布袋除塵器擋板和導流板對氣流分布特性的影響研究

方 蕓 李 雲 郎景偉

（浙江藍天求是環保集團有限公司浙江杭州 310012）

布袋除塵器是近年來發展起來的一種高效除塵裝置，除塵效率不僅與濾料本身性能有關，還與其內部流場相關。布袋除塵器的內部流場是復雜的三維流場，流場分布的均勻性無法通過計算獲知；在實際設計中，除塵器內部結構參數一般通過經驗值設定，存在盲目性。近年來，隨著流體動力學計算軟件FLUENT的出現和應用，逐步采用數值模擬方法研究除塵器內部煙氣流動規律，大大減少物理實驗的次數。通過FLUENT數值模擬可優化除塵器內部結構，以便得到更均勻的流場分布，為布袋除塵器的優化設計提供可靠依據。本文利用FLUENT對某工程1×410 t/h鍋爐的布袋除塵器進行三維流場的數值模擬，考察整個除塵系統的煙氣流量分配、速度及壓力的內部分布規律，以期為除塵器中導流板的設計和優化提供理論依據，進而優化除塵器內部流場。

1 計算模型

1.1 結構模型及網格劃分

數值模擬分析的對象為1×410 t/h鍋爐的布袋除塵系統，布袋除塵器設計壓力小于1300 Pa，設計溫度為200℃，除塵效率大于99.9%。該系統為三室六單元的左右對稱結構，共用一個入口煙道和出口煙道，出口、入口煙道由風道隔板隔成上、下兩個獨立的通道。除塵室單元左右對稱，故選取除塵器的左部結構進行模擬，示意圖見圖1 ，箭頭為煙氣流動方向。

在煙道入口處設置一組導流板，使煙氣均勻分布到各個除塵室入口。在除塵室入口與布袋束之間設置擋板，避免煙氣直接沖擊布袋造成入口處布袋負荷過重，而其余部位布袋負荷過輕的現象，盡可能使速度場分布均勻。設計中，擋板上部一般高出除塵室入口一段距離，擋板下部比布袋底部長一段距離，但是不進入灰斗部分。

劃分網格時，為了減少網格數量并盡可能劃分出規則網格，根據流場特性和幾何形狀的復雜程度，采用split命令將模型分割為多個塊，然后進行網格劃分。網格數量約為110萬個。

圖1 除塵器結構示意圖

1.2 假設條件

布袋除塵器內部流場復雜，建模時作以下假設：1）假設流體作定常流動；2）整個流動過程為等溫過程；3)濾袋為張緊的圓柱體，在工作過程中無變形；4）假定流體為不可壓縮。

1.3 物理模型

燃煤煙氣中固體粉塵的體積分數很小（小于0.1%），而且其直徑較小，因此這些粉塵的跟隨性較強，對氣相流動的影響基本可以忽略，故采用單一氣相模型即可較真實的反映煙氣流動及分布狀況，并且節約計算資源。湍流模型選用標準κ-ε模型。

1.4 邊界條件

布袋除塵器邊界條件設置如下：煙氣進口速度為14 m/s，溫度為140℃；布袋厚度2 mm，設置為多孔介質模型；擋板和花板設置為壁面，流體不能穿過，只能繞流。

1.5 模擬方案

依次設定工況1（不加設任何導流板）和工況2（在煙道入口處設置導流板、在除塵室入口處設置擋板），通過調整工況2中導流板和擋板的位置、高度、角度等，對不同的模擬結果進行對比，確定最終的布置方案，以便為工程設計提供參考依據。

2 結果及分析

2.1 速度分布

通過Fluent后處理計算得到各除塵室的入口質量流率：（1）無導流板的工況依次為 29.36 kg/s、30.27 kg/s和 30.02 kg/s；（2）添加擋板和導流板的工況依次為：29.84 kg/s、29.87 kg/s、29.93 kg/s。從質量流率的計算結果可知，煙道入口導流板的布置對煙氣在各除塵室之間的分布有明顯的改善。煙氣通過入口處導流板的導流和再分配，在各個除塵室之間均勻分布。

2.2 流場分布

圖2 -1為單個除塵室內氣體流場軌跡分布圖。由圖可見，除塵室入口沒有擋板時，氣流進入除塵室后以較快的流速沖擊入口正對面的布袋和灰斗底部，并且分布很不均勻。氣流主要集中在除塵室入口及其正對面區域，該區域內跡線分布密集，且氣體流速較大，造成布袋負荷不均勻，易損壞；氣流直接沖擊灰斗底部，對已經落入灰斗的粉塵可能因此重新進入集塵箱，增加布袋除塵器的整體負荷，影響其效率和能耗。然而，在除塵室入口合理布置擋板后，上述現象得到明顯改善。氣流進入除塵室后不會直接沖擊布袋和灰斗，且在除塵室內分布較均勻，大大降低布袋的磨損和除塵器的能耗，提高布袋的使用壽命。

圖2-1 單個除塵室跡線分布圖

2.3 壓力分布

圖2 -2為除塵室內部截面的氣體壓力分布圖，圖中壓力值以出口面處壓力值為0計算所得的相對壓力大小，系統總壓降約為1300 Pa。由圖可見，除塵器的壓力損失主要集中在布袋過濾處，這與實際情況相符；因布袋阻力大，煙氣遇到布袋后只有很少一部分能夠穿過布袋，大部分的煙氣則沿布袋邊壁向上，直到花板處。比較兩工況可知，添加擋板和導流板后，布袋的壓力損失從底部開始均勻分布，這表明布袋的底部過濾作用明顯，并且布袋負荷均勻分布。因此，添加擋板和導流板能夠優化氣流分布。

圖2-2 除塵室內截面壓力分布圖

3 結論

在常規的邊界條件下，研究了擋板和導流板對氣流分布特性的影響，得出以下結論：

（1）在煙道入口處設置導流板，使氣流在各個除塵室之間較均勻分布；

（2）在除塵室入口處設置擋板，避免氣流直接沖擊布袋，提高布袋使用壽命；并且使得氣流在除塵室內均勻分布，提高除塵效率。

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