文_張彥婷 張麗麗 大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司
布袋除塵器結(jié)構(gòu)為“中央進(jìn)風(fēng)”,即除塵器中間布置進(jìn)風(fēng)煙道,在中間煙道內(nèi)每袋室設(shè)置兩個(gè)進(jìn)風(fēng)支管,煙氣沿支管進(jìn)入袋室,每臺(tái)除塵器沿氣流方向分為三個(gè)袋室,一共設(shè)置有6個(gè)分室支管。原布袋除塵器未設(shè)置導(dǎo)流裝置,使得進(jìn)入各室的氣流分布不均,各室的濾袋破損不均勻。趁除塵器大修機(jī)會(huì),利用ANSYS FLUENT軟件對(duì)布袋除塵器在進(jìn)風(fēng)煙道設(shè)置不同規(guī)格的導(dǎo)流板進(jìn)行模擬計(jì)算,選擇最優(yōu)的布置方式,使得進(jìn)入各袋室的氣流分布均勻,除塵器的除塵效率、壓力損失等性能都達(dá)到最優(yōu)。
除塵器各室中的布袋數(shù)量龐大,對(duì)于其物理建模可以適當(dāng)簡(jiǎn)化,將各袋室布袋視為若一個(gè)過濾單元。此外,該項(xiàng)目中除塵器主體為關(guān)于平面的對(duì)稱形式,因此在對(duì)該除塵器進(jìn)行計(jì)算時(shí)僅計(jì)算一半的結(jié)果,在對(duì)稱平面處設(shè)為對(duì)稱邊界。
在本模擬中,為便于分析比較模擬計(jì)算后進(jìn)入各袋室的流量,將沿?zé)煔膺\(yùn)動(dòng)方向上的煙氣各袋室支管依次命名為1~6,三維建立圖形和各支管編號(hào)如圖1所示。
圖1 除塵器入口煙氣分布支管編號(hào)示意圖
在使用ANSYS FLUENT對(duì)煙氣流動(dòng)的算例進(jìn)行模擬時(shí),通常采用殘差法判定收斂。一般認(rèn)為,各方向速度、湍流尺寸等參數(shù)的殘差降低至10-4~10-3數(shù)量級(jí)且保持穩(wěn)定即可認(rèn)為模擬計(jì)算達(dá)到收斂。因此,對(duì)于純流動(dòng)現(xiàn)象的工業(yè)級(jí)反應(yīng)器的數(shù)值模擬,計(jì)算步數(shù)達(dá)到104基本即可。
但對(duì)于本模擬計(jì)算的情況而言,以上判據(jù)并不能夠完全適用。如圖2所示為模擬計(jì)算過程的殘差與計(jì)算步數(shù)之間的關(guān)系。從圖中可以看出,當(dāng)計(jì)算步數(shù)達(dá)到12000時(shí),連續(xù)方程、各方向的速度殘差均降低至10-3以下,且殘差保持穩(wěn)定。
圖2 模擬步數(shù)和殘差的關(guān)系
本文計(jì)算的重要目的之一為通過導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)進(jìn)入除塵器袋室各支管的流量分配均勻,故對(duì)于通過支管截面處流量的監(jiān)測(cè)尤為重要。圖3所示為各個(gè)支管截面處的流量與計(jì)算步數(shù)之間的關(guān)系。從圖中可以看出,當(dāng)達(dá)到滿足要求或穩(wěn)定的殘差時(shí),各個(gè)支管截面的流量仍處于顯著變化尚未穩(wěn)定的階段。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能在于,在煙氣流動(dòng)的過程中存在六個(gè)支管,其中任意一個(gè)支管截面上的速度分布的變化均會(huì)導(dǎo)致其余截面的流量的變化。因此,單純依靠殘差對(duì)流動(dòng)的穩(wěn)定進(jìn)行判定并不合適,本文的計(jì)算是通過監(jiān)視目標(biāo)截面處的流量來進(jìn)行判定。
圖3 支管截面的流量和計(jì)算步數(shù)之間的關(guān)系
本文研究主要思路是在現(xiàn)場(chǎng)安裝條件允許的條件下,通過增加導(dǎo)流板的數(shù)量、改變導(dǎo)流板的位置和角度,從而得到滿足均流要求的導(dǎo)流板設(shè)置。
原除塵器未設(shè)置導(dǎo)流板,其三維建模圖見圖4。
圖4 工況1未設(shè)置導(dǎo)流板三維模型
經(jīng)過計(jì)算,各支管流量分配見表1。
表1 工況1未設(shè)置導(dǎo)流板各支管流量分配
從表1各支管流量分配結(jié)果來看,由于除塵器入口處無導(dǎo)流板的引導(dǎo),使得煙道遠(yuǎn)端的支管5和支管6流量較大,尤其是支管6出現(xiàn)了高于50%的偏差。因此,需在煙道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板,調(diào)節(jié)進(jìn)入除塵器各袋室的氣流分布。
在煙道入口處布置5塊200mm×800mm導(dǎo)流板,導(dǎo)流板傾斜角度均設(shè)為11°。導(dǎo)流板布置見圖5。
圖5 工況2導(dǎo)流板布置示意圖
經(jīng)過計(jì)算各支管流量分配見表2。
表2 工況2各支管的流量分配
從表2中可以看到,相對(duì)于工況1未設(shè)置導(dǎo)流板的情況,工況2設(shè)置導(dǎo)流板后的流量分配有了較大的改善,尤其是支管6的無因次化流量由1.634降低至1.263,但支管5的流量卻有了顯著升高,由1.131增大至1.398。同時(shí),支管2~4的流量偏小的問題仍未得到解決。
在工況2的基礎(chǔ)上,保持導(dǎo)流板的尺寸和位置不變,導(dǎo)流板傾斜角度更改為:11°、16°、16°、16°、16°,同時(shí)在第二、四個(gè)支管口處各添加一塊導(dǎo)流板,導(dǎo)流板的傾角為35°,尺寸為200mm×800mm。計(jì)算后各支管流量分配見表3。
表3 工況3各支管的流量分配
在支管2和支管3上方各增加一塊導(dǎo)流板,調(diào)節(jié)進(jìn)入支管2和支管3的流量,目的在于進(jìn)一步降低進(jìn)入支管5和6的煙氣流量。從表3中數(shù)據(jù)可以看到,此時(shí)支管5和6中的無因次化煙氣流量已經(jīng)降低至1.076和1.115,已經(jīng)接近均一的要求。更為重要的是,此時(shí)進(jìn)入支管3和4的流量也得到了升高,分別由0.788和0.826增大至0.894和0.919,說明在支管2和3上方增加的導(dǎo)流板起到了雙重的作用。結(jié)果表明,改進(jìn)之后進(jìn)入支管2的煙氣流量也得到了顯著地提升,各支管的流量已經(jīng)接近偏差≤5%的要求了。
在工況3的基礎(chǔ)上調(diào)整導(dǎo)流板的傾斜角分別為:6°、13°、16°、16°、16°;第二、四個(gè)支管的導(dǎo)流板與水平方向的傾角調(diào)整為38°,41°。結(jié)果可以得出,各支管流量偏差已滿足≤5%的要求。
(1)通常采用殘差法判定收斂。當(dāng)有多個(gè)煙氣流動(dòng)出口截面時(shí),單純依靠殘差對(duì)流動(dòng)的穩(wěn)定進(jìn)行判定并不合適,需通過監(jiān)視各截面處的流量進(jìn)行判定。
(2)除塵器進(jìn)口煙道內(nèi)的導(dǎo)流板對(duì)除塵器內(nèi)部的氣流分布調(diào)節(jié)起著很重要的調(diào)節(jié)作用,所以在布袋除塵器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需考慮布置合理的導(dǎo)流板,使除塵器內(nèi)部的氣流分配均勻。
(3)布袋除塵器的超低排放改造工程,除了更換為高效的濾袋外,還需考慮除塵器內(nèi)部氣流分布均勻的問題,使改造后的除塵器除塵效率更高,滿足更高的排放標(biāo)準(zhǔn)。