方 蕓 李 雲(yún) 郎景偉

（浙江藍(lán)天求是環(huán)保集團(tuán)有限公司浙江杭州 310012）

布袋除塵器是近年來發(fā)展起來的一種高效除塵裝置，除塵效率不僅與濾料本身性能有關(guān)，還與其內(nèi)部流場相關(guān)。布袋除塵器的內(nèi)部流場是復(fù)雜的三維流場，流場分布的均勻性無法通過計(jì)算獲知；在實(shí)際設(shè)計(jì)中，除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)一般通過經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定，存在盲目性。近年來，隨著流體動力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT的出現(xiàn)和應(yīng)用，逐步采用數(shù)值模擬方法研究除塵器內(nèi)部煙氣流動規(guī)律，大大減少物理實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。通過FLUENT數(shù)值模擬可優(yōu)化除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便得到更均勻的流場分布，為布袋除塵器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。本文利用FLUENT對某工程1×410 t/h鍋爐的布袋除塵器進(jìn)行三維流場的數(shù)值模擬，考察整個(gè)除塵系統(tǒng)的煙氣流量分配、速度及壓力的內(nèi)部分布規(guī)律，以期為除塵器中導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)，進(jìn)而優(yōu)化除塵器內(nèi)部流場。

1 計(jì)算模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬分析的對象為1×410 t/h鍋爐的布袋除塵系統(tǒng)，布袋除塵器設(shè)計(jì)壓力小于1300 Pa，設(shè)計(jì)溫度為200℃，除塵效率大于99.9%。該系統(tǒng)為三室六單元的左右對稱結(jié)構(gòu)，共用一個(gè)入口煙道和出口煙道，出口、入口煙道由風(fēng)道隔板隔成上、下兩個(gè)獨(dú)立的通道。除塵室單元左右對稱，故選取除塵器的左部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，示意圖見圖1 ，箭頭為煙氣流動方向。

在煙道入口處設(shè)置一組導(dǎo)流板，使煙氣均勻分布到各個(gè)除塵室入口。在除塵室入口與布袋束之間設(shè)置擋板，避免煙氣直接沖擊布袋造成入口處布袋負(fù)荷過重，而其余部位布袋負(fù)荷過輕的現(xiàn)象，盡可能使速度場分布均勻。設(shè)計(jì)中，擋板上部一般高出除塵室入口一段距離，擋板下部比布袋底部長一段距離，但是不進(jìn)入灰斗部分。

劃分網(wǎng)格時(shí)，為了減少網(wǎng)格數(shù)量并盡可能劃分出規(guī)則網(wǎng)格，根據(jù)流場特性和幾何形狀的復(fù)雜程度，采用split命令將模型分割為多個(gè)塊，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格數(shù)量約為110萬個(gè)。

圖1 除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 假設(shè)條件

布袋除塵器內(nèi)部流場復(fù)雜，建模時(shí)作以下假設(shè)：1）假設(shè)流體作定常流動；2）整個(gè)流動過程為等溫過程；3)濾袋為張緊的圓柱體，在工作過程中無變形；4）假定流體為不可壓縮。

1.3 物理模型

燃煤煙氣中固體粉塵的體積分?jǐn)?shù)很小（小于0.1%），而且其直徑較小，因此這些粉塵的跟隨性較強(qiáng)，對氣相流動的影響基本可以忽略，故采用單一氣相模型即可較真實(shí)的反映煙氣流動及分布狀況，并且節(jié)約計(jì)算資源。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。

1.4 邊界條件

布袋除塵器邊界條件設(shè)置如下：煙氣進(jìn)口速度為14 m/s，溫度為140℃；布袋厚度2 mm，設(shè)置為多孔介質(zhì)模型；擋板和花板設(shè)置為壁面，流體不能穿過，只能繞流。

1.5 模擬方案

依次設(shè)定工況1（不加設(shè)任何導(dǎo)流板）和工況2（在煙道入口處設(shè)置導(dǎo)流板、在除塵室入口處設(shè)置擋板），通過調(diào)整工況2中導(dǎo)流板和擋板的位置、高度、角度等，對不同的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，確定最終的布置方案，以便為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 結(jié)果及分析

2.1 速度分布

通過Fluent后處理計(jì)算得到各除塵室的入口質(zhì)量流率：（1）無導(dǎo)流板的工況依次為 29.36 kg/s、30.27 kg/s和 30.02 kg/s；（2）添加擋板和導(dǎo)流板的工況依次為：29.84 kg/s、29.87 kg/s、29.93 kg/s。從質(zhì)量流率的計(jì)算結(jié)果可知，煙道入口導(dǎo)流板的布置對煙氣在各除塵室之間的分布有明顯的改善。煙氣通過入口處導(dǎo)流板的導(dǎo)流和再分配，在各個(gè)除塵室之間均勻分布。

2.2 流場分布

圖2 -1為單個(gè)除塵室內(nèi)氣體流場軌跡分布圖。由圖可見，除塵室入口沒有擋板時(shí)，氣流進(jìn)入除塵室后以較快的流速沖擊入口正對面的布袋和灰斗底部，并且分布很不均勻。氣流主要集中在除塵室入口及其正對面區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)跡線分布密集，且氣體流速較大，造成布袋負(fù)荷不均勻，易損壞；氣流直接沖擊灰斗底部，對已經(jīng)落入灰斗的粉塵可能因此重新進(jìn)入集塵箱，增加布袋除塵器的整體負(fù)荷，影響其效率和能耗。然而，在除塵室入口合理布置擋板后，上述現(xiàn)象得到明顯改善。氣流進(jìn)入除塵室后不會直接沖擊布袋和灰斗，且在除塵室內(nèi)分布較均勻，大大降低布袋的磨損和除塵器的能耗，提高布袋的使用壽命。

圖2-1 單個(gè)除塵室跡線分布圖

2.3 壓力分布

圖2 -2為除塵室內(nèi)部截面的氣體壓力分布圖，圖中壓力值以出口面處壓力值為0計(jì)算所得的相對壓力大小，系統(tǒng)總壓降約為1300 Pa。由圖可見，除塵器的壓力損失主要集中在布袋過濾處，這與實(shí)際情況相符；因布袋阻力大，煙氣遇到布袋后只有很少一部分能夠穿過布袋，大部分的煙氣則沿布袋邊壁向上，直到花板處。比較兩工況可知，添加擋板和導(dǎo)流板后，布袋的壓力損失從底部開始均勻分布，這表明布袋的底部過濾作用明顯，并且布袋負(fù)荷均勻分布。因此，添加擋板和導(dǎo)流板能夠優(yōu)化氣流分布。

圖2-2 除塵室內(nèi)截面壓力分布圖

3 結(jié)論

在常規(guī)的邊界條件下，研究了擋板和導(dǎo)流板對氣流分布特性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在煙道入口處設(shè)置導(dǎo)流板，使氣流在各個(gè)除塵室之間較均勻分布；

（2）在除塵室入口處設(shè)置擋板，避免氣流直接沖擊布袋，提高布袋使用壽命；并且使得氣流在除塵室內(nèi)均勻分布，提高除塵效率。

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