以其中1個(gè)濾袋為例，濾袋表面監(jiān)測線劃分示意圖如圖8所示。

圖8 濾袋表面監(jiān)測線劃分示意圖Fig.8 Schematic diagram of surface monitor lines division of filter bag

濾袋表面的過濾風(fēng)速在處于較低水平時(shí)可有效加強(qiáng)過濾除塵效率，同時(shí)可減弱含塵氣流對濾袋的沖刷作用[12]。取編號1～6、 7～12的濾袋進(jìn)行表面過濾風(fēng)速分析，計(jì)算4條監(jiān)測線上的速度均值，6種不同結(jié)構(gòu)的袋式除塵機(jī)組表面平均過濾風(fēng)速如圖9所示。鑒于case 3的綜合流量分配不均且幅值比case 1和case 2大，case 6的濾袋表面過濾風(fēng)速方差較大，各濾袋間會因?yàn)檫^濾風(fēng)速不均導(dǎo)致除塵器的總體過濾效率偏低，故以下分析不再考慮case 3和case 6，提取case 1、 case 2、 case 4、 case 5中第2排濾袋即7～12號濾袋的表面過濾風(fēng)速進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。

由圖9可知，當(dāng)進(jìn)、排氣口異側(cè)分布時(shí)，最大過濾風(fēng)速為1.5 m/min，各個(gè)濾袋的過濾風(fēng)速較為接近，表面過濾風(fēng)速較小，其他不同進(jìn)氣口位置的除塵器表面過濾風(fēng)速稍大，其中7個(gè)濾袋的過濾風(fēng)速超過1.5 m/min，最大達(dá)到2.8 m/min，而進(jìn)、排氣口異側(cè)分布能夠降低濾袋的平均過濾風(fēng)速，有效提高除塵器內(nèi)部流量分配均勻性。由圖10可知：未添加導(dǎo)流板時(shí)，最大過濾風(fēng)速達(dá)到5.7 m/min，其出現(xiàn)在進(jìn)氣口對應(yīng)位置的濾袋上，且在濾袋的上半部分，易造成對濾袋的過度沖刷從而降低過濾效率，并且濾袋表面過濾速度整體隨高度增加呈先減后增的趨勢；添加導(dǎo)流板后，最大過濾風(fēng)速為3.8 m/min，濾袋表面過濾風(fēng)速呈遞減趨勢，氣流對濾袋的沖刷作用明顯減弱。

不同結(jié)構(gòu)除塵器的平均過濾風(fēng)速從小到大依次為case 4

(a) 第1排濾袋

(b) 第2排濾袋

(a) case 1

(b) case 2

(c) case 4

(d) case 5

3 內(nèi)濾式除塵器的應(yīng)用

綜合流量分配均勻性以及表面過濾風(fēng)速，含有導(dǎo)流板且進(jìn)、排氣口同側(cè)分布的除塵器平均表面過濾風(fēng)速較低并且穩(wěn)定在1 m/min左右，同時(shí)流量分配不均勻幅值較小。設(shè)計(jì)1∶1機(jī)型進(jìn)行應(yīng)用測試，測得入口煙氣質(zhì)量濃度為230 mg/m3時(shí)，煙氣排放質(zhì)量濃度為5 mg/m3，達(dá)到了國家“超低”排放的標(biāo)準(zhǔn)。過濾效率為97.8%，這是由于煙氣中含有部分細(xì)微顆粒(0.3 μm)。持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)備運(yùn)行阻力最大為1 300 Pa，振打清灰后可降至500 Pa。由此可見，這種結(jié)構(gòu)的袋式除塵器可有效降低由氣流二次返混造成的氣流不均以及過濾煙氣質(zhì)量濃度過高的問題。

4 結(jié) 論

(1) 利用上進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器處理含塵氣體方案較為合理，其過濾性能能夠達(dá)到要求，但是當(dāng)入口風(fēng)速過大容易對內(nèi)部濾袋造成比較嚴(yán)重的沖刷。

(2) 改變除塵器進(jìn)氣口位置能提高除塵器內(nèi)部氣流分配均勻性，進(jìn)、排氣口位于除塵器箱體異側(cè)表現(xiàn)最佳，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)及使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

(3) 添加導(dǎo)流板，可減小氣流短路帶來的影響，降低濾袋表面過濾風(fēng)速，從而減小氣流帶來的沖刷作用，同時(shí)可有效減小綜合流量不均勻幅值。

(4) 當(dāng)進(jìn)、排氣口同側(cè)分布且添加導(dǎo)流板時(shí)，上進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式除塵器內(nèi)部氣流組織評價(jià)較高，后續(xù)可考慮選用不同的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)以使除塵器內(nèi)部氣流組織更為均勻。