導流板在旋風-濾袋復合除塵器中的應用研究

李 勇，張文青，董 放，郭喜龍，劉偉冬

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

在橡膠廠除塵系統中，目前使用較為廣泛的有旋風除塵器和濾袋除塵器兩種。旋風除塵器雖然具有結構簡單、制造方便等優點，但對細微粉塵的去除效果差強人意；濾袋除塵器除塵效率高，但普遍存在糊袋問題，嚴重影響了濾袋的使用壽命[1-3]。雖然可以將多級除塵器并聯使用達到除塵目的，但存在設備占地面積大、造價高等問題。旋風-濾袋復合除塵器將旋風和濾袋兩種除塵器組合為一體，既將兩種除塵器的優點集為一體，還解決了空間占有率大等問題。

目前針對旋風-濾袋復合除塵器的研究還較少。廉繼堯[4]設計了一款新型旋風-袋式復合除塵器，該產品提高了除塵效率，降低了袋式除塵器的除塵負荷，且對粒徑5 μm以下的粉塵除塵效率達到99%；趙新義等[5]也對新型復合除塵器進行了開發研究，通過將旋風分離器和袋式除塵器進行結合，組合生產了一款新式除塵器并投入應用，極大地降低了袋式除塵器的過濾載荷，降低了生產成本，提高了經濟效益。本工作對目前市場存在的一種旋風-濾袋復合除塵器進行數值模擬分析，并通過引入導流板對其進行優化。

1 旋風-濾袋復合除塵器的構造及機理

旋風-濾袋復合除塵器主要由旋風除塵和濾袋除塵兩部分組成，其結構見圖1，包括噴吹系統、進風口、灰斗、濾袋、筒體和出風口。含塵氣體首先通過進風口進入，并產生向下運動的旋轉氣流，粉塵顆粒在離心力的作用下甩向器壁，在失去慣性力以及重力作用下沿壁面下落，進入灰斗，完成一次除塵。未分離的細粉塵顆粒在內旋氣流的帶動下進入濾袋除塵部分進行二級除塵，含細粉塵的氣流經濾袋的充分過濾后由出風口排出。噴吹系統定時對濾袋進行反向噴吹，使粘附在濾袋的粉塵在重力的作用下下落至灰斗，提高濾袋的除塵效率。

圖1 旋風-濾袋復合除塵器結構

為了更好地分析每個濾袋的氣流分布情況，利用Fluent軟件對濾袋的流量分配因數進行統計，并繪制成流量因數分配圖。引入最大流量不均勻幅值與綜合流量不均勻幅值來分析氣體流量分配情況及不均勻程度。最大流量不均勻幅值越接近于零，分配越均勻。濾袋分布情況見圖2。

圖2 濾袋布置示意

最大流量不均勻幅值公式如下：

式中，Kqmax——單個濾袋最大流量分配因數；

Kqmin——單個濾袋最小流量分配因數。

式中，N——濾袋除塵部分中濾袋的總個數；

Kq——流量分配因數。

2 數值模擬與分析

2.1 邊界條件

旋風-濾袋復合除塵器內具有三維強旋流，且具有明顯各向異性的湍流特點，整個流動可看成定常不可壓縮流動[6]。濾袋使用多孔介質模型。

入口：入口速度，28 m·s-1；

出口：出口壓力，0 MPa；

湍流模型：標準k-ε湍流模型；

多孔介質跳躍邊界條件（porous-jump）：滲透率為2×10-11m2，介質厚Δm為2 mm，壓力跳躍因數C2為零。

2.2 模擬結果分析

復合除塵器的流線圖見圖3，氣體從進風口進入除塵器后，在內外筒體間形成向下的外旋氣流，到達錐體部分后形成螺旋形向上的內旋氣流。向上的氣流經過濾袋充分過濾后從出風口排出。

圖3 復合除塵器流線圖

復合除塵器的靜壓云圖如圖4所示，可以看出靜壓分布具有較好的對稱性。在旋風除塵部分，靜壓在外筒壁處數值較大，沿徑向依次遞減，到達中心軸線附近后，由于內旋渦的影響，造成中心部分壓力很低甚至出現負壓，分層較為明顯。

圖4 復合除塵器的靜壓云圖

復合除塵器內部流場是三維強旋轉湍流流場，含塵氣體進入旋風除塵部分時，運動趨勢向下，逐步形成外旋渦流，在到達錐體底部后，氣流轉而向上，形成向上的內部渦流。從整體來看，除塵器雖然是單側進氣，但旋風除塵器中強烈的旋轉氣流削弱了這種作用，因此，如圖5速度云圖所示，在自濾袋單元下端向下延伸的區域，速度矢量具有較好的對稱性。

圖5 復合除塵器的速度云圖

對濾袋的分配因數進行統計，結果如圖6所示，最大流量不均勻幅值為0.988，綜合流量不均勻幅值也達到了0.25，氣流分布非常不均勻。每排中間濾袋與兩邊的流量分配較多，尤其是每排中間濾袋的氣流分配因數甚至超過1.4，過濾風量明顯大于其他濾袋。

圖6 濾袋分配因數

分析原因，一方面氣流做旋轉向下運動，完成一次分離后，氣流經錐體底部軸線處旋轉向上進入濾袋單元，此處的氣流主要經濾袋單元中間部分進入凈氣室，造成了每排中間濾袋流量分配較大，過濾負荷較大；另一方面一部分氣體未在錐體底部形成上升氣流，而是沿著內筒壁下邊緣直接進入到內筒體部分，造成了兩邊濾袋流量更大，濾袋上部靜壓較高，對濾袋造成了一定的沖刷，容易造成濾袋頂部的破損。

3 導流板優化分析

除塵器內加裝導流板，目的在于使含塵氣體合理分配至整個空間，盡可能使各個濾袋負荷一致，避免局部高風速、強負荷情況的發生。通常在濾袋除塵器中使用導流板可更好地將側進風分散至整個過濾空間[7-8]。針對復合式除塵器，本研究在下落風速和防爆性要求的基礎上，采用導流板對上旋風進行整流，起到了一定的效果。

對3種類型的導流板進行類比分析，結構如圖7所示。

圖7 導流板結構示意

對安裝有3種類型導流板的復合除塵器進行模擬分析，速度云圖和湍動能云圖見圖8。為了使云圖顯示更為直觀，只選擇速度為1 m·s-1以下的區域。

圖8 不同導流板的速度云圖和湍動能云圖

由速度云圖分布情況可知，布孔式Ⅱ型及布孔式Ⅲ型流場差異不大，布孔式Ⅲ型由于中間部分無伸出肋板遮擋，對應區域上方流速分布均勻性較布孔式Ⅱ型稍好。經該類導流板整流后，上旋風外周上升速度較內核心大，并且外周氣流連通整個過濾室空間，其上升氣速均維持在1 m·s-1以上，衡量速度脈動的湍動度也顯示濾袋區速度變化較大。

橢圓標注區顯示，過濾室外周上升氣速較大，切斷了上花板近壁面下落氣流，造成該區域粉塵無法下落，產生類似于旋風除塵器中“上灰環”的問題。

由湍動能云圖可知，中間孔狀導流板由于四周封閉，對上升氣流限制效果顯著。由于只有中間開口可通過氣流，因此在導流板附近產生節流效應。下錐體內產生較強的對流運動，湍流在導流板上端得到強化，這是極不利于粉塵下落的。對比上升氣速可見，圓孔型導流板并不適于該結構。

分別對安裝3種類型導流板復合除塵器的濾袋進行分配因數統計，結果見圖9，安裝中間圓孔狀、布孔式Ⅱ型和布孔式Ⅲ型導流板復合除塵器濾袋的最大流量不均勻幅值分別為0.76，0.53和0.5，綜合流量不均勻幅值分別為0.15，0.11和0.11。就改善氣流分布來講，布孔式Ⅲ型更優。

圖9 不同導流板的濾袋分配因數

4 結論

（1）復合除塵器在氣流分配上存在一定不足，導致單個濾袋的氣流流量分配不均勻，對濾袋的壽命造成了不利影響。

（2）通過加裝導流板改善氣流分布，對3種類型的導流板進行分析，得出布孔式Ⅲ型導流板能夠較好地改善氣流分布，相對于不加裝導流板的復合除塵器，最大流量不均勻幅值減小49.4%，綜合流量不均勻幅值減小56%。

（3）模擬分析顯示，導流板雖然對氣流分布起到很好的改善作用，但是在上升氣速的改進上沒有明顯作用，會產生類似于旋風除塵器中“上灰環”的問題。