張彥婷

Zhang Yanting

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 北京 100097）

(Datang Environment Industry Group Co.,Ltd,Beijing,100097)

直通式布袋除塵器氣流均布的數(shù)值研究

張彥婷

Zhang Yanting

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 北京 100097）

(Datang Environment Industry Group Co.,Ltd,Beijing,100097)

本文利用CFD軟件對(duì)直通式布袋除塵器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，在袋區(qū)增加導(dǎo)流裝置后不僅使進(jìn)入布袋區(qū)域的平均速度減小，同時(shí)使進(jìn)入各袋室的流量偏差減小，為直通式布袋除塵器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了依據(jù)。

直通式布袋除塵器；數(shù)值模擬；槽形板

1 前言

工業(yè)的高速發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，國(guó)家及各地逐漸對(duì)煙氣顆粒污染物做出細(xì)致和強(qiáng)制性的要求，特別是排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越高，對(duì)除塵設(shè)備的性能也提出了更高的要求，布袋除塵器具有高除塵效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、維修方便等優(yōu)點(diǎn),是一種除塵性能優(yōu)異、能滿足當(dāng)前《環(huán)境保護(hù)法》嚴(yán)格要求的、值得信賴的除塵設(shè)備。

直通式布袋除塵器以其占地面積小、壓降低、維修部件少的特點(diǎn)在電廠得到了廣泛應(yīng)用，但除塵器內(nèi)煙氣流場(chǎng)分布不合理等因素，在其使用及大型化過(guò)程中仍然存在內(nèi)部件磨損、布袋局部破損和除塵效率降低等問(wèn)題，特別是直通式布袋除塵器，與常規(guī)布袋除塵器進(jìn)氣方式不同，對(duì)氣流均勻性分布要求更高。所以，在布袋除塵器設(shè)計(jì)前，可利用數(shù)值模擬的方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。本文以發(fā)電廠350MW機(jī)組直通式布袋除塵器為例，利用CFD對(duì)除塵器設(shè)備進(jìn)行1:1建模計(jì)算，對(duì)增加導(dǎo)流裝置前后的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇最佳的導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)，用于除塵器設(shè)備的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 模型建立及邊界條件設(shè)置

2.1 物理模型

350MW機(jī)組鍋爐配置兩臺(tái)除塵器，每臺(tái)除塵器型號(hào)為雙列三室結(jié)構(gòu)，平進(jìn)平出，不設(shè)中間煙道。進(jìn)口喇叭內(nèi)布置兩層孔板，出口位于凈氣室一側(cè)，與凈氣室聯(lián)通，除塵器頂部不再設(shè)置出口煙道。除塵器外形圖如圖1主視圖和圖2側(cè)視圖所示。

圖1 除塵器主視圖

圖2 除塵器側(cè)視圖

2.2 軟件介紹

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamic,CFD）是用數(shù)值方法在計(jì)算機(jī)中對(duì)流體力學(xué)的控制方程進(jìn)行求解，從而可預(yù)測(cè)流場(chǎng)的流動(dòng)。計(jì)算流體力學(xué)在最近20年得到了飛速的發(fā)展，其計(jì)算方法和理論模型及技術(shù)不斷完善和豐富，并在科研和工程應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠突破實(shí)驗(yàn)環(huán)境的空間與參數(shù)限制，經(jīng)濟(jì)高效的解決實(shí)際問(wèn)題。

2.3 三維建模及網(wǎng)格劃分

除塵器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格越多占用計(jì)算機(jī)空間較多，為使計(jì)算結(jié)果更精確，選用較小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，所以在計(jì)算機(jī)空間一定的情況下，選用一臺(tái)除塵器的單列進(jìn)行三維建模。建模范圍包括進(jìn)口喇叭及孔板、殼體、灰斗、凈氣室、除塵器出口以及所有濾袋。進(jìn)口喇叭內(nèi)部均流孔板全部按實(shí)際布置來(lái)進(jìn)行建模，沒(méi)有采用多孔介質(zhì)模型，目的在于更接近于真實(shí)值。除塵器本體采用混合網(wǎng)格劃分，由于進(jìn)口喇叭內(nèi)包含孔板，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其它區(qū)域均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最差整體網(wǎng)格質(zhì)量0.3，滿足計(jì)算模擬要求。三維建模圖如圖3～4。

圖3 進(jìn)口喇叭及孔板建模圖

圖4 除塵器網(wǎng)格圖

2.4 邊界條件設(shè)置

每臺(tái)爐煙氣量為1950000m3/h，每臺(tái)爐配備兩臺(tái)除塵器，因此每臺(tái)除塵器的處理煙氣量為975000m3/h，則單列除塵器處理風(fēng)量487500m3/h，單列除塵器濾袋數(shù)量2160條，規(guī)格為Φ160x8350mm，過(guò)濾面積為9066m2，則過(guò)濾風(fēng)速約為0.9m/min。

喇叭進(jìn)口斷面的當(dāng)量水力直徑D：D=2ab/(a＋b)=3.23 m，其中 a=3m，b=3.5m

經(jīng)過(guò)核算除塵器內(nèi)雷諾數(shù)達(dá)到了106，可知內(nèi)部煙氣流動(dòng)屬于高湍流度湍流流動(dòng)，需要使用湍流模型進(jìn)行描述，由于除塵器內(nèi)存在旋轉(zhuǎn)、分離等現(xiàn)象，選用比k-e湍流模型更準(zhǔn)確的k-w，這種模型可以保持雷諾應(yīng)力與真實(shí)湍流一致，考慮湍流各向異性等，在計(jì)算強(qiáng)旋流、分離流和射流的擴(kuò)散速度時(shí)具有優(yōu)異表現(xiàn)。對(duì)流項(xiàng)的差分格式選用二階格式精度，并且在計(jì)算旋轉(zhuǎn)流動(dòng)時(shí)具有比一階格式更大準(zhǔn)確度。除塵器壁面采用無(wú)滑移壁面邊界條件，壁面邊界層湍流模型采用壁面函數(shù)法計(jì)算。除塵器進(jìn)口選用速度進(jìn)口，出口采用自由出流。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

常規(guī)布袋除塵器一般僅在進(jìn)口喇叭內(nèi)布置兩層均流孔板達(dá)到袋區(qū)的氣流均布，本文首先對(duì)只布置孔板的布袋除塵器進(jìn)行了模擬，存在局部風(fēng)速偏高、沖刷濾袋、各袋區(qū)流量偏差大的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上對(duì)均流孔板進(jìn)行改進(jìn)，在袋區(qū)增加導(dǎo)流裝置，使各袋區(qū)流量偏差小于5%，煙氣到濾袋的速度均小于1.2m/s，避免了煙氣對(duì)濾袋的沖刷。

為防止煙氣直接沖刷濾袋，使煙氣進(jìn)入袋區(qū)能充分?jǐn)U散，靠近進(jìn)氣口的第一袋區(qū)濾袋布置較少，濾袋到進(jìn)口喇叭出口留有一定空間。兩列除塵器中間頂部需要布置氣包，使得側(cè)部濾袋到壁板有一定距離。對(duì)布袋區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，對(duì)每一個(gè)區(qū)域的流量分布進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)各袋區(qū)的流量分配，計(jì)算各袋區(qū)的流量偏差。布袋區(qū)域分區(qū)圖如圖5所示。

圖5 布袋除塵器分區(qū)圖

3.1 原結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算

除塵器一般只在進(jìn)口喇叭內(nèi)布置兩層均流孔板，第一層孔板開(kāi)孔率35%，第二層孔板開(kāi)孔率45%。袋區(qū)各分區(qū)的流量偏差見(jiàn)表1。從表中數(shù)據(jù)看出，各布袋分區(qū)流量偏差較大，靠近進(jìn)口方向和出口方向的流量偏大，原因在于：1分區(qū)和2分區(qū)靠近煙氣進(jìn)口方向，一部分煙氣從正面直接沖到濾袋迎風(fēng)面；15分區(qū)和16分區(qū)處理煙氣量偏多是因?yàn)榇蟛糠譄煔鈴臑V袋下部直沖到除塵器后部袋區(qū)。

表1 袋區(qū)分區(qū)的流量偏差表（優(yōu)化前）

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)想

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)如下：

（1）原有均流孔板開(kāi)孔率不變，僅側(cè)切一段（袋區(qū)有通道一側(cè)），使更多的煙氣導(dǎo)流到布袋區(qū)域側(cè)面通道；

（2）在進(jìn)風(fēng)喇叭口出口迎風(fēng)面設(shè)置槽型板，避免來(lái)流方向流速過(guò)大對(duì)布袋造成沖擊；

（3）在側(cè)面1、3袋區(qū)和13、15袋區(qū)設(shè)置槽型板，避免高流速?zèng)_擊。

把原有均流孔板側(cè)部開(kāi)全孔的目的在于使更多的煙氣進(jìn)入袋區(qū)側(cè)部通道，減少濾袋下部的煙氣量；在布袋迎風(fēng)面和側(cè)部通道設(shè)置槽型板的目的是為了防止高流速的煙氣對(duì)布袋造成

圖6 槽形板布置三維視圖

直接沖刷，同時(shí)起到均流的作用。增加槽形板后的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

3.2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后各袋區(qū)的流量偏差見(jiàn)表2，和原有結(jié)構(gòu)相比，流量偏差降低很多，最大流量偏差小于5%，說(shuō)明各袋區(qū)流量分配均勻，符合布袋除塵器流量分配均勻的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 袋區(qū)分區(qū)的流量偏差表（優(yōu)化后）

結(jié)語(yǔ)

本文利用CFD軟件對(duì)某電廠350MW機(jī)組用直通式布袋除塵器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，原有結(jié)構(gòu)存在氣流分布不合理，部分袋區(qū)濾袋存在煙氣沖刷現(xiàn)象，導(dǎo)致局部阻力增大，濾袋使用壽命縮短，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)在喇叭出口和側(cè)面通道增加槽形板導(dǎo)流裝置后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示各袋區(qū)風(fēng)量較優(yōu)化前均勻，各袋區(qū)流量偏差＜5%,同時(shí)槽形板也防止煙氣直接沖刷前排和側(cè)部通道區(qū)濾袋。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足布袋除塵器氣流分布均勻的要求，可用于工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

[1]石增斌.布袋除塵器技術(shù)及其應(yīng)用.煤炭技術(shù).2006,25(1):123-125

[2]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.212.

[3]張滌宇.電解鋁煙氣布袋除塵器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬[D].武漢:華中科技大學(xué)，2009

[4]毛銳,劉根凡等.布袋除塵器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的數(shù)值模擬研究.環(huán)境工程.2014,77-81

Numerical Analysis and Study on Gas Flow Distribution of Straight-Through Flow Bag Filter

The article uses CFD to simulate the flow field inner bag filter,increases guiding device to make the average velocity into bag decrease,at the same time make the flow deviation of each bag area reduce,providing a basis for the improvement of the structure of the straightthrough flow bag filter.

Straight-through flow bag filter numerical simulation trough plate

張彥婷（1981-），女，碩士研究生，主要研究方向：布袋除塵器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。