濾筒除塵器進風口優化模擬

鄧斌程罡樊越勝*王英志胡家雷彭凱文珂

1西安建筑科技大學環境與市政工程學院

2中鋼集團天澄環保科技股份有限公司

濾筒除塵器是美國唐納森公司在袋式除塵器的基礎上研發的一種新型除塵器，廣泛應用于國內外各個行業，具有除塵效率高（99.9%以上）、阻力小、體型小、維護方便等優點[1-2]。但氣流分布不均勻對除塵效率以及濾筒壽命的影響仍困擾著其正常使用。張相亮等人[3-5]用Fluent模擬了袋式除塵器進口對內部流場分布的影響，對設備的優化設計取得了一定的效果，但對于濾筒除塵器出口方式對其流場均勻性方面的研究則甚少。本文將研究濾筒除塵器出口方式對其內部流場均勻性的影響。

1 研究模型

1.1 物理模型

本文研究的除塵器為上、中、下三個箱體組成的下進風濾筒除塵器。如圖1所示，其中上箱體尺寸長×寬×高為1200 mm×800 mm×650 mm。中箱體尺寸長×寬×高為1200 mm×800 mm×1150 mm。下箱體為高800 mm的灰斗。進風口為矩形尺寸為150 mm×300 mm，其位于下箱體側端面距箱體底部450 mm處。出風口為Ф200 mm的圓形管，其位于與進風口端面垂直的側面距頂部200 mm處。除塵器內花板豎直方向上分布著6個濾筒共兩行三列，其中濾筒尺寸長為600 mm，外徑為Ф320 mm。

圖1 物理模型

1.2 數學模型

1.2.1 流場數學模型

本文為了便于研究，將稀相氣固兩相流簡化為具有平均流體特征的單相氣相流；不考慮文丘里等脈沖清灰部件對氣流的影響[6]。模擬氣相流動時選用κ-ε雙方程模型[7-8]。

湍動能κ方程：

耗散率ε方程：

式中：Gb為由浮力引起的湍動能k的產生項；Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；YM是由可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻；Sk和Sε是用戶定義的源項；C1ε、C2ε、C3ε為常數，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09。σk和 σε是相應的普朗特數，σk=1.0，σε=1.3。

模擬計算時壓力-速度耦合采用SIMPLE算法進行求解；對流項選擇二階迎風離散格式[9]。

1.2.2 濾筒數學模型

計算中忽略濾筒褶皺對除塵器內部流場的影響，將濾筒數學模型設置為一維的多孔跳躍介質模型，其具有良好的魯棒性和收斂性。過濾介質壓力變化采用Darcy 定律[10-11]描述：

式中：△P為濾筒內外壓差，Pa；μ為流體動力粘性系數，Pa·s；α 為滲透率，m2；v 為濾筒外圍表面通過的風速，m/s；C2為壓力躍升系數；△m為濾筒濾料介質的厚度，m。

1.3 邊界條件的設置

為了便于模擬計算，本模型流體選為空氣，溫度為20℃，密度為 1.205 kg/m3，動力粘度為 1.810×10-5Pa·s。

將進口邊界條件設置為速度進口，進口速度υ=13 m/s；出口邊界條件設置為壓力出口，出口壓力P=-1500 Pa；濾料厚度設置為5 mm[12]，滲透率則為α=1.4×10-10m2。

2 流場評價方法

2.1 流量分配系數

濾筒的流量分配系數[13]表示每個濾筒實際處理氣體流量與平均處理氣體流量的比值，記作Kqi，公式為：

式中：Qi為單個濾筒的實際處理氣體量，m3/s；Qmean為單個濾筒的平均處理氣體流量，m3/s。

2.2 最大流量不均幅值

最大流量不均幅值是指最大流量分配系數和最小流量分配系數的差值，計作△Kqi。

式中：Kqimax為單個濾筒的最大流量分配系數；Kqimin為單個濾筒最小流量分配系數；當氣體流量分配不均勻時，Kqi在1.0上下波動；△Kqi≠0時，其值越大表示流場越不均勻，越小則說明流場越均勻；當△Kqi=0，即Kqi=1時，表明流量分配絕對均勻。一般地，當處理風量的相對偏差不大于15%時，便可以認為氣體流量分配基本均勻。

2.3 綜合流量不均勻幅值

綜合流量不均幅值是指所有濾筒的流量分配系數與理想狀態下的絕對均勻系數1.0之差的絕對值的平均值。這個參數綜合考慮了各個濾筒的流量偏差，評價比較全面，記作，即：

式中：N為模型中濾筒的總個數。

3 模擬方法與結果分析

3.1 模擬方法

本文針對4種不同出口方式進行模擬研究，探索不同出口方式對流場影響規律，以便優化濾筒除塵器結構。如圖2～3分別為模型上箱體出口圖以及濾筒編號圖。

圖2 模型出口方式

圖3 濾筒編號圖

3.2 結果與分析

從圖4看出，4種模型的內部流場情況相差不大，氣流在進氣箱體內沿入口方向形成延伸到后壁面的射流，一部分氣流在灰斗斜面的導流作用下，在射流下部形成了下旋渦，容易造成“二次揚塵”，將灰斗中的灰塵重新卷入到射流當中，增加了濾筒過濾負荷。另一部分氣流碰到后壁面后向上流動，碰到花板后氣體動壓轉換成高靜壓，使得氣體由后壁面向前壁面橫向沖刷，加大了濾筒的沖刷度，一定程度上降低了濾筒的壽命。從圖5可以看出靠近后壁面的濾筒沖刷最嚴重，并依次向前壁面遞減，主要是由于氣流最先沖刷靠近后壁面的1號和6號濾筒，在1號和6號濾筒的阻擋下減少了1號，2號、3號及4號濾筒的沖刷。

由表1可以看出出口方式3模型的濾筒流量分配情況相對其他3種模型較好，綜合流量不均幅值為0.062，最大流量不均幅值為0.169，流量分配并不均勻；流量分配較為不均勻的模型為出口方式1與出口方式4模型，其綜合流量不均幅值分別為0.121和0.111；最大流量不均幅值分別為0.288和0.329。其主要原因可能是由于出口3與進風口位于同側，出口處為靜壓最低處，而除塵器后壁面處靜壓較高，這使得氣流向靠近前壁面3號和4號濾筒回流的較多。相反當出口位于后壁面時，低靜壓處與高靜壓處在同一側面，使得回流到靠近前壁面3號與4號較少。出口方式4與進口成90°夾角時，根據渦旋理論[14]在此種狀況相對于其他三種狀況更容易產生渦旋，使內部流場增加了不確定因素，從表1可以看出，靠近出風口一側的濾筒比另一側濾筒的流量分配系數要大一些。

圖4 模型Y=0.1 m截面速度云圖

圖5 濾筒表面速度云圖

由模擬結果可知，出口方式3模型較其他3種模型流場分布情況要好，但4種不同出口模型模擬流場分布都不均勻，其主要原因是由于進風口存在明顯的射流，靠近后壁面的濾筒流量分配較大，使得流量分配不均勻的現象比較嚴重，最終則會導致濾筒壽命的減少。

4 濾筒除塵器結構優化模擬

針對上述模擬存在明顯射流及流場分布不均的情況，有必要對進風口進行優化。張相亮、張廣鵬等人[3-5]針對下進風袋式除塵器，通過在進風口附近增加導流板和鈍體及增加進風口數量較好的改善了袋式除塵器內部流場分布。鑒于在相同過濾風速下，濾筒除塵器較袋式除塵器的通風量要大，進口射流更加明顯，為了進一步優化濾筒除塵器內部流場，綜合考慮采用等面積的雙進風口對濾筒除塵器進口進行優化。其模型如圖6所示。

圖6 雙進風口模型

采用雙進風口模型流場分布模擬結果如表2所示，4種出口方式模型的最大流量不均幅值及綜合流量不均幅值均有較大程度的減小。其中出口方式4模型最大流量不均幅值為0.228，綜合流量不均幅值為0.082，流場分布均勻性較差，但較改進前的最大流量不均幅值降低了31%，綜合流量不均幅值降低了26%。其他3種出口方式模型則是比較均勻，出口方式1，方式2和方式3最大流量不均幅值分別較之前降低了63%，58%和33%，綜合流量不均幅值分別較之前降低了68%，56%和47%。總體來說，改進后相對改進前的流場分布情況得到了較好的改善。其主要原因是采用等面積雙進風口，使進口風速很大程度的減小，很好地改善了射流情況，減少了靠近后壁面的濾筒沖刷程度，使除塵器內部流場分布更加均勻。

5 結論

1）4種出口方式的濾筒除塵器內部都存在明顯的射流情況，靠近后壁面的濾筒沖刷較為嚴重。相比較而言，出口3模型流場分布更均勻，其中出口4模型流場分布情況較差。

2）4種出口方式的模型流場分布不均主要是因為進口風速過大構成的。本文提出雙進風口的改進方案，使4種模型的最大流量不均幅值與綜合流量不均幅值均有很大程度的降低，很好的改善了除塵器內部流場分布情況。