濾筒除塵器環形射流脈沖噴吹清灰的模擬研究

牛兵兵， 樊越勝， 李哲然， 田國記，張 鑫， 劉 婷， 武書恒

(1.西安建筑科技大學 建筑設備科學與工程學院， 陜西 西安 710055； 2.中冶焦耐(大連)工程技術有限公司， 遼寧 大連 116085)

1 概述

濾筒除塵器于20世紀70年代出現在日本和一些歐美國家，是在袋式除塵器的基礎上研制出的一種除塵器，具有效率高、除塵阻力低、占地面積小、節能效果好、維修方便、投資省等優點[1-2]。

濾筒除塵器的脈沖噴吹清灰方式主要依靠圓形噴嘴形成的圓形射流脈沖噴吹清灰，雖然結構簡單，但存在噴吹氣流分布不均、偏心及清灰不徹底、不均勻等問題[3-6]。與傳統的圓形射流相比，環形射流呈環狀向四周均勻擴散，具有誘導混合性強的特點，能夠誘導卷吸更多的二次空氣，提高了引射效率，減少一次空氣流量，節能效果突出[7-11]。本文對環形射流脈沖噴吹的清灰性能進行模擬研究，并與圓形射流脈沖噴吹清灰方式進行比較。

2 濾筒除塵器脈沖噴吹清灰流程

濾筒除塵器的結構見圖1。在除塵工況下，含塵氣體由濾筒外壁(不含底面)進入濾筒內，過濾后變為清潔氣體，經凈氣室排出除塵器。在清灰工況下，脈沖噴吹氣流(空氣)經噴吹管、噴嘴后，吹入濾筒內部，在噴吹氣流脈動噴吹的作用下，濾筒外壁粘附的灰塵脫落并落入集塵箱中。

圖1 濾筒除塵器的結構

3 幾何模型

以單個濾筒為對象，忽略相關儀表構件，僅保存噴嘴、花板、濾筒、凈氣室、含塵氣體空間建立幾何模型。分別采用環形射流噴嘴、圓形射流噴嘴的幾何模型見圖2。環形射流噴嘴的尺寸見圖3，圖中數值相應的單位為mm。圓形射流噴嘴為圓柱形，內直徑為10.6 mm，高40 mm。濾筒直徑為280 mm，高為660 mm。噴吹距離(噴嘴出口與花板的間距)為200 mm。計算域為直徑500 mm、高1 200 mm的圓柱體。濾筒底面距計算域底面的距離為100 mm。

圖2 分別采用環形射流噴嘴、圓形射流噴嘴的幾何模型

圖3 環形射流噴嘴的尺寸

4 模型設置及驗證

使用FLUENT進行模擬，采用二維非穩態、可壓縮流動的Realizablek-ε湍流模型及SIMPLE算法，計算域的頂面為壓力進口(pressure-inlet)，底面為壓力出口(pressure-outlet)，壓力均為標準大氣壓。計算域壁面、花板、濾筒底面、噴嘴外壁均設置為固體壁面邊界條件(wall)，采用標準壁面函數法。濾筒的壁面設置為多孔跳躍介質(porous-jump)[12]。噴吹時間設置為100 ms。噴嘴出口設為壓力入口，噴吹壓力為0.3 MPa。

將模擬結果(環形射流)與文獻[7]相近條件下的有限空間環形射流的實驗結果進行對比。對于有限空間軸線上相同位置的速度分布，模擬結果的變化與實驗結果基本一致，這說明本文采用的湍流模型、邊界條件等合理。

5 模擬結果及分析

采用環形射流方式、圓形射流方式的計算域速度云圖分別見圖4、5。由圖4可知，10 ms時，環形射流由噴嘴噴出，一次氣流在噴嘴外充分發展并誘導卷吸大量凈氣室內的二次氣流，一次氣流和被誘導卷吸的二次氣流進入濾筒。在20～30 ms，隨著一次氣流、二次氣流進入濾筒，濾筒中原有的空氣被擠出，可認為開始清灰。由于噴吹氣流不穩定，其動壓無法轉化為靜壓，此時為非有效清灰氣流。在30～60 ms，噴吹氣流逐漸膨脹并向流場中心靠攏，中心速度場變得均勻，濾筒內部的噴吹壓力逐漸趨于穩定，噴吹氣流的動壓轉化為靜壓，形成有效的清灰氣流。在60～100 ms，凈氣室內的速度場趨于穩定，一次氣流的誘導卷吸作用已經減弱，進入濾筒的氣流充分膨脹，噴吹氣流均勻穩定地從濾筒壁流出，將動壓充分轉化為靜壓進行有效清灰。

圖4 采用環形射流方式的計算域速度云圖

由圖5可知，與環形射流相比，圓形射流的卷吸作用很弱，進入濾筒的氣流基本為從噴嘴噴吹的一次氣流。氣流對稱性差，易出現氣流偏心的現象，造成濾筒一側氣流速度高，清灰過度，而另一側清灰效果差。氣流作用范圍小(濾筒徑向方向)，氣流沿濾筒軸線直接噴吹到濾筒底部，沒有沿著濾筒壁面貼附向前運動，清灰效果亞于環形射流。

圖5 采用圓形射流方式的計算域速度云圖

采用環形射流方式的計算域流場(30 ms)見圖6。由圖6可知，流場中存在對稱的高速渦流。當噴吹氣流進入凈氣室后，計算域壁面、花板使噴吹外邊界層周圍的流線彎曲、卷起，導致凈氣室內形成反向旋轉的對稱高速渦流，對凈氣室內氣流的誘導卷吸和噴吹氣流的發展起著重要作用。在濾筒入口的流場中心處，兩個渦流影響到進入濾筒的噴吹氣流，將噴吹氣流均勻地分配到濾筒壁面，避免了氣流偏心導致的清灰不均勻。

圖6 采用環形射流方式的計算域流場(30 ms)

采用環形射流方式、圓形射流方式的壓力場云圖(20 ms)見圖7。由圖7可知，采用環形射流方式時，濾筒入口的負壓區面積遠小于圓形射流方式，濾筒軸向的壓力變化更為緩慢，沿濾筒徑向的壓力分布更為均勻。說明環形射流方式的清灰均勻性更好。

圖7 采用環形射流方式、圓形射流方式的壓力場云圖(20 ms)

6 結論

與環形射流相比，圓形射流的卷吸作用很弱，進入濾筒的氣流基本為從噴嘴噴吹的一次氣流。氣流對稱性差，易出現氣流偏心現象，造成濾筒一側氣流速度高，清灰過度，而另一側清灰效果差。氣流作用范圍小(濾筒徑向方向)，氣流沿濾筒軸線直接噴吹到濾筒底部，沒有沿著濾筒壁面貼附向前運動。采用環形射流方式時，濾筒入口的負壓區面積遠小于圓形射流方式，濾筒軸向的壓力變化更為緩慢，沿濾筒徑向的壓力分布更為均勻。環形射流方式的清灰均勻性更好。