袋式除塵器內部流場數值模擬研究

劉影,周天宇，李剛

（1.安徽工業大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 前言

目前在我國，電力行業是消耗煤炭的最大部門，也是工業粉塵主要排放的部門。隨著我國環保力度的加大，對煙囪出口排放的濃度標準越來越高，袋式除塵器也是我國出現最早的除塵器種類之一，作為電力行業應用最廣泛的除塵設備之一，對袋式除塵器進行優化改造，提高袋式除塵的除塵效率，具有十分重要的現實意義。其除塵效率不僅與濾袋的材質、性能有關，還與除塵器內部結構有關。袋式除塵器內部流場不均勻，容易破壞濾袋，阻力變高。本文通過流體力學軟件對除塵器的流場進行數值模擬，為袋式除塵器的結構優化提供了依據。

1 建立數值模型

1.1 袋式除塵器工作原理

當含塵氣流從進風口進入后，有一部分的粉塵由于自重的原因落入灰斗中，還有一部分的氣體由于濾料纖維等作用被濾袋阻攔，附在濾袋表面。氣流的擾動會使吸附在濾袋上的粉塵脫落。當灰斗內部粉塵積累到一定量的時候，會開啟泄壓閥，粉塵可以再次回收利用。

1.2 建立幾何模型與網格劃分

以某項目中袋式除塵器為例，其結構如圖1所示。該除塵器主要由進氣口、出氣口、除塵室、凈氣室、濾袋、灰斗等組成。進氣口的截面為800 mm×400 mm的方形，排氣口為直徑250mm的圓形開孔，灰斗是倒四棱錐。除塵器中共有6條圓形濾袋，每條濾袋的直徑為200mm，長度為1800mm。

圖1 袋式除塵器結構示意圖

網格的劃分是數值模擬的前提，好的網格質量也對應了更加準確的結果。本文利用ICEM進行網格劃分，為了保證計算精度，應盡可能減少網格的數量，并采用規則形狀的網格。建立模型時，只考慮袋式的進口到天花板，不考慮其他部件對模擬效果的影響。濾袋屬性設為多孔介質模型，根據除塵器內部流場及幾何模型的特征，采用非結構化網格進行劃分。袋式除塵器的有限元模型見圖2所示。

圖2 有限元模型

1.3 控制方程

本文將入口空氣看作為不可壓縮流體，利用FLUENT模擬軟件模擬袋式除塵器時，連續相計算采用標準k－ε湍流模型，具體的控制方程如下。

①連續性方程:

②動量守恒方程：

③湍動能方程：

④耗散率方程：

1.4 邊界條件

袋式除塵器是復雜的三維流場，本文采用的k－ε方程湍流模型，壓力－速度耦合采用SIMPLE算法，選取一階迎風離散格式。濾袋采用多孔介質模型，壓力滿足Darcy公式。具體邊界條件如下表所示。

邊界條件

2 計算結果與分析

通過數值模擬的計算，獲得了袋式除塵器壓力，速度分布的云圖，利用后處理將云圖進一步優化，現采用ZX平面的速度云圖進行分析。

2.1 初始模型結構分析

從圖3（a）我們可以發現，粉塵通過入口進入到袋式除塵器內部后，由于空間范圍變大，粉塵向周圍擴散。在擴散的同時，粉塵以較大的速度對最右側的濾袋進行了沖擊，從而對這部分區域的濾袋磨損更加嚴重，減少了袋式除塵器整體的使用壽命。圖3還可以看出粉塵進入到袋式除塵器內部后，入口速度過大之外，在灰斗處也有高速的氣流?？梢钥闯龌叶方诿嫣幩俣容^大，容易造成二次揚塵，影響除塵的效率，并且又不利于粉塵顆粒的收集，導致該除塵器內部流場的不均勻。

圖3（a） Y=0.95截面

從圖3可知，入口處氣流流速比較大，氣流間歇速度過大。正對入口截面的濾袋如圖3（b）所示，風速比Y=1.47的截面的風速更大，對濾袋的沖刷更嚴重。

圖3（b） Y=1.47截面

2.2 改變速度后結果分析

考慮到原結構流場的不均勻，通過改變邊界條件即進氣速度，來對除塵器進行數值模擬，三個速度分別為7m/s、8.5m/s、10m/s，如圖4所示。

當入口進氣速度增大到10 m/s時，數值模擬的流場速度云圖分布見圖4（b），與圖3以及圖4（a）進行比較，發現在除塵器內部，氣流獲得了更大的水平方向速度，從第一排濾袋到第二排濾袋，氣流在整個區域內更加均勻。

圖4（a） v=8.5m/s

圖4（b） v=10m/s

2.3 改變結構后結果分析

在選取速度為10m/s的基礎上，對除塵器內部的結構進行改變，通過增加擋板進行優化，擋板的作用是為了避免入口處煙氣直接沖擊布袋造成入口處布袋負荷過重，而其他部分負荷太輕，目的就是讓流場更均勻。具體的流場圖見圖5所示。加入擋板后，氣流沿著壁面緩慢向下運動，速度也逐漸降低。進入到布袋的流體速度也只有2m/s左右，對濾袋的沖擊也相對溫和一點，不會造成嚴重的磨損。加入擋板后，流場均勻性得到了改善，優化后的流場可以減少二次揚塵，減少粉塵氣流對濾袋的沖刷。

圖5 Y=0.95

3 結論

①我們能夠利用CFD-FLUENT軟件進行數值模擬，模擬袋式除塵器的內部流場，探討內部流場的均勻性，能夠有效地反映出內部的流動狀態，為袋式除塵器氣流分布、結構優化設計提供了依據。

②原始的袋式除塵器內部流場分布不均勻，當含塵氣流進入除塵器內部時，對入口側的濾袋沖刷嚴重，濾袋的負荷過大，從而會對濾袋造成損壞，進而減少使用壽命。遠離入口側的部分濾袋得不到充分利用，會降低整個除塵器的除塵效率。

③通過改變進氣速度，分別比較7m/s、8.5m/s、10m/s時候的流場，發現當進氣速度達到10m/s時，流體在水平方向上速度更大，提高了除塵效率。袋式除塵器內部流場會更加均勻。

④通過結構的優化，在入口處增加了擋板，使粉塵的擴散方向發生了改變。大顆粒粉塵直接與擋板碰撞，順著擋板流入灰斗中，減少了對濾袋的沖刷，提高了除塵效率。