袋式除尘器内部流场的数值模拟研究

张广朋, 袁竹林

(东南大学能源与环境学院,南京 210096)

袋式除尘器是利用有机纤维和无机纤维编织物制作的袋式过滤元件将含尘气体中固体颗粒物滤出的高效干式除尘设备,它用于捕集非黏结性、非纤维性的工业粉尘,具有除尘效率高、运行稳定可靠、结构简单及可处理高浓度的含烟尘气等优点[1].袋室是袋式除尘器的执行部分,袋室内的气流分布是决定除尘器工作性能和使用寿命的关键因素[2-3].气流不均易造成袋室内某个位置的布袋或布袋的某个位置破损,而其他位置的布袋在除尘过程中所起的作用较小.袋式除尘器内气流分布比较复杂,不容易进行试验测试,对袋式除尘器气流均匀性的研究主要是使用计算流体动力学软件进行数值模拟分析.近年来,各国学者在这方面进行了许多研究,Vladimir A等对Fluent软件提供的多相流模型进行了综合比较,指出3种多相流模型(VOF,Mixture,Eulerian)模拟旋风除尘器流场所需的条件[4].金颖等运用Fluent软件模拟计算了小尺寸下的简单烟气扩散规律,证明了该软件模拟烟气扩散问题的可行性.党小庆等利用CFD方法对箱体流量分配和气流分布进行了数值模拟,给出了实现箱体流量合理分配的气流分布板结构的调整方法和参数,发现计算结果与模型试验和现场测试结果较吻合[5].笔者利用Fluent软件对改造前后袋室内的气流分布情况进行了对比分析,得到了改善气流分布的方案.

1 数值模拟平台的建立

1.1 几何模型及网格划分

研究用除尘器为下进风袋式除尘器,分为上箱体、灰斗(下箱体)、进风口、排风口等部分[6].为了尽可能提高模拟结果的准确性,物理模型按除尘器实际尺寸建立.模型的基本参数如下:上箱体为长方体形,长为 6000 mm、宽为 6000 mm、高为14600 mm,灰斗为高4400 mm的倒四棱锥台,底面尺寸为400 mm×400 mm,灰斗侧面与水平面的夹角为60°,进风管位于灰斗底面中心偏上位置,其中心线距底面3250 mm,进口尺寸为2700 mm×1600 mm,排风管位于上箱体顶部,排气口尺寸为5800 mm×1700 mm.该除尘器单元室过滤风量为104298 m3/h.简化后的除尘器单元结构示于图1.

图1 简化后的袋式除尘器结构Fig.1 Simplified structure of the bag filter

利用Gambit软件对计算区域划分网格,采用有限体积法对方程计算区域进行离散[7].采用结构化和非结构化混合网格:进风管、排风管、上箱体及布袋区采用结构化的六面体网格；四棱锥台形的灰斗采用非结构化的网格.根据除尘器内气流速度梯度的变化,对流动和固定边界条件复杂的区域增加了网格密度,以提高数值模拟结果的精确性.模拟区域所划分的总网格数约为106万.

1.2 数学模型

除尘器袋室内部流场是复杂的三维湍流流场,为方便计算,假定流体是等温不可压缩、作定长流动,模拟计算选用标准k-ε双方程模型[8].控制方程为:

连续性方程

动量方程

式中:p为静压；Fi为包含了其他模型的相关源项,如多孔介质和自定义源项；τ为应力张量.

湍动能k方程

耗散率ε方程

式中:Sk和Sε是用户自定义的源项；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb为由于浮力引起的湍动能k的产生项；YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献；C1ε、C2ε和C3ε均为经验常数 ,C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09；σk和σε分别是与湍动能k 和耗散率ε对应的普朗特数,σk=1.0,σε=1.3.

1.3 数值计算方法和边界条件

利用Fluent软件模拟袋式除尘器单元内流场的分布,采用标准k-ε双方程湍流模型、稳态3D分离隐式解算器,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,对流项选取二阶迎风离散格式,在近壁区采用壁面函数法.

本模型流体采用150℃时的空气,密度为0.865 kg/m3,运动黏度系数为2.717×10-5m2/s,除尘器进口管道断面采用速度进口边界条件,假定进风口的速度均匀,则由除尘器的处理风量可确定入口速度为6.7 m/s.出口管道断面采用压力出口边界条件,静压取值为0 Pa,各壁面均设为无滑移壁面.在入口和出口边界流域的流动,需要制定输运标量的值.在湍流指定方法(Turbulence Specification Method)中,选择 Intensity and Hydraulic Diameter以设定湍流强度(Turbulence Intensity)和水力直径φ(Hydraulic Diameter).本文中入口和出口的湍流强度选取10%,入口水力直径为2.009 m,出口水力直径为2.629 m.

2 计算结果及分析

图2为原型中除尘器不同截面的速度分布.由图2(a)可知,在原型中,烟气以6.7 m/s的速度经进气口进入除尘器的灰斗部分,由于灰斗中紧凑地布置着19块按一定倾斜角度排列的导流板,因此阻力较大,当气流遇到导流板时,小部分气流在导流板的作用下经过导流板之间的空隙流入袋室,而大部分气流则绕过导流板向下方空间流动,直到灰斗后壁面.然后,一部分气流沿后墙体高速上升,流体主要集中在袋室后部,这会造成附近滤袋负荷过大,导致后端的滤袋容易破损；另一部分气流沿灰斗后壁面向下流动,并在灰斗内形成较大的涡流,沿灰斗前壁面上升,可能会将已经沉积的粉尘吹起来,形成二次扬尘,并被气流重新带回到袋室,这样不仅加重了滤袋的负荷,而且也增大了除尘器内部的流动阻力.

图2 原型中除尘器不同截面的速度分布Fig.2 Velocity distribution of different sections in prototype of the dust collector

从图2(b)可以看出,除尘器袋室内的流场关于其中心对称面(y=0)基本上呈对称分布,而流场分布的不均匀性主要体现在除尘器的前后两端.由以上模拟结果可知,袋室后部的最大风速已经超过5 m/s,不能满足袋式除尘器过滤速度的要求[9],因此需对设备进行改造并优化内部流场,以确保除尘器的稳定运行.

3 除尘器改进模型及模拟结果

3.1 除尘器改进方法

通过对除尘器原型的模拟可以看出,灰斗内的19块导流板不但未起到导流的作用,而且使灰斗产生较大涡流,影响粉尘颗粒的沉降,故将其拆除.同时,考虑除尘器进口风速较高,易形成射流,因此在除尘器上箱体的底部增加一个矩形进风口,其中心线距上箱体底面为1100 mm,尺寸为5000 mm×1800 mm.为了使烟气均匀分布,同时考虑工程的实际操作,在新增进风口截面处添加4块导流板(图3).各导流板尺寸相同,均为5000 mm×250 mm.4块导流板在新增进风口截面处按一定倾斜角度自上而下依次等距排开,第1块导流板距进风口上端面为360 mm,导流板间距为360 mm,导流板与入口中心线的夹角为30°.

图3 改进后入口与导流板示意图Fig.3 Schematic of entrance and guide plates after improvement

3.2 改进后模型的流场分布

为了便于分析和比较,改进后模型的模拟计算分别通过增加进风口和增加进风口并添加导流板两步来实现.在计算过程中,除尘器单元室的过滤风量保持不变,总风量按照进口截面的面积比分配到2个进风口,进风口速度为2.173 m/s.改进后除尘器流场的分布示于图4.

从图4可以看出,除尘器增加一个进风口可以将原型中的高速气流进行分流,分流后的气流速度相对较小,气流进入袋室后不会对滤袋带来严重冲刷,并且除尘器内气流的分布也有所改善.由于气流被分流,经灰斗侧端入口进入除尘器的风量大大减少,气流速度也降低到不足原来的1/3,气流对灰斗后墙体的冲击变小.拆除除尘器灰斗内的导流板,减小了气流的流通阻力,气流在进入灰斗后,其流动方向向上发生偏转,流向较为宽阔的袋室空间,灰斗内气流速度很低,有效地避免了由涡流引起的二次扬尘现象,从而减轻了滤袋的负荷.图4的模拟结果显示,除尘器袋室内的气流速度均小于2.5 m/s,基本可以满足袋式除尘器过滤速度的要求.通过与图2对比,发现增加进风口后,袋室内的回流区域减小,气流速度降低,气流分布得到很大改善,但从z轴截面图可看出,袋室前后两部分的气流分布仍不理想.

图4 未加导流板时除尘器不同截面的速度分布Fig.4 Velocity distribution at different sections of the dust collector without guide plates

图5为增加进风口并添加导流板时除尘器不同截面的速度分布结果.由图5可以看出,在进风口截面添加导流板后,除尘器袋室内的回流区域进一步缩小,流场也更趋于均匀,尤其是袋室前后两部分的气流分布有了明显的改善.

图5 添加导流板时除尘器不同截面的速度分布Fig.5 Velocity distribution at different sections of the dust collecto r with guide plates

此外,为了能更加直观地显示袋式除尘器改进后流场的改善程度,在袋室内不同位置取面积相等的截面,分别计算这些截面改进前后的平均速度,结果示于图6和图7.

图6 改进前后 x方向不同截面的平均速度分布Fig.6 A verage velocity distribution of different sections along x direction befo re and after improvement

图7 改进前后y方向上不同截面的平均速度分布Fig.7 Average velocity distribution of different sections along y direction before and after improvement

从图6可以看出,在原型中,袋室内沿x轴方向各截面平均速度的波动范围比较大,靠近袋室后壁面的截面平均速度均达到2.5 m/s,导致局部滤袋负荷过大,甚至有的滤袋不能充分发挥其过滤除尘作用.增加进风口并添加导流板后,袋室各截面的平均风速降低,在一定程度上改善了袋室内气流速度前低后高的不均分布.

从图7可以看出,改进前后,袋室内的气流分布关于y=0平面都是基本对称的.在原型中,各截面的平均速度波动较大,y=0截面的气流平均速度最大,并向左右两侧依次递减.改进后,截面的最大平均风速出现在左右两侧,各截面的平均速度曲线趋于平缓,气流分布沿y轴方向基本均匀.

4 结 论

(1)在原型中,气流在紧凑导流板的作用下高速冲刷灰斗墙体,一部分气流在灰斗内流动形成回流,使沉积的粉尘再次卷入气流进入袋室,从而加重了滤袋负荷；另一部分气流沿除尘器后墙体高速上升,冲刷滤袋,造成袋室后端的滤袋容易破损.

(2)未加导流板时,增加一个进气口后,气流速度降低,袋室内的流场有所改善,但在进口处会产生射流,部分气流沿滤室墙体上升,在袋室内部流动,形成了回流特征,速度场形成前端低、后端高的不均匀分布,造成箱体后端局部负荷较大.

(3)在新增进口处添加导流板,可以对除尘器入口处的射流分流,使袋室内气流分布更均匀,有效减少对部分滤袋的集中冲击,从而提高了滤袋的使用寿命及除尘效率.

(4)采用计算机模拟方法能够很好地反映出除尘器内部气流的流动状况,为袋式除尘器气流分布、结构优化设计提供了依据.

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