超长夹道预荷电袋滤器气流分布设计与应用*

陈志炜 姚群 吕璐 许汉渝 邵能杰 汪卫章 郑旭

(中钢集团天澄环保科技股份有限公司 武汉 430205)

0 引言

随着国家高度重视生态环境保护，我国大气污染得到了有效遏制，城市空气质量明显改善。然而，大气污染状况依然严峻，与发达国家相比差距仍然较大。2019 年我国环境空气中 PM2.5浓度大致是欧美当前水平的 2.5～4.5倍，是世界卫生组织基于健康影响的准则值的 3.6倍[1]。2017年全国烟尘排放总量796.3万t[2]，其中，工业烟尘约占80%，随着各工业行业超低排放和提标改造行动全面推进实施，当前排放的工业烟尘基本为细颗粒物。显然，控制工业烟气细颗粒物 PM2.5的排放依然是改善城市空气质量的有效途径，但任务依然艰巨。细颗粒物高效控制技术和装备已形成较大的市场需求，预荷电袋滤器是高效节能的工业烟气细颗粒控制新技术和新装备，已有30多台套的成功应用，节能减排效果显著，已成为钢铁炉窑烟气细颗粒物超低排放和节能改造的主流技术装备。钢铁炉窑烟气普遍风量大、除尘器箱体长，对于大型超长夹道预荷电袋滤器气流组织与气流分布至关重要，关系到设备的长期可靠运行和项目的成败，应倍加重视。

1 预荷电袋滤器结构及特性

1.1 基本构成与特点

预荷电袋滤器是国家重点研发计划课题研究成果，是专门针对工业烟气细颗粒物(PM2.5)高效控制的新技术装备。其核心技术及典型结构是将预荷电装置与直通均流式袋式除尘器有机结合形成复合装置(如图1所示)，主要由粉尘预荷电装置、直通式袋式除尘器、气流分布装置、新型清灰装置、超细面层梯度滤料+高严密滤袋接口的滤袋结构以及智能控制装置等有机集成。众多工程应用实践表明，预荷电袋滤器具有高效去除PM2.5、实现颗粒物10 mg/m3以下超低排放、节能效果显著等突出特点。

图1 预荷电袋滤器结构外形[3]

1.2 与传统袋式除尘器的对比

众多工程实践表明，典型预荷电袋滤器(代号“YZD”)与传统分仓室长袋低压脉冲袋式除尘器(代号“CDD”)对比，在占地面积、运行阻力、节能降耗等方面具有明显优势，在处理风量120万m3/h，同等滤袋规格及数量下，二者的技术经济对比如表1所示。

表1 预荷电袋滤器与传统袋式除尘器技术经济比较

2 气流组织与气流分布

2.1 预荷电袋滤器气流分布设计要求

对于大型预荷电袋滤器，气流组织与气流分布至关重要，其目的和功能是控制滤袋袋束的迎风速度，避免高速含尘气流冲刷滤袋导致破损；控制袋底上升气流的比率和速度，利于粉尘沉降；控制并促使不同区域的过滤负荷均衡。

为有效防止高速含尘气流直接冲刷滤袋，保障滤袋长寿命；促进微细粒子沉降、减轻清灰后粉尘二次扬尘，保障低阻和低排，大型预荷电袋滤器气流分布技术要求与设计要点包括：

(1)气流分布装置设计宜采用CFD流场数值模拟分析技术，必要时可采用相似模化冷态试验进行分析和设计。

(2)气流组织宜从除尘器正面、侧面和底部3个方向进行输送和分配。

(3)袋束前200 mm处迎风速度平均值不宜大于1 m/s；滤袋底部下方200 mm处气流平均上升速度不宜大于1 m/s[4]。

(4)在预荷电装置与过滤区域之间，应设置气流分布板，宜采用格栅板，其开孔率应根据具体情况和要求进行设计计算；气流分布板与首层袋束的距离不宜<1 m。

(5)除尘器内部应设置内部夹道，引导气流向后部过滤区域输送，夹道风速不宜>5 m/s。

2.2 气流分布模拟分析方法

对于超长本体和超长夹道(长度>50 m)的预荷电袋滤器，气流组织与气流分布尤为关键，其优劣程度将直接关系到除尘器的长期稳定运行和项目的成败，也是此类除尘器设计的重点和难点。

为确保实际工程项目大风量超长夹道预荷电袋滤器的长期可靠运行，根据上述气流分布技术要求和设计要点，采用CFD方法对其气流分布设计进行针对性分析，通过数值计算方法模拟研究设备内部的速度场，从而获得理想的速度分布与设计方案。对于速度场采用截面平均值分析法，计算各个截面的速度值，速度场分布的评价方法采用离散系数(Coefficient of Variance, CV)进行评价，当离散系数越大时，说明该截面的流场波动较大、越不佳；反之，则说明波动较小、越理想。

除尘器气流分布CFD流场数值模拟分析遵循的基本原则：

(1)三维建模采用1∶1的建模原则，分析模型必须与实际设计相符。对流体影响较小的烟道内部支架可简化处理或忽略。

(2)根据袋滤器的内部结构特点，网格划分可采用六面体和四面体网格，单个网格体积宜不大于0.01 m3。

(3)边界条件设计符合雷诺数相似准则，马赫数小于0.4可采用不可压缩牛顿流体、系统出口为均匀压力等假设条件。

(4)采用k-ε湍流模型模拟装置内部烟气速度场和压力场的方法。

3 应用案例

某大型钢厂新建炼钢连铸系统有4座210 t顶底复吹转炉、4座在线吹氩站、3套210 t LF炉、2套210 t RH炉、3套210 t机械搅拌脱硫站、3台方坯连铸机、2台板坯连铸机等。环境除尘配套1 350 000 m3/h除尘器共计9台套，为满足节能和超低排放要求采用预荷电直通式袋滤器，目前已有多台建成投运，效果良好。现以其中一台已投运的单机单通道处理风量1 350 000 m3/h的预荷电袋滤器为例，介绍气流分布模拟分析及应用情况。

3.1 设计参数

该项目预荷电袋滤器主要设计参数如表2所示。

表2 熔融铝液遇水爆炸能量评估

3.2 计算分析思路

由表2可知，对于单机单通道处理风量1 350 000 m3/h的预荷电袋滤器，设备长度达55.2 m，这对于除尘器气流组织与气流分布的要求极高、难度极大。为确保万无一失，采取“总结分析+类比计算+模拟分析”的思路与方法开展设计工作，主要步骤如下：

(1)总结分析同类型除尘器结构的成功做法，提出气流组织初步方案。

(2)结合类似成功案例分析结果，根据气流组织基本要求，对除尘器正面(迎风面)、侧面(夹道)和底部3个区域的风量分配和气流分布装置结构进行初步设计。

(3)根据初步设计方案进行CFD建模初步模拟分析，除尘器CFD分析模型如图2所示。

图2 CFD分析模型

(4)根据CFD结果，分析和调整气流组织方案和气流分布装置结构，再次模拟并分析结果。重复上述策略，直至满足要求。

(5)根据CFD分析结果，确定最终气流组织方案和气流分布装置结构，开展施工图设计。

3.3 分析结果

(1)正面(迎风面)分析结果。该项目预荷电袋滤器入口由孔板和格栅板2层气流分布装置构成，经多次CFD分析调整和复算，获得正面风量约20万m3/h，迎风面平均断面风速1.1 m/s，基本符合理想要求，计算结果如图3所示。

图3 入口迎风面速度云图

(2)侧面(夹道)区域分析结果。除尘器侧面(夹道)由全钢板区、2种不同间距的折流板区和无钢板区4个区域构成，经CFD分析和多次调整与复算，获得侧面风量约85万～90万m3/h，袋束侧部迎风面平均断面风速由前至后分别为1.0、0.43、0.67、0.91 m/s，均符合理想要求，计算结果如图4所示。

图4 夹道区域袋束侧部迎风面速度云图

3.4 运行情况

该除尘器已稳定运行超1 a，主要运行及性能测试参数见表3。

表3 主要运行及性能测试参数

4 结论

(1)预荷电袋滤器是专门针对细颗粒物净化的新技术装备，具有高效去除PM2.5、实现颗粒物10 mg/m3以下超低排放、节能减排效果显著等突出特点。

(2)预荷电袋滤器比传统袋式除尘器在占地面积、运行阻力、节能降耗等方面优势明显。

(3)对于超长夹道大型预荷电袋滤器，气流组织与气流分布至关重要，控制好各区域过滤负荷均衡、各过滤区域袋束迎风面速度是核心和关键。

(4)工程案例实践表明，采取“类比计算+CFD模拟分析”的方法指导气流组织与气流分布设计是有效技术途径。