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

1 除塵器結(jié)構(gòu)及研究目的

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)。

2 三維模型及流量分配判據(jù)

2.1 三維模型建立

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

2.2 流量分配均一判據(jù)

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

3 入口導(dǎo)流板設(shè)置及計(jì)算結(jié)果分析

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。

3.1 工況1

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。

3.2 工況2

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。

3.3 工況3

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。

3.4 工況4

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。

4 小結(jié)

（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)。