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        袋式除塵器的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模擬試驗(yàn)分析

        2020-08-29 01:43:04王建沈恒根
        關(guān)鍵詞:袋式濾袋除塵器

        王建 沈恒根

        東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

        0 引言

        袋式除塵器以其除塵效率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵等行業(yè)[1]。對(duì)于袋式除塵器運(yùn)行壽命有著重要影響的核心部件濾袋是其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[2]。實(shí)際應(yīng)用表明,濾料選型不合理、加工不當(dāng)、機(jī)械磨損、化學(xué)腐蝕、煙氣溫度過(guò)高、結(jié)露粘結(jié)等原因引起濾袋破損失效,從而導(dǎo)致粉塵泄漏,給機(jī)組造成安全隱患以及引起排放濃度超標(biāo)等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生[3-4]。常規(guī)袋式除塵器容易單條濾袋破損后形成煙氣通道,加速相鄰濾袋,噴吹孔及花板的磨損進(jìn)而使整臺(tái)設(shè)備失效,引發(fā)嚴(yán)重?fù)p失,但目前針對(duì)濾袋失效后處理措施主要是關(guān)閉對(duì)應(yīng)倉(cāng)室或關(guān)閉整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行檢修更換濾袋,會(huì)給整個(gè)除塵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大影響,不僅可能會(huì)引發(fā)排放超標(biāo),也會(huì)對(duì)剩余處于超負(fù)荷運(yùn)行的濾袋帶來(lái)巨大的磨損,加速濾袋的損壞。對(duì)于一系列由于濾袋失效而引起的除塵系統(tǒng)故障,目前研究多處于尋求相關(guān)預(yù)防措施和故障發(fā)生后停機(jī)檢修措施針對(duì)上述問(wèn)題[5-6]。對(duì)標(biāo)傳統(tǒng)袋式除塵器,在結(jié)構(gòu)上做出改變?cè)O(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出一種新型直流式模塊化袋式新型除塵器,在保證了袋式除塵器高效除塵能力的基礎(chǔ)上,大大提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性,有利于整機(jī)的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。

        1 模塊化袋式新型除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        新型袋式除塵器采用扁條形濾袋如圖1(a)所示,規(guī)格尺寸為8000 mm×5000 mm×100 mm,單條濾袋破損可通過(guò)提升裝置單獨(dú)離線如圖1(b),不影響同箱體內(nèi)其他濾袋繼續(xù)運(yùn)行,袋式除塵器可繼續(xù)工作,提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。每八片濾袋組成一個(gè)單元模塊如圖1(c)所示,可實(shí)現(xiàn)以模塊組的形式對(duì)濾袋進(jìn)行更換,解決了濾袋更換困難問(wèn)題。新型袋式除塵器煙氣過(guò)濾方式如圖2 所示,為直流式設(shè)計(jì),可大大減小袋式除塵器運(yùn)行阻力。

        圖1 新型袋式除塵器箱體構(gòu)造示意圖

        圖2 過(guò)濾箱體氣流運(yùn)動(dòng)示意圖

        表1 給出了該除塵器的規(guī)格。為了更清楚對(duì)該新型袋式除塵器的空間認(rèn)識(shí),圖3 給出了該除塵器的三維模型結(jié)構(gòu)圖。

        表1 新型袋式除塵器規(guī)格

        圖3 袋式除塵器三維模型結(jié)構(gòu)圖

        2 各過(guò)濾箱體流量分配

        由文獻(xiàn)[7-8]可知,可利用流量偏差和不均方根值對(duì)氣流分配均勻程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)該袋式除塵進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理,得出各個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室入口平均流量并根據(jù)流量偏差公式和均值方根公式進(jìn)行計(jì)算,可得出各個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室的流量偏差,表2 給出了各個(gè)倉(cāng)室的煙氣流量,其流量偏差及均方根值。

        式中:Li為第i 個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室的煙氣流量,m3/h;L 為四個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室的煙氣平均流量,m3/h;σ 為均值方根。

        表2 過(guò)濾倉(cāng)室處理風(fēng)量分配

        從表2 中可看出,第2 個(gè)過(guò)濾箱體和第3 個(gè)過(guò)濾箱體處理的煙氣量較大,煙氣流量值偏差較小。第1個(gè)過(guò)濾箱體和第4 個(gè)過(guò)濾箱體處理的煙氣量較小,其煙氣流量值和流量偏差也很接近,從表2 可以清楚看到,該新型袋式除塵器的流量偏差絕對(duì)值均小于5%,能夠符合設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求。

        3 新型袋式除塵器各部分速度場(chǎng)分布和壓力場(chǎng)分布

        新型袋式除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,本節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了新型袋式除塵器各部分速度場(chǎng)分布和壓力場(chǎng)分布。

        3.1 濾袋迎風(fēng)截面氣流分布

        圖4 給出了過(guò)濾箱體入口迎風(fēng)截面處(Y=0.1 m)的速度分布云圖和壓力分布云圖。從圖4(a)可看出,在濾袋高度的1/4 與3/4 附近的位置上,氣流速度較同一截面上其它位置速度較高,達(dá)到5 m/s 左右。從圖4(b)可看出,靜壓分布在濾袋高度的1/2 處,明顯高于同截面的其它位置。由袋式除塵器結(jié)構(gòu)可知,濾袋高度的1/2 位置與新型袋式除塵器進(jìn)口處于同一水平高度,含塵煙氣在除塵器入口進(jìn)入后,在喇叭口的均布作用下,進(jìn)入過(guò)濾箱體內(nèi)部,與過(guò)濾箱體中的濾袋碰撞后向上下兩個(gè)方向轉(zhuǎn)移,故會(huì)出現(xiàn)圖4(a)中的速度分布情況。含塵氣流與濾袋碰撞時(shí)動(dòng)壓急劇減小,靜壓增大,導(dǎo)致圖4(b)中的靜壓分布情況。

        圖4 過(guò)濾箱體入口迎風(fēng)截面處(Y=0.1 m)速度、壓力分布圖

        3.2 濾袋平行于底部截面氣流分布

        圖5 給出了濾袋底部截面處(Z=-0.1 m)的速度分布云圖和壓力分布云圖。從圖5(a)中可看出,濾袋底部截面靠近過(guò)濾箱體前部位置處的氣流速度較大,速度最大值達(dá)6.5 m/s,其后部位置處的氣流速度較小。從圖5(b)中可看出,濾袋底部各部分壓力分布較為均勻。入口氣流經(jīng)喇叭口起到氣流均布的作用后,部分氣流流入灰斗,經(jīng)過(guò)灰斗壁的作用,反射進(jìn)入過(guò)濾箱體內(nèi)部,從而導(dǎo)致圖5(a)所示的現(xiàn)象。

        圖5 濾袋底部截面處(Z=-0.1 m)的速度、壓力分布圖

        3.3 濾袋間隙氣流分布

        除塵器過(guò)濾箱體中包含的四個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室是關(guān)于中線呈對(duì)稱(chēng)分布,因此根據(jù)對(duì)稱(chēng)面中一側(cè)的過(guò)濾倉(cāng)室研究,即可由對(duì)稱(chēng)性推測(cè)整個(gè)過(guò)濾箱體的氣流組織情況。為了更清楚的分析濾袋間隙的氣流分布情況,圖6給出了截面截取的分布圖,截取位置為X 方向上的3.8 m,4.4 m,5.4 m 和6.0 m 位置處的濾袋間隙。

        圖6 選取截面分布圖

        圖7 給出了濾袋間隙截面(X=3.8 m、4.4 m、5.4 m、6.0 m)的速度分布云圖。由圖7 中可以看出,氣流進(jìn)入過(guò)濾箱體后分別從過(guò)濾箱體前部,上部和下部呈包裹狀進(jìn)入到過(guò)濾間隙,然后逐漸擴(kuò)散到間隙的其他部位,濾袋間隙速度絕大部分均保持在相對(duì)較低的風(fēng)速下,擾動(dòng)較小,有利于粉塵粒子在濾袋表面的沉降,有利于提高過(guò)濾效率。

        圖7 濾袋間隙截面速度分布圖

        圖8 濾袋間隙截面在Z 方向的氣流速度分布圖

        圖8 給出了濾袋間隙截面(X=3.8 m、4.4 m、5.4 m、6.0 m)處,沿濾袋間隙高度Z 方向取-0.5 m,-4.0 m 和-7.5 m 的位置處,沿?zé)煔馇斑M(jìn)方向(Y 方向)的氣流速度分布圖。從圖8 中可以看出,不同的濾袋間隙在相同濾袋間隙高度處沿?zé)煔馇斑M(jìn)方向的速度變化趨勢(shì)基本呈現(xiàn)一致分布。在Z=-7.5 m 高度上,煙氣前進(jìn)速度Vy呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),速度大小主要在2.5~0.5 m/s 范圍之間,且速度變化較為緩慢,波動(dòng)幅度較小,有利于粉塵在濾袋壁面的沉積。處于距袋底距離較短的Z=-0.5m 高度的Vy整體變化趨勢(shì)也是呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì),可能由于灰斗上升氣流造成的干擾,Vy出現(xiàn)波動(dòng),且隨間隙越遠(yuǎn)離中線(X 增大),波動(dòng)逐漸減小,當(dāng)X=6.0 m 時(shí)已無(wú)明顯波動(dòng)趨勢(shì)。對(duì)于過(guò)濾箱體的高度中間位置(Z=-4 m)Vy變化趨勢(shì)基本相同從2 m/s 逐漸下降到0 m/s,然后保持基本不變。結(jié)合圖4(a)可知,這種現(xiàn)象是由于煙氣主流進(jìn)入過(guò)濾箱體時(shí)被分為上下兩部分,處于1/2 高度上的氣流速度驟減造成的。

        3.4 濾袋表面平均過(guò)濾風(fēng)速

        圖9 給出了濾袋表面截面(X=3.65 m、4.25 m、5.25 m、5.85 m)處的氣流速度分布云圖。由圖9(a)~(d)中可以看出,濾袋邊緣處的過(guò)濾氣流速度較高,最大氣流速度達(dá)到1.8 m/min,但相對(duì)而言占比較小,選取的四個(gè)截面的面平均實(shí)際過(guò)濾風(fēng)速分別為0.691 m/min,0.690 m/min,0.692 m/min 和0.690 m/min,均為較理想的過(guò)濾風(fēng)速。

        圖9 濾袋表面過(guò)濾氣流速度分布云圖

        3.5 新型袋式除塵器的運(yùn)行阻力

        圖10 給出了新型袋式除塵器全壓(皮托管壓力)分布圖。從圖10 中可以看出,新型袋式除塵器進(jìn)出口全壓差可計(jì)算得出除塵器整體的阻力損失為260 Pa,此結(jié)果為濾料為全新濾料(沒(méi)有粉塵層包裹)清潔氣體時(shí)的阻力損失。

        圖10 除塵器全壓分布圖

        4 結(jié)論

        本文對(duì)傳統(tǒng)袋式除塵器過(guò)濾箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)上改變,設(shè)計(jì)出一種新型直流式模塊化袋式除塵器,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單條濾袋到整個(gè)過(guò)濾倉(cāng)室的關(guān)閉,在出現(xiàn)濾袋破損時(shí),可實(shí)現(xiàn)破損濾袋離線而不影響整體運(yùn)行,很大程度上提高袋式除塵器運(yùn)行穩(wěn)定性,具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。并且,利用CFD 數(shù)值模擬的方式對(duì)該種袋式除塵器進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

        1)該種袋式除塵器氣流分配均勻性較好,各過(guò)濾倉(cāng)室氣體流量分配偏差最大值為-4.65%,均值方根為0.043,根據(jù)美國(guó)RMS 標(biāo)準(zhǔn)氣流分布達(dá)到了優(yōu)秀。

        2)濾袋表面平均實(shí)際過(guò)濾風(fēng)速在0.69 m/min 能有利于提高除塵效率,實(shí)現(xiàn)更低顆粒物的排放濃度。

        3)直通式的箱體結(jié)構(gòu)可有效降低運(yùn)行阻力,該新型袋式除塵器整體阻力損失(沒(méi)有粉塵層包裹)相對(duì)較低約為260 Pa,有利于除塵器運(yùn)行節(jié)能。

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