郝 歡 閆東杰 張仕鼎 黃學(xué)敏 羅應(yīng)博 高夢涵

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

基于數(shù)值模擬的電袋復(fù)合除塵器入口流速和管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

郝 歡 閆東杰#張仕鼎 黃學(xué)敏 羅應(yīng)博 高夢涵

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

利用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件對電袋復(fù)合除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改變氣流入口流速、調(diào)整電凝并區(qū)前水平管道長度和增設(shè)入口管道內(nèi)導(dǎo)流板等方法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，氣流入口流速對改善電袋復(fù)合除塵器的除塵效果影響不大，而入口管道增設(shè)導(dǎo)流板影響很大。當(dāng)氣流入口流速為18.00 m/s、電凝并區(qū)前水平管道長度為0.50 m、入口管道后一彎管處增設(shè)置3塊導(dǎo)流板時，電凝并區(qū)入口斷面、電除塵區(qū)入口斷面氣流分布均勻，相對均方根分別為0.17、0.14，渦流區(qū)域基本消失。

電袋復(fù)合除塵器 流速 管道結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬 氣流分布

近年來，霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，大氣顆粒物污染問題日益突出，研發(fā)新型除塵技術(shù)尤為重要。電袋復(fù)合除塵器作為新型除塵技術(shù)，將成為控制顆粒物的主要方法之一。電袋復(fù)合除塵器是一種基于電除塵和袋除塵兩種成熟的除塵理論而提出的一種除塵技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、除塵效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低等優(yōu)勢。影響電袋復(fù)合除塵器性能的因素很多[1]67，其中氣流分布是關(guān)鍵因素之一，而入口管道的結(jié)構(gòu)會直接影響煙塵在除塵器中的分布。特別是電袋復(fù)合除塵器管道結(jié)構(gòu)中存在直角彎管，造成管道內(nèi)電凝并區(qū)前存在嚴(yán)重積灰，使得電凝并器升壓困難，除塵效果不佳。因此，研究電袋復(fù)合除塵器管道結(jié)構(gòu)對改善氣流分布具有重要意義[2-3]。

物理實(shí)驗(yàn)方法[4-5]與數(shù)值模擬方法[6-9]是研究除塵器管道內(nèi)氣流分布的主要方法。數(shù)值模擬方法具有準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)、可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，其優(yōu)勢愈發(fā)明顯。陶克軒等[10]采用數(shù)值模擬方法分析除塵器入口管道內(nèi)氣流分布不均的原因，并對入口管道結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)改造，通過安裝管道分配室、改變導(dǎo)流板、安裝導(dǎo)灰板等措施達(dá)到灰量分布偏差由19.00%降到7.00%的效果。鄭民等[11]采用數(shù)值模擬方法對中原冶煉廠袋式除塵器的入口管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改造后除塵效果顯著提升。齊曉娟等[12]404采用數(shù)值模擬方法分析電除塵器入口管道內(nèi)氣流分布情況，多次改變管道內(nèi)導(dǎo)流板數(shù)量、位置和尺寸等參數(shù)，使得改造后管道內(nèi)流速偏差降到±2.00%以內(nèi)，氣流分布均勻。時培章等[13]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對氣流分布和管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，調(diào)整了入口管道喇叭內(nèi)的氣流分布板及導(dǎo)流板位置和尺寸、出口管道尺寸，使得除塵器內(nèi)氣流分布均勻性提高。GROVES等[14]采用數(shù)值模擬方法對電除塵器入口管道內(nèi)的氣流分布進(jìn)行研究與優(yōu)化，結(jié)果表明導(dǎo)流板的設(shè)置有利于改善管道內(nèi)氣流分布均勻性、降低煙道阻力。BHASKER[15]采用數(shù)值模擬方法，在除塵器入口管道中設(shè)置多塊導(dǎo)流板，發(fā)現(xiàn)能有效改善氣流分布的均勻性，同時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板型式也會影響氣流分布均勻性。

本研究利用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件對電袋復(fù)合除塵器內(nèi)氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過增加除塵器氣流入口流速、增加電凝并區(qū)前水平管道長度、入口管道內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板的方法進(jìn)行優(yōu)化，研究結(jié)果對提高電袋復(fù)合除塵器除塵效率有一定指導(dǎo)意義。

1 電袋復(fù)合除塵器數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

本研究的電袋復(fù)合除塵器幾何模型如圖1所示。入口與出口管道直徑相等為0.41 m；電凝并區(qū)前水平管道長度為0.21 m；電凝并區(qū)長0.86 m、寬0.60 m、高0.50 m，有2個通道，其后有5根導(dǎo)流柱；電除塵區(qū)長1.84 m、寬1.56 m、高1.92 m，有3個通道；布袋除塵區(qū)長2.67 m、寬1.56 m、高2.35 m，共有66條布袋，其中30條長1.90 m、36條長2.10 m。

圖1 電袋復(fù)合除塵器幾何模型Fig.1 Geometry model of electrostatic fabric integrated precipitator

1.2 網(wǎng)格劃分

由于幾何模型尺寸較大可能導(dǎo)致局部扭曲度較大，為了使氣流數(shù)值模擬結(jié)果接近實(shí)際狀態(tài)，提高收斂穩(wěn)定性，采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中導(dǎo)流板、氣流分布板、電除塵器入口喇叭、布袋等局部區(qū)域選取四面體網(wǎng)格并進(jìn)行加密處理；其余各部分選取六面體網(wǎng)格，同時采用節(jié)點(diǎn)松弛法進(jìn)行光滑處理。

1.3 控制方程

假設(shè)氣流為絕熱、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的牛頓流體，在電袋復(fù)合除塵器內(nèi)呈湍流狀態(tài)。采用笛卡爾坐標(biāo)系的三維N-S方程作為基本控制方程，包含連續(xù)性方程、動量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型方程。利用有限體積法離散控制方程，其中擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分，非線性的對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，用壓力—速度耦合的SIMPLE算法求解離散后的方程[16]。

1.4 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

(1) 進(jìn)口設(shè)在除塵器管道入口，采用速度進(jìn)口邊界條件，氣流均勻法向流入。

(2) 出口設(shè)在除塵器管道出口，采用壓力出口邊界條件。

(3) 氣流分布板采用多孔介質(zhì)模型，孔隙率為0.45；濾袋采用多孔介質(zhì)階躍模型。

(4) 導(dǎo)流板及管道壁面采用無滑移邊界條件。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 改變氣流入口流速前后的數(shù)值模擬結(jié)果

采用數(shù)值模擬方法研究氣流入口流速分別為8.20、18.00 m/s時電凝并區(qū)內(nèi)流線及其入口斷面的流速等值線，分別見圖2和圖3。

注：X、Y、Z為空間坐標(biāo)系，方向如圖所示，下同，對于不同區(qū)域繪圖時坐標(biāo)原點(diǎn)視具體情況確定。

圖2不同氣流入口流速下的電凝并區(qū)內(nèi)流線圖
Fig.2 Flow track in the electric coagulator under different inlet velocity

從圖2(a)可以看出，當(dāng)氣流入口流速為8.20 m/s時，電凝并區(qū)管道內(nèi)存在嚴(yán)重的渦流現(xiàn)象，流動阻力較大，且流線分布不均勻，管道下部氣流發(fā)生偏向。從圖3(a)來看，電凝并區(qū)入口斷面中心部位流速最大，從中心向四周呈遞減趨勢，且上部大于下部，造成下部邊界層分離、管道積灰。

注：圖中等值線上標(biāo)記的數(shù)值為流速，單位為m/s，下同。圖3 不同氣流入口流速下的電凝并區(qū)入口斷面流速等值線圖Fig.3 Velocity distribution at the inlet section of the electric coagulator under different inlet velocity

從圖2(b)可見，增加氣流入口流速至18.00 m/s，管道內(nèi)渦流現(xiàn)象有所改善，但效果不佳，說明除塵器入口管道流速不是改善管道渦流現(xiàn)象的主要影響因素。比較圖3(a)和圖3(b)發(fā)現(xiàn)，氣流入口流速增至18.00 m/s，下部的流速雖有所增加，但并無太大差別。這說明僅改變氣流入口流速對改善電袋復(fù)合除塵器的除塵效果影響不大。因此，也不再考察其他區(qū)域的數(shù)值模擬情況，下面的模擬中氣流入口流速設(shè)定為18.00 m/s。

2.2 改造電凝并區(qū)前水平管道長度前后的數(shù)值模擬結(jié)果

采用數(shù)值模擬方法比較了電凝并區(qū)前水平管道長度分別為0.21、0.50 m時電凝并區(qū)內(nèi)流線圖、電凝并區(qū)入口斷面流速等值線圖和電除塵區(qū)入口斷面流速等值線圖。

電凝并區(qū)前水平管道長度為0.21 m時，電凝并區(qū)內(nèi)流線圖及其入口斷面的流速等值線圖分別同圖2(b)和圖3(b)。前已述及，渦流現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這與電凝并區(qū)前水平管道長度小有關(guān)，氣流沒有緩沖至均勻狀態(tài)而直接進(jìn)入電凝并區(qū)，在管徑突然擴(kuò)大時管壁與管中心部位速度差較大產(chǎn)生渦流，進(jìn)而影響除塵器工作特性[12]407。

增加電凝并區(qū)前水平管道長度至0.50 m，電凝并區(qū)內(nèi)流線及其入口斷面的流速等值線分別如圖4和圖5所示，可見渦流區(qū)域已明顯縮小，說明下部區(qū)域流動阻力減小，氣流分布趨于均勻，煙塵隨氣流流動，積灰減少，除塵效率提高。

圖4 電凝并區(qū)前水平管道長度為0.50 m時電凝并區(qū)內(nèi)流線圖Fig.4 Flow track in the electric coagulator under the length before the electric coagulator of 0.50 m

圖5 電凝并區(qū)前水平管道長度為0.50 m時電凝并區(qū)入口斷面流速等值線圖Fig.5 Velocity distribution at the inlet section of the electric coagulator under the length before the electric coagulator of 0.50 m

進(jìn)一步分析電凝并區(qū)前水平管道長度分別為0.21、0.50 m時電除塵區(qū)入口斷面的流速等值線(見圖6)發(fā)現(xiàn)，電凝并區(qū)前水平管道長度為0.21 m時，電除塵區(qū)入口斷面氣流分布均勻性差，相對均方根較大，嚴(yán)重影響除塵效率；增加電凝并區(qū)前水平管道長度至0.50 m，氣流分布均勻性明顯變好，相對均方根為0.24，剛好達(dá)到除塵器氣流均勻分布評價標(biāo)準(zhǔn)的合格值[1]327，入口管道內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板可能可以進(jìn)一步改善除塵器內(nèi)的氣流流動狀態(tài)。

2.3 入口管道內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板前后的數(shù)值模擬結(jié)果

為使氣流分布更加均勻，在氣流入口流速為18.00 m/s、電凝并區(qū)前水平管道長度為0.50 m的情況下，在入口管道第②個彎管處增設(shè)導(dǎo)流板，增設(shè)多塊導(dǎo)流板時，按照管道設(shè)計要求等間距設(shè)置[17]。因?yàn)樵黾訉?dǎo)流板對氣流的影響在電凝并區(qū)前就很大，因此考察了電凝并區(qū)前水平管道入口斷面的流速等值線圖。從圖7可以看出，0塊導(dǎo)流板時，氣流分布不均，與氣流入口流速的最大偏差達(dá)66.67%；設(shè)置1塊導(dǎo)流板時，氣流分布趨于均勻，與氣流入口流速的最大偏差縮小到33.33%；當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量增至3塊時，氣流分布已基本均勻，整個截面的流速基本與氣流入口流速18.00 m/s相差不大，平均偏差小于0.60%，相對均方根為0.06；而設(shè)置4塊導(dǎo)流板時，相對均方根為0.08，較設(shè)置3塊導(dǎo)流板時僅略有增加，沒有必要。由此說明，增設(shè)導(dǎo)流板有利于管道內(nèi)氣流分布均勻[18-19]。最終確定設(shè)置3塊導(dǎo)流板。

圖6 不同電凝并區(qū)前水平管道長度下的電除塵區(qū)入口斷面流速等值線圖Fig.6 Velocity distribution at the inlet section of the electrostatic precipitator under different length before the electric coagulator

圖7 增設(shè)不同導(dǎo)流板數(shù)量下的電凝并區(qū)前水平管道入口斷面流速等值線圖Fig.7 Velocity distribution at the inlet section of the pipe before the electric coagulator under different number of flow deflectors

圖8為氣流入口流速為18.00 m/s、電凝并區(qū)前水平管道長度為0.50 m、入口管道第②個彎管處增設(shè)3塊導(dǎo)流板后的電凝并區(qū)入口斷面流速等值線圖，與0塊導(dǎo)流板(見圖5)時相比，電凝并區(qū)入口斷面渦流區(qū)域消失，氣流分布均勻，相對均方根為0.17。同時，增設(shè)3塊導(dǎo)流板后的電除塵區(qū)入口斷面流速等值線圖(見圖9)與0塊導(dǎo)流板時(見圖6(b))相比，氣流分布均勻性也明顯改善，相對均方根為0.14。

圖8 增設(shè)3塊導(dǎo)流板后電凝并區(qū)入口斷面流速度等值線圖Fig.8 Velocity distribution at the inlet section of the electric coagulator after adding 3 flow deflectors

圖9 增設(shè)3塊導(dǎo)流板后電除塵區(qū)入口斷面流速等值線圖Fig.9 Velocity distribution at the inlet section of the electrostatic precipitator after adding 3 flow deflectors

3 結(jié) 論

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，氣流入口流速對改善電袋復(fù)合除塵器的除塵效果影響不大，而在入口管道第②個彎管處增設(shè)導(dǎo)流板影響很大。模型優(yōu)化的結(jié)果為氣流入口流速18.00 m/s、電凝并區(qū)前水平管道長度0.50 m、入口管道第②個彎管處增設(shè)3塊導(dǎo)流板，此時電凝并區(qū)入口斷面與電除塵區(qū)入口斷面的氣流分布均勻，相對均方根分別為0.17、0.14，渦流區(qū)域基本消失。

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Optimizationoftheinletvelocityandpipestructureofelectrostaticfabricintegratedprecipitatorbasedonnumericalsimulation

HAOHuan，YANDongjie，ZHANGShiding，HUANGXuemin，LUOYingbo，GAOMenghan.

(CollegeofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’anShaanxi710055)

Optimization of the inlet velocity and pipe structure of electrostatic fabric integrated precipitator was numerically simulated by computational fluid dynamic (CFD) software through changing the inlet velocity,increasing the length before the electric coagulator,and adding flow deflectors in the last elbows of inlet pipe. Results showed that inlet velocity had little influence on the dust removal efficiency but adding flow deflectors had great influence. When the inlet velocity was 18.00 m/s,the length before the electric coagulator was 0.50 m,and 3 flow deflectors were added,the velocity distribution of both electric coagulator and electrostatic precipitator tended to be uniform. The mean square root were 0.17 and 0.14,respectively.Vortex was almost disapperared.

electrostatic fabric integrated precipitator； velocity； pipe structure； numerical simulation； velocity distribution

郝 歡，女，1992年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂啤?

。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51408455);陜西省教育廳科研計劃項(xiàng)目(No.17JK0465)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.012

2016-11-17)