圆筒状袋式除尘器箱体入口结构优化设计

吴振波 李宗波

（沈阳工业大学，沈阳 110870）

圆筒状袋式除尘器箱体入口结构优化设计

吴振波 李宗波

（沈阳工业大学，沈阳 110870）

筒状袋式除尘器的入口位置及入口方式的不同，对除尘器内部的气流平稳影响很大。采用经典流体力学软件FLUENT，对筒状袋式除尘器的入口位置及入口方式进行优化仿真，使其内部的气流更加平稳，压力分布更加均匀。结果表明，入口采用切入式，可有效稳定箱体内部气流和减少对滤袋的冲刷；入口逐渐展开、入口位置靠近除尘器上半部分，能有效均衡袋式除尘器的气流和压力分布，减少滤袋所受的冲刷和压力。实验也表明，滤袋底部所受压力较大时，应加密滤袋底部的支撑，有助于将滤袋所受压力转移到支架上。定期顺时针转动滤袋，可使滤袋所受压力时间均衡，有效延长滤袋的使用寿命。

筒状袋式除尘器 入口 结构优化 气流 冲刷

引言

近几十年，我国经济快速发展，大气污染越来越严重，雾霾成为许多城市常见的现象。人们对环境越来越关注，因此研制更好性能的袋式除尘器具有重要的意义。传统的筒状袋式除尘器入口是直接接入的，如图1（左）所示。这种方式使除尘器内部气流比较紊乱，压力分布极不均匀，局部过滤风速和间隙速度大大超过设计值，气流的停留时间短，达不到过滤效果，同时会使滤袋晃动剧烈，甚至出现破袋等危险事故。所以，对筒状袋式除尘器的入口结构优化研究十分必要。本文主要通过流体力学软件FLUENT6.0[1]对不同的入口方式进行数值模拟。如图1所示，对筒状袋式除尘器的入口结构进行优化，得到更优的设计参数，使其压力和流速分布更加均匀，滤袋的使用寿命更长、过滤效率更高等。

图1 筒状袋式除尘器箱体模型图

1 有限元模型的建立

1.1 模型参数设计

由于筒状袋式除尘器中滤袋数量多且间隙又密，对网格划分和计算要求很高。因此，这次模型的建立对筒状袋式除尘器进行了小型化和简约化处理，处理量缩减为708.12m3/h，且省去了脉冲清灰装置、底部排灰装置等。上进风清灰难，设备复杂，基本淘汰；下进风除尘器由于灰斗处气流较大，二次扬尘更加严重，影响除尘效率和滤袋的使用寿命。侧进风除尘器对大风量除尘器的应用较为普遍，故以侧进风为例进行优化设计。除尘器的除尘参数，如表1所示。

表1 筒状袋式除尘器的除尘参数

筒状袋式除尘器的结构设计如下：箱体总高为3000mm，其中灰斗为圆锥型高1000mm，直径1000mm；入口位于箱体2200mm处，入口设置为正方形，边长为140mm；入口平面通过圆柱箱体的中心线，入口接近箱体的边与箱体的距离为20mm，如图1所示。滤袋为圆柱型，长1800mm，直径1200，滤袋间距190mm，一共19个，1个灰斗，假设是封闭的。图形壳体部分使用Pro/Engineer绘图软件绘制，然后导入ANSYS Workbench中绘制滤袋部分。网格划分是对入口和滤袋等重要部位采用适当加密，以减少计算误差，提高计算精度。

1.2 边界条件与参数设定

计算控制方程选用标准的k-ε湍流模型来模拟气相流动，用CO2代替烟气，入口边界条件以入口速度为准。为了防止大颗粒物粉尘在入口烟道内的沉积，一般在袋式除尘器的入口前烟道中的气流速度都要大于10m/s，故入口速度设为10m/s。出口边界采用压力出口边界条件；滤袋采用多孔介质，这样可使其具有很好的鲁棒性（Robust）和收敛性（convergence）[2]；壁面采用静止壁面。

2 计算结果与数据分析

2.1 筒状袋式除尘器内部速度分布图

除尘器的内部流速分布图，如图2所示。由分析结果可以看出，入口侧进采用直接方式，如图1（左）与图2（上），对正对着的滤袋有很大的冲刷，而背对入口侧流速相对较慢，流速分布及不均匀，可能导致滤袋晃动剧烈，严重影响滤袋的使用寿命和箱体内粉尘的稳定性。侧进采用切入式不变径方式，如图1（中）与图2（中），对靠近入口处滤袋的冲刷相对减少一些，但靠近入口处与背对入口处的冲刷相比，靠近入口处的滤袋冲刷依然很严重，影响靠近入口处的滤袋的使用寿命。侧进采用切入式变径方式，如图1（右）与图2（下），是三个中冲刷最小的。滤袋冲刷不严重，每个滤袋受到冲刷相对均匀，除尘器内部的流速分布也相对均匀。如若定期维护时，能按规律旋转滤袋一个45°，可更加有效地延长滤袋使用寿命。

图2 筒状袋式除尘器箱体速度分布云图

2.2 筒状袋式除尘器内部压力分布图

除尘器内部的压力分布图，如图3所示。由图可以看出，入口侧进采用直接方式，如图1（左）与图3（上），压力变化非常明显，滤袋内外的压差很大，压力在入口处瞬间释放，压力骤变非常明显。这样滤袋处的过滤会很迅速，不仅达不到良好的过滤效果，还严重损坏了滤袋。侧进采用切入式不变径方式，如图1（中）与图3（中），入口压力是渐渐变小的，滤袋所受压力稍微大点，整体还算平稳。侧进采用变径切入式方式，如图1（右）与图3（下），压力则变小，相当于在进入除尘器内部前有个缓冲作用；压力最大值分布在入口弯管处，靠近入口处的几个是快速变小，变化迅速；滤袋内部的压力分布更均匀，各个滤袋所受压力均衡。但是，这种侧进变径切入式变化过大，可能会导致入口处大颗粒的堆积，故也不能变径过大。

图3 筒状袋式除尘器箱体压力分布云图

3 结论

（1）入口采用侧进变径切入式方式，可有效均衡箱体内部的流速和压力，使滤袋所受冲刷和压力更加均衡，也可使箱体内部的气流更加稳定，有利于清灰等。但是，采用变径切入式不是变径越大越好，而是在一定范围内最好。经数值模拟仿，入口面积到侧进箱体终点处面积比为1/3左右可满足条件。

（2）侧进口在箱体的位置也很重要。太高，则使气流由上往下冲刷滤袋；太低，容易使粉尘二次飞扬。经数值模拟仿真，在箱体3/4位置左右最好，可使气流分布相对更加均匀，过滤更加平稳。

（3）滤袋压力过大的部位，应该适当加密它的支撑架，这样有助于延长滤袋的使用寿命和保持滤袋的形状，提高过滤效率。

由于数值模拟中很多条件都是理想状态，虽然简化了实验，但增加了误差，故还需具体实验来验证。同时，还存在一些易忽视的问题，像粉尘颗粒在滤袋表面的不均衡堆积、大颗粒物对箱体和滤袋的冲刷等，需进一步研究。

[1]陈少华，冯绍杰，赵东林，等.袋式除尘器箱体内部流场的数值模拟研究[J].工业安全与环保，2013，39（2）：29-30.

[2]陈强.袋式除尘器内气流均匀性的数值模拟研究[D].上海：东华大学，2004.

[3]Rui Zhou，Henggen Shen，Meili Zhao.Simulation Studies on Protector of Pulse-jet Cleaning Filter Bag[J]. Serverse Sciencedirect，2012：426-431.

[4]少华，宋阳，王铁营，王艳鹏.下进风袋式除尘器内部流场的数值模拟[J].东北电力大学学报，2015，35（1）：12-17.

Structure Optimization Design on the Entrance of Tank Body in a Cylindrical Bag Filter

WU Zhenbo, LI Zongbo
(Shenyang University of Technology,Shenyang 110870)

The different entrance location and the way of entrance in a cylindrical bag filter make a big difference to tank internal air. The simulation of the entrance location and the way of entrance optimization design in the cylindrical bag Filter are carried on by one of computational fluid dynamics (CFD) softwares-Fluent in order to make its internal flow more smoothly and pressure distribution more uniform. The results show that, entrance to adopt the way of blades can effectively stabilize tank internal air and reduce scour of the filter bag. Entrance gradually unfolding， entrance near the upper filter can effectively balance the air flow and pressure distribution of bag filter, can effectively reduce a bag of scour and stress. Experiments also show that the pressure is larger at the bottom of the bag , so should be encrypted the support at the bottom of the bag to help to transfer the pressure on the filter bag to the holder. Clockwise rotation bag on a regular basis can make the filter bag uniform pressure distribution and can effectively prolong the service life of the bag.

cylindrical bag filter, entrance, structure optimization, airflow, scour