袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

劉影,周天宇，李剛

（1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 前言

目前在我國(guó)，電力行業(yè)是消耗煤炭的最大部門，也是工業(yè)粉塵主要排放的部門。隨著我國(guó)環(huán)保力度的加大，對(duì)煙囪出口排放的濃度標(biāo)準(zhǔn)越來越高，袋式除塵器也是我國(guó)出現(xiàn)最早的除塵器種類之一，作為電力行業(yè)應(yīng)用最廣泛的除塵設(shè)備之一，對(duì)袋式除塵器進(jìn)行優(yōu)化改造，提高袋式除塵的除塵效率，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。其除塵效率不僅與濾袋的材質(zhì)、性能有關(guān)，還與除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)不均勻，容易破壞濾袋，阻力變高。本文通過流體力學(xué)軟件對(duì)除塵器的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，為袋式除塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 建立數(shù)值模型

1.1 袋式除塵器工作原理

當(dāng)含塵氣流從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后，有一部分的粉塵由于自重的原因落入灰斗中，還有一部分的氣體由于濾料纖維等作用被濾袋阻攔，附在濾袋表面。氣流的擾動(dòng)會(huì)使吸附在濾袋上的粉塵脫落。當(dāng)灰斗內(nèi)部粉塵積累到一定量的時(shí)候，會(huì)開啟泄壓閥，粉塵可以再次回收利用。

1.2 建立幾何模型與網(wǎng)格劃分

以某項(xiàng)目中袋式除塵器為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該除塵器主要由進(jìn)氣口、出氣口、除塵室、凈氣室、濾袋、灰斗等組成。進(jìn)氣口的截面為800 mm×400 mm的方形，排氣口為直徑250mm的圓形開孔，灰斗是倒四棱錐。除塵器中共有6條圓形濾袋，每條濾袋的直徑為200mm，長(zhǎng)度為1800mm。

圖1 袋式除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

網(wǎng)格的劃分是數(shù)值模擬的前提，好的網(wǎng)格質(zhì)量也對(duì)應(yīng)了更加準(zhǔn)確的結(jié)果。本文利用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證計(jì)算精度，應(yīng)盡可能減少網(wǎng)格的數(shù)量，并采用規(guī)則形狀的網(wǎng)格。建立模型時(shí)，只考慮袋式的進(jìn)口到天花板，不考慮其他部件對(duì)模擬效果的影響。濾袋屬性設(shè)為多孔介質(zhì)模型，根據(jù)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)及幾何模型的特征，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。袋式除塵器的有限元模型見圖2所示。

圖2 有限元模型

1.3 控制方程

本文將入口空氣看作為不可壓縮流體，利用FLUENT模擬軟件模擬袋式除塵器時(shí)，連續(xù)相計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型，具體的控制方程如下。

①連續(xù)性方程:

②動(dòng)量守恒方程：

③湍動(dòng)能方程：

④耗散率方程：

1.4 邊界條件

袋式除塵器是復(fù)雜的三維流場(chǎng)，本文采用的k－ε方程湍流模型，壓力－速度耦合采用SIMPLE算法，選取一階迎風(fēng)離散格式。濾袋采用多孔介質(zhì)模型，壓力滿足Darcy公式。具體邊界條件如下表所示。

邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果與分析

通過數(shù)值模擬的計(jì)算，獲得了袋式除塵器壓力，速度分布的云圖，利用后處理將云圖進(jìn)一步優(yōu)化，現(xiàn)采用ZX平面的速度云圖進(jìn)行分析。

2.1 初始模型結(jié)構(gòu)分析

從圖3（a）我們可以發(fā)現(xiàn)，粉塵通過入口進(jìn)入到袋式除塵器內(nèi)部后，由于空間范圍變大，粉塵向周圍擴(kuò)散。在擴(kuò)散的同時(shí)，粉塵以較大的速度對(duì)最右側(cè)的濾袋進(jìn)行了沖擊，從而對(duì)這部分區(qū)域的濾袋磨損更加嚴(yán)重，減少了袋式除塵器整體的使用壽命。圖3還可以看出粉塵進(jìn)入到袋式除塵器內(nèi)部后，入口速度過大之外，在灰斗處也有高速的氣流。可以看出灰斗近壁面處速度較大，容易造成二次揚(yáng)塵，影響除塵的效率，并且又不利于粉塵顆粒的收集，導(dǎo)致該除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的不均勻。

圖3（a） Y=0.95截面

從圖3可知，入口處氣流流速比較大，氣流間歇速度過大。正對(duì)入口截面的濾袋如圖3（b）所示，風(fēng)速比Y=1.47的截面的風(fēng)速更大，對(duì)濾袋的沖刷更嚴(yán)重。

圖3（b） Y=1.47截面

2.2 改變速度后結(jié)果分析

考慮到原結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的不均勻，通過改變邊界條件即進(jìn)氣速度，來對(duì)除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，三個(gè)速度分別為7m/s、8.5m/s、10m/s，如圖4所示。

當(dāng)入口進(jìn)氣速度增大到10 m/s時(shí)，數(shù)值模擬的流場(chǎng)速度云圖分布見圖4（b），與圖3以及圖4（a）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在除塵器內(nèi)部，氣流獲得了更大的水平方向速度，從第一排濾袋到第二排濾袋，氣流在整個(gè)區(qū)域內(nèi)更加均勻。

圖4（a） v=8.5m/s

圖4（b） v=10m/s

2.3 改變結(jié)構(gòu)后結(jié)果分析

在選取速度為10m/s的基礎(chǔ)上，對(duì)除塵器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，通過增加擋板進(jìn)行優(yōu)化，擋板的作用是為了避免入口處煙氣直接沖擊布袋造成入口處布袋負(fù)荷過重，而其他部分負(fù)荷太輕，目的就是讓流場(chǎng)更均勻。具體的流場(chǎng)圖見圖5所示。加入擋板后，氣流沿著壁面緩慢向下運(yùn)動(dòng)，速度也逐漸降低。進(jìn)入到布袋的流體速度也只有2m/s左右，對(duì)濾袋的沖擊也相對(duì)溫和一點(diǎn)，不會(huì)造成嚴(yán)重的磨損。加入擋板后，流場(chǎng)均勻性得到了改善，優(yōu)化后的流場(chǎng)可以減少二次揚(yáng)塵，減少粉塵氣流對(duì)濾袋的沖刷。

圖5 Y=0.95

3 結(jié)論

①我們能夠利用CFD-FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬袋式除塵器的內(nèi)部流場(chǎng)，探討內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性，能夠有效地反映出內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，為袋式除塵器氣流分布、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

②原始的袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布不均勻，當(dāng)含塵氣流進(jìn)入除塵器內(nèi)部時(shí)，對(duì)入口側(cè)的濾袋沖刷嚴(yán)重，濾袋的負(fù)荷過大，從而會(huì)對(duì)濾袋造成損壞，進(jìn)而減少使用壽命。遠(yuǎn)離入口側(cè)的部分濾袋得不到充分利用，會(huì)降低整個(gè)除塵器的除塵效率。

③通過改變進(jìn)氣速度，分別比較7m/s、8.5m/s、10m/s時(shí)候的流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)氣速度達(dá)到10m/s時(shí)，流體在水平方向上速度更大，提高了除塵效率。袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)會(huì)更加均勻。

④通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在入口處增加了擋板，使粉塵的擴(kuò)散方向發(fā)生了改變。大顆粒粉塵直接與擋板碰撞，順著擋板流入灰斗中，減少了對(duì)濾袋的沖刷，提高了除塵效率。