袋式除塵器的模塊化結構設計及模擬試驗分析

王建 沈恒根

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

袋式除塵器以其除塵效率高、適用范圍廣等優點被廣泛應用于電力、鋼鐵等行業[1]。對于袋式除塵器運行壽命有著重要影響的核心部件濾袋是其能夠長期穩定的關鍵因素[2]。實際應用表明，濾料選型不合理、加工不當、機械磨損、化學腐蝕、煙氣溫度過高、結露粘結等原因引起濾袋破損失效，從而導致粉塵泄漏，給機組造成安全隱患以及引起排放濃度超標等問題時有發生[3-4]。常規袋式除塵器容易單條濾袋破損后形成煙氣通道，加速相鄰濾袋，噴吹孔及花板的磨損進而使整臺設備失效，引發嚴重損失，但目前針對濾袋失效后處理措施主要是關閉對應倉室或關閉整臺設備進行檢修更換濾袋，會給整個除塵系統的穩定運行帶來巨大影響，不僅可能會引發排放超標，也會對剩余處于超負荷運行的濾袋帶來巨大的磨損，加速濾袋的損壞。對于一系列由于濾袋失效而引起的除塵系統故障，目前研究多處于尋求相關預防措施和故障發生后停機檢修措施針對上述問題[5-6]。對標傳統袋式除塵器，在結構上做出改變設計，設計出一種新型直流式模塊化袋式新型除塵器，在保證了袋式除塵器高效除塵能力的基礎上，大大提高了運行的穩定性，有利于整機的長期平穩運行。

1 模塊化袋式新型除塵器結構設計

新型袋式除塵器采用扁條形濾袋如圖1（a）所示，規格尺寸為8000 mm×5000 mm×100 mm，單條濾袋破損可通過提升裝置單獨離線如圖1（b），不影響同箱體內其他濾袋繼續運行，袋式除塵器可繼續工作，提高運行的穩定性。每八片濾袋組成一個單元模塊如圖1（c）所示，可實現以模塊組的形式對濾袋進行更換，解決了濾袋更換困難問題。新型袋式除塵器煙氣過濾方式如圖2 所示，為直流式設計，可大大減小袋式除塵器運行阻力。

圖1 新型袋式除塵器箱體構造示意圖

圖2 過濾箱體氣流運動示意圖

表1 給出了該除塵器的規格。為了更清楚對該新型袋式除塵器的空間認識，圖3 給出了該除塵器的三維模型結構圖。

表1 新型袋式除塵器規格

圖3 袋式除塵器三維模型結構圖

2 各過濾箱體流量分配

由文獻[7-8]可知，可利用流量偏差和不均方根值對氣流分配均勻程度進行評價。通過對該袋式除塵進行數值模擬結果進行處理，得出各個過濾倉室入口平均流量并根據流量偏差公式和均值方根公式進行計算，可得出各個過濾倉室的流量偏差，表2 給出了各個倉室的煙氣流量，其流量偏差及均方根值。

式中：Li為第i 個過濾倉室的煙氣流量，m3/h；L 為四個過濾倉室的煙氣平均流量，m3/h；σ 為均值方根。

表2 過濾倉室處理風量分配

從表2 中可看出，第2 個過濾箱體和第3 個過濾箱體處理的煙氣量較大，煙氣流量值偏差較小。第1個過濾箱體和第4 個過濾箱體處理的煙氣量較小，其煙氣流量值和流量偏差也很接近，從表2 可以清楚看到，該新型袋式除塵器的流量偏差絕對值均小于5%，能夠符合設計及運行要求。

3 新型袋式除塵器各部分速度場分布和壓力場分布

新型袋式除塵器內部結構復雜，本節通過數值模擬的方法分析了新型袋式除塵器各部分速度場分布和壓力場分布。

3.1 濾袋迎風截面氣流分布

圖4 給出了過濾箱體入口迎風截面處（Y=0.1 m）的速度分布云圖和壓力分布云圖。從圖4（a）可看出，在濾袋高度的1/4 與3/4 附近的位置上，氣流速度較同一截面上其它位置速度較高，達到5 m/s 左右。從圖4（b）可看出，靜壓分布在濾袋高度的1/2 處，明顯高于同截面的其它位置。由袋式除塵器結構可知，濾袋高度的1/2 位置與新型袋式除塵器進口處于同一水平高度，含塵煙氣在除塵器入口進入后，在喇叭口的均布作用下，進入過濾箱體內部，與過濾箱體中的濾袋碰撞后向上下兩個方向轉移，故會出現圖4（a）中的速度分布情況。含塵氣流與濾袋碰撞時動壓急劇減小，靜壓增大，導致圖4（b）中的靜壓分布情況。

圖4 過濾箱體入口迎風截面處（Y=0.1 m）速度、壓力分布圖

3.2 濾袋平行于底部截面氣流分布

圖5 給出了濾袋底部截面處（Z=-0.1 m）的速度分布云圖和壓力分布云圖。從圖5（a）中可看出，濾袋底部截面靠近過濾箱體前部位置處的氣流速度較大，速度最大值達6.5 m/s，其后部位置處的氣流速度較小。從圖5（b）中可看出，濾袋底部各部分壓力分布較為均勻。入口氣流經喇叭口起到氣流均布的作用后，部分氣流流入灰斗，經過灰斗壁的作用，反射進入過濾箱體內部，從而導致圖5（a）所示的現象。

圖5 濾袋底部截面處（Z=-0.1 m）的速度、壓力分布圖

3.3 濾袋間隙氣流分布

除塵器過濾箱體中包含的四個過濾倉室是關于中線呈對稱分布，因此根據對稱面中一側的過濾倉室研究，即可由對稱性推測整個過濾箱體的氣流組織情況。為了更清楚的分析濾袋間隙的氣流分布情況，圖6給出了截面截取的分布圖，截取位置為X 方向上的3.8 m，4.4 m，5.4 m 和6.0 m 位置處的濾袋間隙。

圖6 選取截面分布圖

圖7 給出了濾袋間隙截面（X=3.8 m、4.4 m、5.4 m、6.0 m）的速度分布云圖。由圖7 中可以看出，氣流進入過濾箱體后分別從過濾箱體前部，上部和下部呈包裹狀進入到過濾間隙，然后逐漸擴散到間隙的其他部位，濾袋間隙速度絕大部分均保持在相對較低的風速下，擾動較小，有利于粉塵粒子在濾袋表面的沉降，有利于提高過濾效率。

圖7 濾袋間隙截面速度分布圖

圖8 濾袋間隙截面在Z 方向的氣流速度分布圖

圖8 給出了濾袋間隙截面（X=3.8 m、4.4 m、5.4 m、6.0 m）處，沿濾袋間隙高度Z 方向取-0.5 m，-4.0 m 和-7.5 m 的位置處，沿煙氣前進方向（Y 方向）的氣流速度分布圖。從圖8 中可以看出，不同的濾袋間隙在相同濾袋間隙高度處沿煙氣前進方向的速度變化趨勢基本呈現一致分布。在Z=-7.5 m 高度上，煙氣前進速度Vy呈現先增加后減小的趨勢，速度大小主要在2.5～0.5 m/s 范圍之間，且速度變化較為緩慢，波動幅度較小，有利于粉塵在濾袋壁面的沉積。處于距袋底距離較短的Z=-0.5m 高度的Vy整體變化趨勢也是呈現先增后減趨勢，可能由于灰斗上升氣流造成的干擾，Vy出現波動，且隨間隙越遠離中線（X 增大），波動逐漸減小，當X=6.0 m 時已無明顯波動趨勢。對于過濾箱體的高度中間位置（Z=-4 m）Vy變化趨勢基本相同從2 m/s 逐漸下降到0 m/s，然后保持基本不變。結合圖4（a）可知，這種現象是由于煙氣主流進入過濾箱體時被分為上下兩部分，處于1/2 高度上的氣流速度驟減造成的。

3.4 濾袋表面平均過濾風速

圖9 給出了濾袋表面截面（X=3.65 m、4.25 m、5.25 m、5.85 m）處的氣流速度分布云圖。由圖9（a）～（d）中可以看出，濾袋邊緣處的過濾氣流速度較高，最大氣流速度達到1.8 m/min，但相對而言占比較小，選取的四個截面的面平均實際過濾風速分別為0.691 m/min，0.690 m/min，0.692 m/min 和0.690 m/min，均為較理想的過濾風速。

圖9 濾袋表面過濾氣流速度分布云圖

3.5 新型袋式除塵器的運行阻力

圖10 給出了新型袋式除塵器全壓（皮托管壓力）分布圖。從圖10 中可以看出，新型袋式除塵器進出口全壓差可計算得出除塵器整體的阻力損失為260 Pa，此結果為濾料為全新濾料（沒有粉塵層包裹）清潔氣體時的阻力損失。

圖10 除塵器全壓分布圖

4 結論

本文對傳統袋式除塵器過濾箱體進行結構上改變，設計出一種新型直流式模塊化袋式除塵器，能夠實現對單條濾袋到整個過濾倉室的關閉，在出現濾袋破損時，可實現破損濾袋離線而不影響整體運行，很大程度上提高袋式除塵器運行穩定性，具有良好的工程實用價值。并且，利用CFD 數值模擬的方式對該種袋式除塵器進行分析，得到以下結論：

1）該種袋式除塵器氣流分配均勻性較好，各過濾倉室氣體流量分配偏差最大值為-4.65%，均值方根為0.043，根據美國RMS 標準氣流分布達到了優秀。

2）濾袋表面平均實際過濾風速在0.69 m/min 能有利于提高除塵效率，實現更低顆粒物的排放濃度。

3）直通式的箱體結構可有效降低運行阻力，該新型袋式除塵器整體阻力損失（沒有粉塵層包裹）相對較低約為260 Pa，有利于除塵器運行節能。