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)而使整臺設(shè)備失效，引發(fā)嚴(yán)重?fù)p失，但目前針對濾袋失效后處理措施主要是關(guān)閉對應(yīng)倉室或關(guān)閉整臺設(shè)備進(jìn)行檢修更換濾袋，會給整個(gè)除塵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大影響，不僅可能會引發(fā)排放超標(biāo)，也會對剩余處于超負(fù)荷運(yùn)行的濾袋帶來巨大的磨損，加速濾袋的損壞。對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)檢修措施針對上述問題[5-6]。對標(biāo)傳統(tǒng)袋式除塵器，在結(jié)構(gòu)上做出改變設(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)以模塊組的形式對濾袋進(jìn)行更換，解決了濾袋更換困難問題。新型袋式除塵器煙氣過濾方式如圖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 過濾箱體氣流運(yùn)動示意圖

表1 給出了該除塵器的規(guī)格。為了更清楚對該新型袋式除塵器的空間認(rèn)識，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氣流分配均勻程度進(jìn)行評價(jià)。通過對該袋式除塵進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理，得出各個(gè)過濾倉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)過濾倉室的流量偏差，表2 給出了各個(gè)倉室的煙氣流量，其流量偏差及均方根值。

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

表2 過濾倉室處理風(fēng)量分配

從表2 中可看出，第2 個(gè)過濾箱體和第3 個(gè)過濾箱體處理的煙氣量較大，煙氣流量值偏差較小。第1個(gè)過濾箱體和第4 個(gè)過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分布和壓力場分布

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

3.1 濾袋迎風(fēng)截面氣流分布

圖4 給出了過濾箱體入口迎風(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)入過濾箱體內(nèi)部，與過濾箱體中的濾袋碰撞后向上下兩個(gè)方向轉(zhuǎn)移，故會出現(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)過灰斗壁的作用，反射進(jìn)入過濾箱體內(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

除塵器過濾箱體中包含的四個(gè)過濾倉室是關(guān)于中線呈對稱分布，因此根據(jù)對稱面中一側(cè)的過濾倉室研究，即可由對稱性推測整個(gè)過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)入過濾箱體后分別從過濾箱體前部，上部和下部呈包裹狀進(jìn)入到過濾間隙，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較低的風(fēng)速下，擾動較小，有利于粉塵粒子在濾袋表面的沉降，有利于提高過濾效率。

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，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整體變化趨勢也是呈現(xiàn)先增后減趨勢，可能由于灰斗上升氣流造成的干擾，Vy出現(xiàn)波動，且隨間隙越遠(yuǎn)離中線（X 增大），波動逐漸減小，當(dāng)X=6.0 m 時(shí)已無明顯波動趨勢。對于過濾箱體的高度中間位置（Z=-4 m）Vy變化趨勢基本相同從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，濾袋邊緣處的過濾氣流速度較高，最大氣流速度達(dá)到1.8 m/min，但相對而言占比較小，選取的四個(gè)截面的面平均實(shí)際過濾風(fēng)速分別為0.691 m/min，0.690 m/min，0.692 m/min 和0.690 m/min，均為較理想的過濾風(fēng)速。

圖9 濾袋表面過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

本文對傳統(tǒng)袋式除塵器過濾箱體進(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)對單條濾袋到整個(gè)過濾倉室的關(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，各過濾倉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（沒有粉塵層包裹）相對較低約為260 Pa，有利于除塵器運(yùn)行節(jié)能。