布袋除尘器进口烟道气体流动特性的数值分析*

鲍敬云　张海茹　于贤群

(1.乐金显示(南京)有限公司环境与安全Team　南京 210046；　2.南京圣诺热管有限公司设计院　南京 210009；　3.南京师范大学能源与机械工程学院 　南京 210042)



布袋除尘器进口烟道气体流动特性的数值分析*

鲍敬云1张海茹2于贤群3

(1.乐金显示(南京)有限公司环境与安全Team南京 210046；2.南京圣诺热管有限公司设计院南京 210009；3.南京师范大学能源与机械工程学院 南京 210042)

摘要通过计算流体软件FLUENT对布袋除尘器进口烟道进行研究，应用k-ε湍流模型对烟道在冬季极端恶劣情况下的强制对流散热的流动特性进行了模拟，详细讨论了不同截面的速度场、温度场、压力等分布。结果表明：低温烟道在不保温的情况下，在进入布袋除尘器前仍具有较高温度；烟道直段的降温速率约为0.2 ℃/m，弯头较集中区域，降温速率约为0.5 ℃/m；在出口区域，烟气温度出现“反弹”现象；烟道弯头处的冲刷较严重。

关键词烟道流动特性数值分析

0引言

钢铁行业的余热回收一般有单压、双压系统[1]，无论哪种系统，高温烟气均需通过余热回收设备降温，进入后续除尘器进行除尘。对于布袋除尘器而言，一般对余热利用后的烟气温度有严格要求，布袋除尘器运行温度应在高限和低限之间。由于高限取决于滤袋的滤料，低温局限于烟气露点[2]，因此入口烟气温度的控制对设备的运行至关重要，应避免发生布袋穿孔，造成除尘器效率降低，频繁更换布袋，更要防止安全事故发生。为了达到余热的高效利用、保证布袋除尘器的节能安全运行，除了对余热回收设备面积进行合理设计外，更需合理考虑低温烟气在烟道内的流动特性，分析其温度下降、烟道冲涮等情况。

通过软件进行数值模拟的方法被广泛用于很多情况，如实际情况难以再现、痕量及微量元素的取样、高温高压环境的构建等[3]。烟气速度、烟气迁移特性和烟气温度分布规律的掌握有利于认识到烟气的参数变化，保护后续布袋除尘器的安全运行。本文利用FLUENT软件对某布袋除尘器进口烟道内气体的流动情况、温度分布进行了讨论。探讨在冬季极端恶劣情况下，强制对流对低温烟道中的烟气流动状况和温度分布的影响。

1研究对象

某余热回收项目低温管道如图1所示，高温电炉烟气经过余热锅炉后，温度降至200 ℃后进入低温烟道，烟气从图1所示右侧进入管道，经过4个弯头和约100 m的直段烟道从左侧排出，即进入布袋除尘器。低温管道内烟气流动采用k-ε湍流模型[4]，针对当地最低气温作为最不利工况进行分析，对冬季极端最低温度条件的强迫对流换热进行模拟，环境温度为-30 ℃，换热系数为60 W/(m2·K)。

图1　几何模型

模拟工况的边界条件为：

(1)电炉烟气流量为12万Nm3/h，余热锅炉后的烟气温度为473 K，湍流强度为10%，水力直径为2.2 m，弯头的曲率半径为2 250 mm，转角为90°。

(2)出口边界条件为自由发展流动，流量比重为1。

(3)烟道不进行保温，固体壁面无速度滑移壁面，烟道壁厚6 mm。

2计算结果与分析

图2　强迫对流情况下各截面温度分布(K)

图3　强迫对流情况下系统外壁温度分布(K)

图4　强迫对流情况下烟道截面温度分布曲线

图2、图3分别显示了低温烟道各方向的中心剖面和壁面的温度分布情况。由图可知，各个中心剖面的温度接近于入口温度473 K，外壁温度范围约为260～340 K。图4为系统各截面温度的面积加权平均值随烟道沿程中心线的变化情况，烟气入口附近的弯头集中区，降温速率为0.5 ℃/m，烟气在水平直段的降温幅度约为9.3 ℃，降温速率为0.2 ℃/m，出口段的弯头区域，烟气温度发生反弹回升现象，降温速率约为-0.3 ℃/m。

在烟气入口附近的弯头区域，烟气因流向变化，湍流程度增加，加剧了烟气与外界的换热效果。当烟气进入直段后，流态逐渐恢复为均匀流，湍流程度减弱，降温速率减小。在出口附近的弯头区域，由于烟气的高流速、曲率半径较小、转角较大，出现了较大区域的“空腔”区域，在“空腔”区域仅有较少烟气流过，温度低于烟气主流温度。因此，该平面的面积加权平均值温度较低，即与后续烟道相比，烟气温度出现了反弹现象。

从图2可知，弯头附近的“空腔”区域对下游直段烟道产生较大影响，这是因为局部阻力部件范围内的能量损失，只占局部损失中的一部分，另一部分是在局部部件下游一定长度的管段上损耗掉的，该部分为局部部件的影响长度。受局部部件干扰的流动，经过了影响长度之后，流速分布和紊流脉动才能达到均匀流动的正常状态。因此，该弯头及其在下游的影响长度范围内的烟道上均不应设置温度测点，且该部分速度测点也会因测速、测温管深入的长短出现较大起伏。

图5　系统各中心剖面速度大小(m/s)

图6　系统压力分布(Pa)

图5、图6分别显示了低温烟道的速度、压力的分布情况。由图可知，系统速度大小为6.76～33.8 m/s，最大值出现在弯头的内侧且大于烟气入口值，最小值出现在弯头的外侧，直段的速度约在19.4～21.2 m/s，压力最高值出现在弯头的外侧，最小值发生在弯头的内侧，且第一个弯头外侧压力值明显高于后续几个弯头的压力值。这是因为流体经过弯头时，虽然过流断面沿程不变，但弯头内流体质点受到离心力作用，在弯头前半段，外侧压强沿程增大，内侧压强沿程减小，而流速则是外侧减小，内侧增大。因此，弯头前半段沿外壁是减速增压的，出现旋涡区；在弯头的后半段，由于惯性作用，在Re很大、弯头转角较大、曲率半径较小的情况下，旋涡区再次出现。弯头内侧的旋涡，无论是大小还是强度，一般都比外侧的大[5]。这些因素加剧了烟道的局部冲刷，影响到烟道的运行年限。

3结论

(1)在弯头集中区域，温降速率约为0.5 ℃/m，直段烟道的温降速率约为0.2 ℃/m。

(2)在出口区域，烟气温度出现“反弹”现象，是因为烟道的几何形状、烟气的流动状态使内部出现“空腔”区域。

(3)在Re很大、弯头转角较大、曲率半径较小的情况下，烟道弯头处的冲刷和运行年限受到很大影响。

参考文献

[1]赵钦新, 周屈兰. 余热锅炉研究与设计[M]. 北京：中国标准出版社, 2010.

[2]戴昕,麻瑜. 解决布袋除尘器冬季入口烟温低的实验研究[J]. 电力学报，2013,28(3):256-258.

[3]张海茹,王萌,吴昊，等. 410 t/h燃煤锅炉汞释放及赋存方式转变数值模拟[J].中国电机工程学报，2012,32(14):65-70.

[4]于勇,张俊明,姜连田. FLUENT入门与进阶教程[M]. 北京：北京理工大学出版社,2008.

[5]龙天渝,蔡增基. 流体力学[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2004.

*基金项目：国家自然科学基金(50976049)，江苏省自然科学基金(BK2011788)。

作者简介鲍敬云，男，注册安全工程师, 从事安全管理、应急管理、风险分析工作。

(收稿日期：2015-04-30)

Numerical Analysis on the Properties of Flue Gas in Inlet Duck of Bag Filter

BAO Jingyun1ZHANG Hairu2YU Xianqun3

(1.Safety&SecurityTeam/SecurityPart,LG.Display(Nanjing)Co.,Ltd.Nanjing210046)

AbstractIn this paper, the software FLUENT is used to conduct studies on the bag filter inlet duck, the k-ε turbulent model is applied to simulate the flowing properties of compulsory convection under extreme weather in winter and the velocity, temperature and pressure distribution of sections in flue duct is discussed in detail. The results show that the temperature is still higher without conservation materials, the rate of temperature is 0.2 ℃/m in straight duct and 0.5 ℃/m in bend pipes, the temperature of outlet is increased rapidly with the flue states and the bend pipes are scoured fiercely.

Key Wordsductflow propertynumerical analysis