張廣朋, 袁竹林

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京 210096)

袋式除塵器是利用有機(jī)纖維和無機(jī)纖維編織物制作的袋式過濾元件將含塵氣體中固體顆粒物濾出的高效干式除塵設(shè)備,它用于捕集非黏結(jié)性、非纖維性的工業(yè)粉塵,具有除塵效率高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及可處理高濃度的含煙塵氣等優(yōu)點(diǎn)[1].袋室是袋式除塵器的執(zhí)行部分,袋室內(nèi)的氣流分布是決定除塵器工作性能和使用壽命的關(guān)鍵因素[2-3].氣流不均易造成袋室內(nèi)某個(gè)位置的布袋或布袋的某個(gè)位置破損,而其他位置的布袋在除塵過程中所起的作用較小.袋式除塵器內(nèi)氣流分布比較復(fù)雜,不容易進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,對(duì)袋式除塵器氣流均勻性的研究主要是使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析.近年來,各國(guó)學(xué)者在這方面進(jìn)行了許多研究,Vladimir A等對(duì)Fluent軟件提供的多相流模型進(jìn)行了綜合比較,指出3種多相流模型(VOF,Mixture,Eulerian)模擬旋風(fēng)除塵器流場(chǎng)所需的條件[4].金穎等運(yùn)用Fluent軟件模擬計(jì)算了小尺寸下的簡(jiǎn)單煙氣擴(kuò)散規(guī)律,證明了該軟件模擬煙氣擴(kuò)散問題的可行性.黨小慶等利用CFD方法對(duì)箱體流量分配和氣流分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,給出了實(shí)現(xiàn)箱體流量合理分配的氣流分布板結(jié)構(gòu)的調(diào)整方法和參數(shù),發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果較吻合[5].筆者利用Fluent軟件對(duì)改造前后袋室內(nèi)的氣流分布情況進(jìn)行了對(duì)比分析,得到了改善氣流分布的方案.

1 數(shù)值模擬平臺(tái)的建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

研究用除塵器為下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器,分為上箱體、灰斗(下箱體)、進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口等部分[6].為了盡可能提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,物理模型按除塵器實(shí)際尺寸建立.模型的基本參數(shù)如下:上箱體為長(zhǎng)方體形,長(zhǎng)為 6000 mm、寬為 6000 mm、高為14600 mm,灰斗為高4400 mm的倒四棱錐臺(tái),底面尺寸為400 mm×400 mm,灰斗側(cè)面與水平面的夾角為60°,進(jìn)風(fēng)管位于灰斗底面中心偏上位置,其中心線距底面3250 mm,進(jìn)口尺寸為2700 mm×1600 mm,排風(fēng)管位于上箱體頂部,排氣口尺寸為5800 mm×1700 mm.該除塵器單元室過濾風(fēng)量為104298 m3/h.簡(jiǎn)化后的除塵器單元結(jié)構(gòu)示于圖1.

圖1 簡(jiǎn)化后的袋式除塵器結(jié)構(gòu)Fig.1 Simplified structure of the bag filter

利用Gambit軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格,采用有限體積法對(duì)方程計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散[7].采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格:進(jìn)風(fēng)管、排風(fēng)管、上箱體及布袋區(qū)采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格；四棱錐臺(tái)形的灰斗采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格.根據(jù)除塵器內(nèi)氣流速度梯度的變化,對(duì)流動(dòng)和固定邊界條件復(fù)雜的區(qū)域增加了網(wǎng)格密度,以提高數(shù)值模擬結(jié)果的精確性.模擬區(qū)域所劃分的總網(wǎng)格數(shù)約為106萬.

1.2 數(shù)學(xué)模型

除塵器袋室內(nèi)部流場(chǎng)是復(fù)雜的三維湍流流場(chǎng),為方便計(jì)算,假定流體是等溫不可壓縮、作定長(zhǎng)流動(dòng),模擬計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型[8].控制方程為:

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

式中:p為靜壓；Fi為包含了其他模型的相關(guān)源項(xiàng),如多孔介質(zhì)和自定義源項(xiàng)；τ為應(yīng)力張量.

湍動(dòng)能k方程

耗散率ε方程

式中:Sk和Sε是用戶自定義的源項(xiàng)；Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε和C3ε均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù) ,C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09；σk和σε分別是與湍動(dòng)能k 和耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù),σk=1.0,σε=1.3.

1.3 數(shù)值計(jì)算方法和邊界條件

利用Fluent軟件模擬袋式除塵器單元內(nèi)流場(chǎng)的分布,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型、穩(wěn)態(tài)3D分離隱式解算器,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,對(duì)流項(xiàng)選取二階迎風(fēng)離散格式,在近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法.

本模型流體采用150℃時(shí)的空氣,密度為0.865 kg/m3,運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)為2.717×10-5m2/s,除塵器進(jìn)口管道斷面采用速度進(jìn)口邊界條件,假定進(jìn)風(fēng)口的速度均勻,則由除塵器的處理風(fēng)量可確定入口速度為6.7 m/s.出口管道斷面采用壓力出口邊界條件,靜壓取值為0 Pa,各壁面均設(shè)為無滑移壁面.在入口和出口邊界流域的流動(dòng),需要制定輸運(yùn)標(biāo)量的值.在湍流指定方法(Turbulence Specification Method)中,選擇 Intensity and Hydraulic Diameter以設(shè)定湍流強(qiáng)度(Turbulence Intensity)和水力直徑φ(Hydraulic Diameter).本文中入口和出口的湍流強(qiáng)度選取10%,入口水力直徑為2.009 m,出口水力直徑為2.629 m.

2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖2為原型中除塵器不同截面的速度分布.由圖2(a)可知,在原型中,煙氣以6.7 m/s的速度經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入除塵器的灰斗部分,由于灰斗中緊湊地布置著19塊按一定傾斜角度排列的導(dǎo)流板,因此阻力較大,當(dāng)氣流遇到導(dǎo)流板時(shí),小部分氣流在導(dǎo)流板的作用下經(jīng)過導(dǎo)流板之間的空隙流入袋室,而大部分氣流則繞過導(dǎo)流板向下方空間流動(dòng),直到灰斗后壁面.然后,一部分氣流沿后墻體高速上升,流體主要集中在袋室后部,這會(huì)造成附近濾袋負(fù)荷過大,導(dǎo)致后端的濾袋容易破損；另一部分氣流沿灰斗后壁面向下流動(dòng),并在灰斗內(nèi)形成較大的渦流,沿灰斗前壁面上升,可能會(huì)將已經(jīng)沉積的粉塵吹起來,形成二次揚(yáng)塵,并被氣流重新帶回到袋室,這樣不僅加重了濾袋的負(fù)荷,而且也增大了除塵器內(nèi)部的流動(dòng)阻力.

圖2 原型中除塵器不同截面的速度分布Fig.2 Velocity distribution of different sections in prototype of the dust collector

從圖2(b)可以看出,除塵器袋室內(nèi)的流場(chǎng)關(guān)于其中心對(duì)稱面(y=0)基本上呈對(duì)稱分布,而流場(chǎng)分布的不均勻性主要體現(xiàn)在除塵器的前后兩端.由以上模擬結(jié)果可知,袋室后部的最大風(fēng)速已經(jīng)超過5 m/s,不能滿足袋式除塵器過濾速度的要求[9],因此需對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造并優(yōu)化內(nèi)部流場(chǎng),以確保除塵器的穩(wěn)定運(yùn)行.

3 除塵器改進(jìn)模型及模擬結(jié)果

3.1 除塵器改進(jìn)方法

通過對(duì)除塵器原型的模擬可以看出,灰斗內(nèi)的19塊導(dǎo)流板不但未起到導(dǎo)流的作用,而且使灰斗產(chǎn)生較大渦流,影響粉塵顆粒的沉降,故將其拆除.同時(shí),考慮除塵器進(jìn)口風(fēng)速較高,易形成射流,因此在除塵器上箱體的底部增加一個(gè)矩形進(jìn)風(fēng)口,其中心線距上箱體底面為1100 mm,尺寸為5000 mm×1800 mm.為了使煙氣均勻分布,同時(shí)考慮工程的實(shí)際操作,在新增進(jìn)風(fēng)口截面處添加4塊導(dǎo)流板(圖3).各導(dǎo)流板尺寸相同,均為5000 mm×250 mm.4塊導(dǎo)流板在新增進(jìn)風(fēng)口截面處按一定傾斜角度自上而下依次等距排開,第1塊導(dǎo)流板距進(jìn)風(fēng)口上端面為360 mm,導(dǎo)流板間距為360 mm,導(dǎo)流板與入口中心線的夾角為30°.

圖3 改進(jìn)后入口與導(dǎo)流板示意圖Fig.3 Schematic of entrance and guide plates after improvement

3.2 改進(jìn)后模型的流場(chǎng)分布

為了便于分析和比較,改進(jìn)后模型的模擬計(jì)算分別通過增加進(jìn)風(fēng)口和增加進(jìn)風(fēng)口并添加導(dǎo)流板兩步來實(shí)現(xiàn).在計(jì)算過程中,除塵器單元室的過濾風(fēng)量保持不變,總風(fēng)量按照進(jìn)口截面的面積比分配到2個(gè)進(jìn)風(fēng)口,進(jìn)風(fēng)口速度為2.173 m/s.改進(jìn)后除塵器流場(chǎng)的分布示于圖4.

從圖4可以看出,除塵器增加一個(gè)進(jìn)風(fēng)口可以將原型中的高速氣流進(jìn)行分流,分流后的氣流速度相對(duì)較小,氣流進(jìn)入袋室后不會(huì)對(duì)濾袋帶來嚴(yán)重沖刷,并且除塵器內(nèi)氣流的分布也有所改善.由于氣流被分流,經(jīng)灰斗側(cè)端入口進(jìn)入除塵器的風(fēng)量大大減少,氣流速度也降低到不足原來的1/3,氣流對(duì)灰斗后墻體的沖擊變小.拆除除塵器灰斗內(nèi)的導(dǎo)流板,減小了氣流的流通阻力,氣流在進(jìn)入灰斗后,其流動(dòng)方向向上發(fā)生偏轉(zhuǎn),流向較為寬闊的袋室空間,灰斗內(nèi)氣流速度很低,有效地避免了由渦流引起的二次揚(yáng)塵現(xiàn)象,從而減輕了濾袋的負(fù)荷.圖4的模擬結(jié)果顯示,除塵器袋室內(nèi)的氣流速度均小于2.5 m/s,基本可以滿足袋式除塵器過濾速度的要求.通過與圖2對(duì)比,發(fā)現(xiàn)增加進(jìn)風(fēng)口后,袋室內(nèi)的回流區(qū)域減小,氣流速度降低,氣流分布得到很大改善,但從z軸截面圖可看出,袋室前后兩部分的氣流分布仍不理想.

圖4 未加導(dǎo)流板時(shí)除塵器不同截面的速度分布Fig.4 Velocity distribution at different sections of the dust collector without guide plates

圖5為增加進(jìn)風(fēng)口并添加導(dǎo)流板時(shí)除塵器不同截面的速度分布結(jié)果.由圖5可以看出,在進(jìn)風(fēng)口截面添加導(dǎo)流板后,除塵器袋室內(nèi)的回流區(qū)域進(jìn)一步縮小,流場(chǎng)也更趨于均勻,尤其是袋室前后兩部分的氣流分布有了明顯的改善.

圖5 添加導(dǎo)流板時(shí)除塵器不同截面的速度分布Fig.5 Velocity distribution at different sections of the dust collecto r with guide plates

此外,為了能更加直觀地顯示袋式除塵器改進(jìn)后流場(chǎng)的改善程度,在袋室內(nèi)不同位置取面積相等的截面,分別計(jì)算這些截面改進(jìn)前后的平均速度,結(jié)果示于圖6和圖7.

圖6 改進(jìn)前后 x方向不同截面的平均速度分布Fig.6 A verage velocity distribution of different sections along x direction befo re and after improvement

圖7 改進(jìn)前后y方向上不同截面的平均速度分布Fig.7 Average velocity distribution of different sections along y direction before and after improvement

從圖6可以看出,在原型中,袋室內(nèi)沿x軸方向各截面平均速度的波動(dòng)范圍比較大,靠近袋室后壁面的截面平均速度均達(dá)到2.5 m/s,導(dǎo)致局部濾袋負(fù)荷過大,甚至有的濾袋不能充分發(fā)揮其過濾除塵作用.增加進(jìn)風(fēng)口并添加導(dǎo)流板后,袋室各截面的平均風(fēng)速降低,在一定程度上改善了袋室內(nèi)氣流速度前低后高的不均分布.

從圖7可以看出,改進(jìn)前后,袋室內(nèi)的氣流分布關(guān)于y=0平面都是基本對(duì)稱的.在原型中,各截面的平均速度波動(dòng)較大,y=0截面的氣流平均速度最大,并向左右兩側(cè)依次遞減.改進(jìn)后,截面的最大平均風(fēng)速出現(xiàn)在左右兩側(cè),各截面的平均速度曲線趨于平緩,氣流分布沿y軸方向基本均勻.

4 結(jié) 論

(1)在原型中,氣流在緊湊導(dǎo)流板的作用下高速?zèng)_刷灰斗墻體,一部分氣流在灰斗內(nèi)流動(dòng)形成回流,使沉積的粉塵再次卷入氣流進(jìn)入袋室,從而加重了濾袋負(fù)荷；另一部分氣流沿除塵器后墻體高速上升,沖刷濾袋,造成袋室后端的濾袋容易破損.

(2)未加導(dǎo)流板時(shí),增加一個(gè)進(jìn)氣口后,氣流速度降低,袋室內(nèi)的流場(chǎng)有所改善,但在進(jìn)口處會(huì)產(chǎn)生射流,部分氣流沿濾室墻體上升,在袋室內(nèi)部流動(dòng),形成了回流特征,速度場(chǎng)形成前端低、后端高的不均勻分布,造成箱體后端局部負(fù)荷較大.

(3)在新增進(jìn)口處添加導(dǎo)流板,可以對(duì)除塵器入口處的射流分流,使袋室內(nèi)氣流分布更均勻,有效減少對(duì)部分濾袋的集中沖擊,從而提高了濾袋的使用壽命及除塵效率.

(4)采用計(jì)算機(jī)模擬方法能夠很好地反映出除塵器內(nèi)部氣流的流動(dòng)狀況,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).

[1] 李少華,王坤玉,格日勒,等.袋式除塵器氣流分布均勻性的數(shù)值模擬[J].電站系統(tǒng)工程,2009,25(2):17-18,31.LI Shaohua,WANG Kunyu,GE Rile,et al.Numerical simulation of air distribution uniformity in bag-type filter[J].Power SystemEngineering,2009,25(2):17-18,31.

[2] 劉練波,許世森.靜電布袋復(fù)合除塵器的試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程,2007,27(1):103-106.LIU Lianbo,XU Shisen.Experimental study of hybrid electrostatic-bag type dust collector[J].Journal of Power Engineering,2007,27(1):103-106.

[3] 楊侖,謝一華.氣力輸送工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:290-296.

[4] IVANOV VladimirA,SARASOLA FrancisecJ,VASQUEZ Sergio.A multiphase mixture model applied to cyclone separators and bubble columns[J].Pressure Vessels and Piping Division,1999,397(1):317-324.

[5] 黨小慶,高蕊芳,馬廣大,等.直通式袋室除塵器氣流分布數(shù)值分析[J].環(huán)境工程,2007,25(4):38-40.DANG Xiaoqing,GAO Ruifang,MA Guangda,et al.Numerical analysis and experimental study on gas flow distribution of straight-through flow baghouse[J].Environmental Engineering,2007,25(4):38-40.

[6] 侯文龍,胡滿銀.內(nèi)濾式袋室除塵器中氣流分布特性的研究[J].熱力發(fā)電,2008,37(11):44-48.HOU Wenlong,HU Manyin.Study on distribution behavior of gas flow in the inwarding bag type dust collector[J].Thermal Power Generation,2008,37(11):44-48.

[7] 蔡桂英,袁竹林.用離散顆粒數(shù)值模擬對(duì)陶瓷過濾器過濾特性的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(12):203-207.CAI Guiying,YUAN Zhulin.A study on the filtration performance of ceramic filter by numerical simulation[J].Proceedings of the CSEE,2003,23(12):203-207.

[8] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[9] 江得厚,郝黨強(qiáng),王勤.燃煤電廠袋式除塵器發(fā)展趨勢(shì)及運(yùn)行壽命的影響因素[J].中國(guó)電力,2008,41(5):86-91.JIANG Dehou,HAO Dangqiang,WANG qin.Development trend of bag filter in coal-fired power plants and influencing factors on the service life[J].Electric Power,2008,41(5):86-91.