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        袋式除塵器內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究

        2021-11-30 12:21:02劉影周天宇李剛
        安徽建筑 2021年11期
        關(guān)鍵詞:袋式濾袋擋板

        劉影,周天宇,李剛

        (1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243032;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

        0 前言

        目前在我國,電力行業(yè)是消耗煤炭的最大部門,也是工業(yè)粉塵主要排放的部門。隨著我國環(huán)保力度的加大,對煙囪出口排放的濃度標(biāo)準(zhǔn)越來越高,袋式除塵器也是我國出現(xiàn)最早的除塵器種類之一,作為電力行業(yè)應(yīng)用最廣泛的除塵設(shè)備之一,對袋式除塵器進(jìn)行優(yōu)化改造,提高袋式除塵的除塵效率,具有十分重要的現(xiàn)實意義。其除塵效率不僅與濾袋的材質(zhì)、性能有關(guān),還與除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。袋式除塵器內(nèi)部流場不均勻,容易破壞濾袋,阻力變高。本文通過流體力學(xué)軟件對除塵器的流場進(jìn)行數(shù)值模擬,為袋式除塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

        1 建立數(shù)值模型

        1.1 袋式除塵器工作原理

        當(dāng)含塵氣流從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后,有一部分的粉塵由于自重的原因落入灰斗中,還有一部分的氣體由于濾料纖維等作用被濾袋阻攔,附在濾袋表面。氣流的擾動會使吸附在濾袋上的粉塵脫落。當(dāng)灰斗內(nèi)部粉塵積累到一定量的時候,會開啟泄壓閥,粉塵可以再次回收利用。

        1.2 建立幾何模型與網(wǎng)格劃分

        以某項目中袋式除塵器為例,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該除塵器主要由進(jìn)氣口、出氣口、除塵室、凈氣室、濾袋、灰斗等組成。進(jìn)氣口的截面為800 mm×400 mm的方形,排氣口為直徑250mm的圓形開孔,灰斗是倒四棱錐。除塵器中共有6條圓形濾袋,每條濾袋的直徑為200mm,長度為1800mm。

        圖1 袋式除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

        網(wǎng)格的劃分是數(shù)值模擬的前提,好的網(wǎng)格質(zhì)量也對應(yīng)了更加準(zhǔn)確的結(jié)果。本文利用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了保證計算精度,應(yīng)盡可能減少網(wǎng)格的數(shù)量,并采用規(guī)則形狀的網(wǎng)格。建立模型時,只考慮袋式的進(jìn)口到天花板,不考慮其他部件對模擬效果的影響。濾袋屬性設(shè)為多孔介質(zhì)模型,根據(jù)除塵器內(nèi)部流場及幾何模型的特征,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。袋式除塵器的有限元模型見圖2所示。

        圖2 有限元模型

        1.3 控制方程

        本文將入口空氣看作為不可壓縮流體,利用FLUENT模擬軟件模擬袋式除塵器時,連續(xù)相計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,具體的控制方程如下。

        ①連續(xù)性方程:

        ②動量守恒方程:

        ③湍動能方程:

        ④耗散率方程:

        1.4 邊界條件

        袋式除塵器是復(fù)雜的三維流場,本文采用的k-ε方程湍流模型,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,選取一階迎風(fēng)離散格式。濾袋采用多孔介質(zhì)模型,壓力滿足Darcy公式。具體邊界條件如下表所示。

        邊界條件

        2 計算結(jié)果與分析

        通過數(shù)值模擬的計算,獲得了袋式除塵器壓力,速度分布的云圖,利用后處理將云圖進(jìn)一步優(yōu)化,現(xiàn)采用ZX平面的速度云圖進(jìn)行分析。

        2.1 初始模型結(jié)構(gòu)分析

        從圖3(a)我們可以發(fā)現(xiàn),粉塵通過入口進(jìn)入到袋式除塵器內(nèi)部后,由于空間范圍變大,粉塵向周圍擴(kuò)散。在擴(kuò)散的同時,粉塵以較大的速度對最右側(cè)的濾袋進(jìn)行了沖擊,從而對這部分區(qū)域的濾袋磨損更加嚴(yán)重,減少了袋式除塵器整體的使用壽命。圖3還可以看出粉塵進(jìn)入到袋式除塵器內(nèi)部后,入口速度過大之外,在灰斗處也有高速的氣流??梢钥闯龌叶方诿嫣幩俣容^大,容易造成二次揚塵,影響除塵的效率,并且又不利于粉塵顆粒的收集,導(dǎo)致該除塵器內(nèi)部流場的不均勻。

        圖3(a) Y=0.95截面

        從圖3可知,入口處氣流流速比較大,氣流間歇速度過大。正對入口截面的濾袋如圖3(b)所示,風(fēng)速比Y=1.47的截面的風(fēng)速更大,對濾袋的沖刷更嚴(yán)重。

        圖3(b) Y=1.47截面

        2.2 改變速度后結(jié)果分析

        考慮到原結(jié)構(gòu)流場的不均勻,通過改變邊界條件即進(jìn)氣速度,來對除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬,三個速度分別為7m/s、8.5m/s、10m/s,如圖4所示。

        當(dāng)入口進(jìn)氣速度增大到10 m/s時,數(shù)值模擬的流場速度云圖分布見圖4(b),與圖3以及圖4(a)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在除塵器內(nèi)部,氣流獲得了更大的水平方向速度,從第一排濾袋到第二排濾袋,氣流在整個區(qū)域內(nèi)更加均勻。

        圖4(a) v=8.5m/s

        圖4(b) v=10m/s

        2.3 改變結(jié)構(gòu)后結(jié)果分析

        在選取速度為10m/s的基礎(chǔ)上,對除塵器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變,通過增加擋板進(jìn)行優(yōu)化,擋板的作用是為了避免入口處煙氣直接沖擊布袋造成入口處布袋負(fù)荷過重,而其他部分負(fù)荷太輕,目的就是讓流場更均勻。具體的流場圖見圖5所示。加入擋板后,氣流沿著壁面緩慢向下運動,速度也逐漸降低。進(jìn)入到布袋的流體速度也只有2m/s左右,對濾袋的沖擊也相對溫和一點,不會造成嚴(yán)重的磨損。加入擋板后,流場均勻性得到了改善,優(yōu)化后的流場可以減少二次揚塵,減少粉塵氣流對濾袋的沖刷。

        圖5 Y=0.95

        3 結(jié)論

        ①我們能夠利用CFD-FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬袋式除塵器的內(nèi)部流場,探討內(nèi)部流場的均勻性,能夠有效地反映出內(nèi)部的流動狀態(tài),為袋式除塵器氣流分布、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

        ②原始的袋式除塵器內(nèi)部流場分布不均勻,當(dāng)含塵氣流進(jìn)入除塵器內(nèi)部時,對入口側(cè)的濾袋沖刷嚴(yán)重,濾袋的負(fù)荷過大,從而會對濾袋造成損壞,進(jìn)而減少使用壽命。遠(yuǎn)離入口側(cè)的部分濾袋得不到充分利用,會降低整個除塵器的除塵效率。

        ③通過改變進(jìn)氣速度,分別比較7m/s、8.5m/s、10m/s時候的流場,發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)氣速度達(dá)到10m/s時,流體在水平方向上速度更大,提高了除塵效率。袋式除塵器內(nèi)部流場會更加均勻。

        ④通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,在入口處增加了擋板,使粉塵的擴(kuò)散方向發(fā)生了改變。大顆粒粉塵直接與擋板碰撞,順著擋板流入灰斗中,減少了對濾袋的沖刷,提高了除塵效率。

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