超長夾道預(yù)荷電袋濾器氣流分布設(shè)計與應(yīng)用*

陳志煒 姚群 呂璐 許漢渝 邵能杰 汪衛(wèi)章 鄭旭

(中鋼集團天澄環(huán)保科技股份有限公司 武漢 430205)

0 引言

隨著國家高度重視生態(tài)環(huán)境保護，我國大氣污染得到了有效遏制，城市空氣質(zhì)量明顯改善。然而，大氣污染狀況依然嚴峻，與發(fā)達國家相比差距仍然較大。2019 年我國環(huán)境空氣中 PM2.5濃度大致是歐美當前水平的 2.5～4.5倍，是世界衛(wèi)生組織基于健康影響的準則值的 3.6倍[1]。2017年全國煙塵排放總量796.3萬t[2]，其中，工業(yè)煙塵約占80%，隨著各工業(yè)行業(yè)超低排放和提標改造行動全面推進實施，當前排放的工業(yè)煙塵基本為細顆粒物。顯然，控制工業(yè)煙氣細顆粒物 PM2.5的排放依然是改善城市空氣質(zhì)量的有效途徑，但任務(wù)依然艱巨。細顆粒物高效控制技術(shù)和裝備已形成較大的市場需求，預(yù)荷電袋濾器是高效節(jié)能的工業(yè)煙氣細顆粒控制新技術(shù)和新裝備，已有30多臺套的成功應(yīng)用，節(jié)能減排效果顯著，已成為鋼鐵爐窯煙氣細顆粒物超低排放和節(jié)能改造的主流技術(shù)裝備。鋼鐵爐窯煙氣普遍風量大、除塵器箱體長，對于大型超長夾道預(yù)荷電袋濾器氣流組織與氣流分布至關(guān)重要，關(guān)系到設(shè)備的長期可靠運行和項目的成敗，應(yīng)倍加重視。

1 預(yù)荷電袋濾器結(jié)構(gòu)及特性

1.1 基本構(gòu)成與特點

預(yù)荷電袋濾器是國家重點研發(fā)計劃課題研究成果，是專門針對工業(yè)煙氣細顆粒物(PM2.5)高效控制的新技術(shù)裝備。其核心技術(shù)及典型結(jié)構(gòu)是將預(yù)荷電裝置與直通均流式袋式除塵器有機結(jié)合形成復(fù)合裝置(如圖1所示)，主要由粉塵預(yù)荷電裝置、直通式袋式除塵器、氣流分布裝置、新型清灰裝置、超細面層梯度濾料+高嚴密濾袋接口的濾袋結(jié)構(gòu)以及智能控制裝置等有機集成。眾多工程應(yīng)用實踐表明，預(yù)荷電袋濾器具有高效去除PM2.5、實現(xiàn)顆粒物10 mg/m3以下超低排放、節(jié)能效果顯著等突出特點。

圖1 預(yù)荷電袋濾器結(jié)構(gòu)外形[3]

1.2 與傳統(tǒng)袋式除塵器的對比

眾多工程實踐表明，典型預(yù)荷電袋濾器(代號“YZD”)與傳統(tǒng)分倉室長袋低壓脈沖袋式除塵器(代號“CDD”)對比，在占地面積、運行阻力、節(jié)能降耗等方面具有明顯優(yōu)勢，在處理風量120萬m3/h，同等濾袋規(guī)格及數(shù)量下，二者的技術(shù)經(jīng)濟對比如表1所示。

表1 預(yù)荷電袋濾器與傳統(tǒng)袋式除塵器技術(shù)經(jīng)濟比較

2 氣流組織與氣流分布

2.1 預(yù)荷電袋濾器氣流分布設(shè)計要求

對于大型預(yù)荷電袋濾器，氣流組織與氣流分布至關(guān)重要，其目的和功能是控制濾袋袋束的迎風速度，避免高速含塵氣流沖刷濾袋導(dǎo)致破損；控制袋底上升氣流的比率和速度，利于粉塵沉降；控制并促使不同區(qū)域的過濾負荷均衡。

為有效防止高速含塵氣流直接沖刷濾袋，保障濾袋長壽命；促進微細粒子沉降、減輕清灰后粉塵二次揚塵，保障低阻和低排，大型預(yù)荷電袋濾器氣流分布技術(shù)要求與設(shè)計要點包括：

(1)氣流分布裝置設(shè)計宜采用CFD流場數(shù)值模擬分析技術(shù)，必要時可采用相似模化冷態(tài)試驗進行分析和設(shè)計。

(2)氣流組織宜從除塵器正面、側(cè)面和底部3個方向進行輸送和分配。

(3)袋束前200 mm處迎風速度平均值不宜大于1 m/s；濾袋底部下方200 mm處氣流平均上升速度不宜大于1 m/s[4]。

(4)在預(yù)荷電裝置與過濾區(qū)域之間，應(yīng)設(shè)置氣流分布板，宜采用格柵板，其開孔率應(yīng)根據(jù)具體情況和要求進行設(shè)計計算；氣流分布板與首層袋束的距離不宜<1 m。

(5)除塵器內(nèi)部應(yīng)設(shè)置內(nèi)部夾道，引導(dǎo)氣流向后部過濾區(qū)域輸送，夾道風速不宜>5 m/s。

2.2 氣流分布模擬分析方法

對于超長本體和超長夾道(長度>50 m)的預(yù)荷電袋濾器，氣流組織與氣流分布尤為關(guān)鍵，其優(yōu)劣程度將直接關(guān)系到除塵器的長期穩(wěn)定運行和項目的成敗，也是此類除塵器設(shè)計的重點和難點。

為確保實際工程項目大風量超長夾道預(yù)荷電袋濾器的長期可靠運行，根據(jù)上述氣流分布技術(shù)要求和設(shè)計要點，采用CFD方法對其氣流分布設(shè)計進行針對性分析，通過數(shù)值計算方法模擬研究設(shè)備內(nèi)部的速度場，從而獲得理想的速度分布與設(shè)計方案。對于速度場采用截面平均值分析法，計算各個截面的速度值，速度場分布的評價方法采用離散系數(shù)(Coefficient of Variance, CV)進行評價，當離散系數(shù)越大時，說明該截面的流場波動較大、越不佳；反之，則說明波動較小、越理想。

除塵器氣流分布CFD流場數(shù)值模擬分析遵循的基本原則：

(1)三維建模采用1∶1的建模原則，分析模型必須與實際設(shè)計相符。對流體影響較小的煙道內(nèi)部支架可簡化處理或忽略。

(2)根據(jù)袋濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，網(wǎng)格劃分可采用六面體和四面體網(wǎng)格，單個網(wǎng)格體積宜不大于0.01 m3。

(3)邊界條件設(shè)計符合雷諾數(shù)相似準則，馬赫數(shù)小于0.4可采用不可壓縮牛頓流體、系統(tǒng)出口為均勻壓力等假設(shè)條件。

(4)采用k-ε湍流模型模擬裝置內(nèi)部煙氣速度場和壓力場的方法。

3 應(yīng)用案例

某大型鋼廠新建煉鋼連鑄系統(tǒng)有4座210 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、4座在線吹氬站、3套210 t LF爐、2套210 t RH爐、3套210 t機械攪拌脫硫站、3臺方坯連鑄機、2臺板坯連鑄機等。環(huán)境除塵配套1 350 000 m3/h除塵器共計9臺套，為滿足節(jié)能和超低排放要求采用預(yù)荷電直通式袋濾器，目前已有多臺建成投運，效果良好。現(xiàn)以其中一臺已投運的單機單通道處理風量1 350 000 m3/h的預(yù)荷電袋濾器為例，介紹氣流分布模擬分析及應(yīng)用情況。

3.1 設(shè)計參數(shù)

該項目預(yù)荷電袋濾器主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 熔融鋁液遇水爆炸能量評估

3.2 計算分析思路

由表2可知，對于單機單通道處理風量1 350 000 m3/h的預(yù)荷電袋濾器，設(shè)備長度達55.2 m，這對于除塵器氣流組織與氣流分布的要求極高、難度極大。為確保萬無一失，采取“總結(jié)分析+類比計算+模擬分析”的思路與方法開展設(shè)計工作，主要步驟如下：

(1)總結(jié)分析同類型除塵器結(jié)構(gòu)的成功做法，提出氣流組織初步方案。

(2)結(jié)合類似成功案例分析結(jié)果，根據(jù)氣流組織基本要求，對除塵器正面(迎風面)、側(cè)面(夾道)和底部3個區(qū)域的風量分配和氣流分布裝置結(jié)構(gòu)進行初步設(shè)計。

(3)根據(jù)初步設(shè)計方案進行CFD建模初步模擬分析，除塵器CFD分析模型如圖2所示。

圖2 CFD分析模型

(4)根據(jù)CFD結(jié)果，分析和調(diào)整氣流組織方案和氣流分布裝置結(jié)構(gòu)，再次模擬并分析結(jié)果。重復(fù)上述策略，直至滿足要求。

(5)根據(jù)CFD分析結(jié)果，確定最終氣流組織方案和氣流分布裝置結(jié)構(gòu)，開展施工圖設(shè)計。

3.3 分析結(jié)果

(1)正面(迎風面)分析結(jié)果。該項目預(yù)荷電袋濾器入口由孔板和格柵板2層氣流分布裝置構(gòu)成，經(jīng)多次CFD分析調(diào)整和復(fù)算，獲得正面風量約20萬m3/h，迎風面平均斷面風速1.1 m/s，基本符合理想要求，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 入口迎風面速度云圖

(2)側(cè)面(夾道)區(qū)域分析結(jié)果。除塵器側(cè)面(夾道)由全鋼板區(qū)、2種不同間距的折流板區(qū)和無鋼板區(qū)4個區(qū)域構(gòu)成，經(jīng)CFD分析和多次調(diào)整與復(fù)算，獲得側(cè)面風量約85萬～90萬m3/h，袋束側(cè)部迎風面平均斷面風速由前至后分別為1.0、0.43、0.67、0.91 m/s，均符合理想要求，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 夾道區(qū)域袋束側(cè)部迎風面速度云圖

3.4 運行情況

該除塵器已穩(wěn)定運行超1 a，主要運行及性能測試參數(shù)見表3。

表3 主要運行及性能測試參數(shù)

4 結(jié)論

(1)預(yù)荷電袋濾器是專門針對細顆粒物凈化的新技術(shù)裝備，具有高效去除PM2.5、實現(xiàn)顆粒物10 mg/m3以下超低排放、節(jié)能減排效果顯著等突出特點。

(2)預(yù)荷電袋濾器比傳統(tǒng)袋式除塵器在占地面積、運行阻力、節(jié)能降耗等方面優(yōu)勢明顯。

(3)對于超長夾道大型預(yù)荷電袋濾器，氣流組織與氣流分布至關(guān)重要，控制好各區(qū)域過濾負荷均衡、各過濾區(qū)域袋束迎風面速度是核心和關(guān)鍵。

(4)工程案例實踐表明，采取“類比計算+CFD模擬分析”的方法指導(dǎo)氣流組織與氣流分布設(shè)計是有效技術(shù)途徑。