下進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器流場(chǎng)的模擬與優(yōu)化*

張 哲 李彩亭# 李珊紅

(1.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué))，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

隨著國(guó)家對(duì)煙塵、SO2和NOx排放標(biāo)準(zhǔn)提高，對(duì)煙氣污染物控制技術(shù)提出了更高的要求。目前，除塵技術(shù)主要有機(jī)械、電、濕式、袋式等除塵方式。其中，袋式除塵作為高效的除塵裝置，性能穩(wěn)定，可捕集多種性質(zhì)的粉塵，甚至使煙氣排放質(zhì)量濃度低至5 mg/m3，達(dá)到超低排放的要求[1-3]。

由于袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，其內(nèi)部氣固兩相流主要是通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)進(jìn)行研究[4-7]。張廣朋等[8]通過在袋式除塵器入口處增設(shè)導(dǎo)流板以減小進(jìn)出口壓差來優(yōu)化內(nèi)部流場(chǎng)，減少濾袋磨損。AROUSSI等[9]采用CFD技術(shù)模擬粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。黨小慶等[10]對(duì)除塵器流量分配等進(jìn)行了模擬，提出了其內(nèi)部流量合理分配的優(yōu)化方法。丁倩倩等[11]模擬濾袋長(zhǎng)度對(duì)除塵器流場(chǎng)分布的影響，得出了在相同過濾風(fēng)速下長(zhǎng)濾袋除塵器內(nèi)流場(chǎng)分布均勻的規(guī)律。李珊紅等[12]對(duì)翼形上進(jìn)風(fēng)長(zhǎng)袋脈沖袋式除塵器內(nèi)氣流分布進(jìn)行了模擬研究。侯文龍等[13]通過改進(jìn)進(jìn)氣口等措施優(yōu)化了內(nèi)濾式袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。與外濾式袋式除塵器不同，內(nèi)濾式袋式除塵器濾袋內(nèi)不需要支撐骨架，節(jié)約成本，含塵氣流進(jìn)入濾袋后，由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，顆粒被捕集在濾袋內(nèi)表面。本研究利用CFD技術(shù)對(duì)下進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器內(nèi)部氣固兩相流進(jìn)行模擬，優(yōu)化其內(nèi)流場(chǎng)，提高除塵效率，為袋式除塵器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 下進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器建模

1.1 三維建模及網(wǎng)格劃分

為研究袋式除塵器性能，對(duì)下進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器進(jìn)行模擬，其幾何模型如圖1所示。除塵器主體由進(jìn)口、箱體、袋室、灰斗、出口等組成。其中，箱體660 mm×460 mm×750 mm。共6個(gè)濾袋，濾袋長(zhǎng)630 mm、直徑140 mm。煙氣進(jìn)、出口為圓形，直徑140 mm。灰斗為倒四棱錐形，棱錐面與水平面夾角70°。煙氣從除塵器的下部進(jìn)入箱體，經(jīng)過濾袋的過濾、攔截、擴(kuò)散、碰撞和重力等作用，粉塵被捕集在濾袋上，凈化后的氣體由出口排出。

圖1 下進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器Fig.1 Below-inlet-wind internal bag filter

本研究利用SolidWorks軟件對(duì)下進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器進(jìn)行三維建模，再利用ICEM前處理軟件劃分成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，數(shù)量為660 000個(gè)。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

由于過濾速度低，假定內(nèi)部流動(dòng)為不可壓縮的牛頓流體[14]，不考慮清灰過程。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流相選用二階迎風(fēng)離散格式，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。湍流流場(chǎng)采用realizablek-ε雙方程模型[15]，其內(nèi)的流動(dòng)遵循質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律。

濾袋采用多孔跳躍邊界，其壓力損失主要為黏性損失，忽略內(nèi)部阻力項(xiàng)，即：

(1)

式中：ΔP為壓力損失，Pa；μ為流體黏度，Pa·s；α為滲透率，m2；υ為垂直濾袋表面速度分量，m/s；δ為濾料厚度，m。

當(dāng)過濾風(fēng)速一定時(shí)，濾料厚度與滲透率表征過濾介質(zhì)的透氣強(qiáng)度。當(dāng)過濾風(fēng)速為1.0 m/min時(shí)，不同滲透率及濾料厚度下除塵器的壓力損失見表1[16-19]。

表1 除塵器的壓力損失

1.3 邊界條件

假定氣相為空氣，模型邊界條件采用速度進(jìn)口和壓力出口邊界。當(dāng)過濾風(fēng)速過小，會(huì)增加總過濾面積，一次投資費(fèi)用增加；若過濾風(fēng)速過大，除塵器的壓力損失增大，能耗增加，且影響濾袋壽命。本研究模擬過濾風(fēng)速為1.0 m/min，出口壓力為-1 000 Pa，濾袋滲透率為7.0×10-12m2，厚度為3.00 mm。顆粒相為工業(yè)用活性焦脫硫脫硝塔出口粉塵，其堆積密度、真密度分別為0.497 5、1.806 6 g/cm3。利用激光粒度儀(LS-POP(9))測(cè)得粉塵粒徑分布，得到粉塵樣本中累計(jì)粒度分布達(dá)10%、25%、50%、75%、90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑分別為為0.59、1.34、2.72、4.76、7.17 μm。

2 模擬與優(yōu)化

2.1 除塵器模型流場(chǎng)分布

以除塵器的箱體建立坐標(biāo)系，出口下端為原點(diǎn)，箱體的長(zhǎng)、寬、高分別為x、y、z軸，即箱體的x為0～660 mm、y為0～460 mm、z為-170～580 mm。原除塵器在過濾風(fēng)速為1.0 m/min時(shí)，選取典型截面(除塵器灰斗截面(y=230 mm)、濾袋下截面(z=420 mm))觀察速度分布。由圖2(a)可知，氣流以較大速度進(jìn)入除塵器后，在進(jìn)口處形成射流。氣流在穿過濾袋時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失，故會(huì)向壓力損失小的灰斗方向運(yùn)動(dòng)，與灰斗壁面發(fā)生強(qiáng)烈沖擊。氣流在灰斗處形成渦流，不僅增加了粉塵在除塵器內(nèi)部的停留時(shí)間，阻止了顆粒直接進(jìn)入濾袋，而且還容易出現(xiàn)二次揚(yáng)塵現(xiàn)象，增加流動(dòng)阻力。由圖2(b)可知，高速的氣流使濾袋底部受到長(zhǎng)時(shí)間的沖刷，濾袋間隙速度波動(dòng)范圍較大，一方面加劇濾袋的磨損，影響其使用壽命，另一方面也容易引起局部顆粒堆積，導(dǎo)致濾袋內(nèi)外壓差變化大，降低除塵效率。研究發(fā)現(xiàn)，原除塵器局部流速過高，導(dǎo)致其內(nèi)氣流分布不均勻。

圖2 原除塵器不同截面速度云圖Fig.2 Velocity contours at different view section of the original filters

2.2 布袋除塵器優(yōu)化

為改善原除塵器流場(chǎng)分布，提出優(yōu)化方案。方案1是在原除塵器進(jìn)口處增設(shè)開孔率50%、孔徑30 mm的多孔板，不同截面的速度云圖如圖3所示。流體進(jìn)入除塵器后，由于多孔板的存在，氣流被分流，灰斗處的渦流減小，濾袋截面流場(chǎng)比原來均勻。然而，部分通過多孔板的流體仍然以較大的速度與灰斗壁面發(fā)生沖擊，袋室仍存在流場(chǎng)分布不均的情況。

圖3 方案1不同截面速度云圖Fig.3 Velocity contours at different view sectionunder programme No.1

方案1箱體內(nèi)局部流速仍然過大，流場(chǎng)分布不夠均勻，因此進(jìn)一步提出方案2。在方案1的基礎(chǔ)上，將進(jìn)口管改為漸擴(kuò)型進(jìn)口管，箱體中增設(shè)3塊導(dǎo)流擋板。根據(jù)式(2)計(jì)算導(dǎo)流擋板高度(h，mm)。此外，漸擴(kuò)型進(jìn)口管與水平面夾角為9°。方案2不同截面速度云圖如圖4所示。漸擴(kuò)型管道擴(kuò)大了進(jìn)口截面，流速減小，射流基本消失，對(duì)濾袋底部沖擊減小。灰斗底部的渦流消失，避免了二次揚(yáng)塵。增設(shè)導(dǎo)流擋板后，濾袋間隙速度趨于均勻，氣流被較均勻分配到各濾袋。方案2的優(yōu)化措施可有效改善濾袋流速分布不均的狀況，減少濾袋負(fù)荷，有利于提高除塵效率。對(duì)比除塵器優(yōu)化前后，通過增加導(dǎo)流擋板及多孔板，壓力損失由原除塵器的267.0 Pa增大到288.4 Pa，約增加8%。

(2)

式中：d為導(dǎo)流擋板序號(hào)；H為進(jìn)口高度，mm；f為濾袋列數(shù)。

圖4 方案2不同截面速度云圖Fig.4 Velocity contours at different view section under programme No.2

2.3 顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡

顆粒相在下箱體中運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。含塵煙氣進(jìn)入除塵器后，顆粒相在氣流的攜帶下，主要分成兩部分：(1)由于壁面附近氣流較大，沿灰斗側(cè)壁面向上發(fā)展，多數(shù)顆粒流向了靠近灰斗內(nèi)側(cè)的濾袋；(2)顆粒與壁面碰撞后，沿灰斗壁面向下繞流，形成較大的渦流，顆粒沿著渦流向下運(yùn)動(dòng)，然后在灰斗近壁面處向上發(fā)展，流向靠近進(jìn)口處的濾袋內(nèi)。與原除塵器相比，方案2的顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡分布更均勻，由于漸擴(kuò)型進(jìn)口管、多孔板的存在，顆粒流速降低，對(duì)濾袋底部沖擊減小。增設(shè)導(dǎo)流擋板后，顆粒與導(dǎo)流擋板發(fā)生碰撞，動(dòng)量減小，不僅減小了對(duì)濾袋的沖擊，而且還可以阻擋煙塵，降低二次揚(yáng)塵帶來的不利影響。顆粒相在氣流的攜帶下，被較均勻地分配到各濾袋，有利于提高除塵效率。綜上所述，優(yōu)化后除塵器內(nèi)粉塵在濾袋中分布均勻，保證了孔隙率變化穩(wěn)定。

圖5 顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Particle trajectories

3 流場(chǎng)均勻性判定

流場(chǎng)均勻性常用均方根(σ)值法來判定，即：

(3)

濾袋內(nèi)氣流分布評(píng)價(jià)采用流量分配系數(shù)(Kqi)法[20]，即：

(4)

式中：Qi為濾袋i實(shí)際處理煙氣體積流量，m3/s；Qmean為袋室平均處理煙氣體積流量，m3/s。

當(dāng)Kqi在1附近波動(dòng)時(shí)，越接近1表明除塵器內(nèi)流場(chǎng)分布越均勻，當(dāng)最大流量不均幅值(ΔKqi)越小，說明除塵器中濾袋間的最大與最小流量分配系數(shù)差值越小，即濾袋內(nèi)流量分配越均勻。本研究采用袋室中各濾袋出口煙氣體積流量表示濾袋實(shí)際處理風(fēng)量。

當(dāng)過濾風(fēng)速為1.0 m/min時(shí)，優(yōu)化前后各濾袋流量分配系數(shù)如圖6所示。原除塵器內(nèi)各濾袋體積流量不均勻，σ=0.280，大于0.25說明氣流分布不均勻。優(yōu)化后，Kqi在1附近波動(dòng)，ΔKqi由0.48降到0.16，σ=0.095，說明優(yōu)化后各濾袋內(nèi)處理風(fēng)量更均勻，氣流分布更均勻。

4 模型驗(yàn)證

在數(shù)值模擬中，數(shù)值模型及求解器參數(shù)的選擇對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要影響，因此需要對(duì)模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。設(shè)定進(jìn)口速度為8.5 m/s進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量原除塵器出口斷面徑向距離上不同位置的氣流速度，并與相同位置上模擬值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)值與模擬值在近壁面處誤差相對(duì)較大，這種誤差的產(chǎn)生主要是由模擬時(shí)采用了簡(jiǎn)化處理的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。但出口氣流速度模擬值與試驗(yàn)值總體變化規(guī)律很接近，均以管道中心為軸基本成對(duì)稱分布，結(jié)果吻合性較好，因此模擬具有一定可靠性。

圖6 流量分配系數(shù)Fig.6 Airflow distribution coefficient

圖7 除塵器出口氣流速度試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.7 Comparison between experimental and simulated values of velocity distribution at the outlet of the filter

對(duì)原除塵器進(jìn)行壓力損失試驗(yàn)，控制過濾風(fēng)速為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/min，測(cè)得原除塵器的進(jìn)出口壓力，實(shí)測(cè)壓力損失與原除塵器處理含塵氣流時(shí)模擬壓力損失進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。隨過濾風(fēng)速的增加，原除塵器的壓力損失逐漸增大，產(chǎn)生的能耗也越大，故原除塵器的過濾風(fēng)速不宜過大。實(shí)測(cè)壓力損失略大于模擬壓力損失，這是由于試驗(yàn)中接頭、管道會(huì)產(chǎn)生壓力損失；實(shí)測(cè)與模擬壓力損失吻合性較好，相對(duì)誤差最大不超過8.6%，模擬可信。

5 結(jié) 論

在過濾風(fēng)速為1.0 m/min時(shí)，原除塵器進(jìn)口處流速較大，射流使得濾袋磨損嚴(yán)重，灰斗處存在渦流，易引起二次揚(yáng)塵。經(jīng)改變進(jìn)口形狀、增設(shè)多孔板和導(dǎo)流擋板后，除塵器進(jìn)口處射流及灰斗處渦流消失，箱體內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，對(duì)濾袋底部沖刷減小，顆粒相分配較均勻，保證了孔隙率變化穩(wěn)定。對(duì)比速度分布及壓力損失實(shí)測(cè)結(jié)果，兩者吻合性較好。

圖8 不同過濾速度下除塵器壓力損失數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照Fig.8 Comparison of simulation and experimental results of the filter pressure loss at different velocities