滤筒除尘器环形射流脉冲喷吹清灰的模拟研究

牛兵兵， 樊越胜， 李哲然， 田国记，张 鑫， 刘 婷， 武书恒

(1.西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院， 陕西 西安 710055； 2.中冶焦耐(大连)工程技术有限公司， 辽宁 大连 116085)

1 概述

滤筒除尘器于20世纪70年代出现在日本和一些欧美国家，是在袋式除尘器的基础上研制出的一种除尘器，具有效率高、除尘阻力低、占地面积小、节能效果好、维修方便、投资省等优点[1-2]。

滤筒除尘器的脉冲喷吹清灰方式主要依靠圆形喷嘴形成的圆形射流脉冲喷吹清灰，虽然结构简单，但存在喷吹气流分布不均、偏心及清灰不彻底、不均匀等问题[3-6]。与传统的圆形射流相比，环形射流呈环状向四周均匀扩散，具有诱导混合性强的特点，能够诱导卷吸更多的二次空气，提高了引射效率，减少一次空气流量，节能效果突出[7-11]。本文对环形射流脉冲喷吹的清灰性能进行模拟研究，并与圆形射流脉冲喷吹清灰方式进行比较。

2 滤筒除尘器脉冲喷吹清灰流程

滤筒除尘器的结构见图1。在除尘工况下，含尘气体由滤筒外壁(不含底面)进入滤筒内，过滤后变为清洁气体，经净气室排出除尘器。在清灰工况下，脉冲喷吹气流(空气)经喷吹管、喷嘴后，吹入滤筒内部，在喷吹气流脉动喷吹的作用下，滤筒外壁粘附的灰尘脱落并落入集尘箱中。

图1 滤筒除尘器的结构

3 几何模型

以单个滤筒为对象，忽略相关仪表构件，仅保存喷嘴、花板、滤筒、净气室、含尘气体空间建立几何模型。分别采用环形射流喷嘴、圆形射流喷嘴的几何模型见图2。环形射流喷嘴的尺寸见图3，图中数值相应的单位为mm。圆形射流喷嘴为圆柱形，内直径为10.6 mm，高40 mm。滤筒直径为280 mm，高为660 mm。喷吹距离(喷嘴出口与花板的间距)为200 mm。计算域为直径500 mm、高1 200 mm的圆柱体。滤筒底面距计算域底面的距离为100 mm。

图2 分别采用环形射流喷嘴、圆形射流喷嘴的几何模型

图3 环形射流喷嘴的尺寸

4 模型设置及验证

使用FLUENT进行模拟，采用二维非稳态、可压缩流动的Realizablek-ε湍流模型及SIMPLE算法，计算域的顶面为压力进口(pressure-inlet)，底面为压力出口(pressure-outlet)，压力均为标准大气压。计算域壁面、花板、滤筒底面、喷嘴外壁均设置为固体壁面边界条件(wall)，采用标准壁面函数法。滤筒的壁面设置为多孔跳跃介质(porous-jump)[12]。喷吹时间设置为100 ms。喷嘴出口设为压力入口，喷吹压力为0.3 MPa。

将模拟结果(环形射流)与文献[7]相近条件下的有限空间环形射流的实验结果进行对比。对于有限空间轴线上相同位置的速度分布，模拟结果的变化与实验结果基本一致，这说明本文采用的湍流模型、边界条件等合理。

5 模拟结果及分析

采用环形射流方式、圆形射流方式的计算域速度云图分别见图4、5。由图4可知，10 ms时，环形射流由喷嘴喷出，一次气流在喷嘴外充分发展并诱导卷吸大量净气室内的二次气流，一次气流和被诱导卷吸的二次气流进入滤筒。在20～30 ms，随着一次气流、二次气流进入滤筒，滤筒中原有的空气被挤出，可认为开始清灰。由于喷吹气流不稳定，其动压无法转化为静压，此时为非有效清灰气流。在30～60 ms，喷吹气流逐渐膨胀并向流场中心靠拢，中心速度场变得均匀，滤筒内部的喷吹压力逐渐趋于稳定，喷吹气流的动压转化为静压，形成有效的清灰气流。在60～100 ms，净气室内的速度场趋于稳定，一次气流的诱导卷吸作用已经减弱，进入滤筒的气流充分膨胀，喷吹气流均匀稳定地从滤筒壁流出，将动压充分转化为静压进行有效清灰。

图4 采用环形射流方式的计算域速度云图

由图5可知，与环形射流相比，圆形射流的卷吸作用很弱，进入滤筒的气流基本为从喷嘴喷吹的一次气流。气流对称性差，易出现气流偏心的现象，造成滤筒一侧气流速度高，清灰过度，而另一侧清灰效果差。气流作用范围小(滤筒径向方向)，气流沿滤筒轴线直接喷吹到滤筒底部，没有沿着滤筒壁面贴附向前运动，清灰效果亚于环形射流。

图5 采用圆形射流方式的计算域速度云图

采用环形射流方式的计算域流场(30 ms)见图6。由图6可知，流场中存在对称的高速涡流。当喷吹气流进入净气室后，计算域壁面、花板使喷吹外边界层周围的流线弯曲、卷起，导致净气室内形成反向旋转的对称高速涡流，对净气室内气流的诱导卷吸和喷吹气流的发展起着重要作用。在滤筒入口的流场中心处，两个涡流影响到进入滤筒的喷吹气流，将喷吹气流均匀地分配到滤筒壁面，避免了气流偏心导致的清灰不均匀。

图6 采用环形射流方式的计算域流场(30 ms)

采用环形射流方式、圆形射流方式的压力场云图(20 ms)见图7。由图7可知，采用环形射流方式时，滤筒入口的负压区面积远小于圆形射流方式，滤筒轴向的压力变化更为缓慢，沿滤筒径向的压力分布更为均匀。说明环形射流方式的清灰均匀性更好。

图7 采用环形射流方式、圆形射流方式的压力场云图(20 ms)

6 结论

与环形射流相比，圆形射流的卷吸作用很弱，进入滤筒的气流基本为从喷嘴喷吹的一次气流。气流对称性差，易出现气流偏心现象，造成滤筒一侧气流速度高，清灰过度，而另一侧清灰效果差。气流作用范围小(滤筒径向方向)，气流沿滤筒轴线直接喷吹到滤筒底部，没有沿着滤筒壁面贴附向前运动。采用环形射流方式时，滤筒入口的负压区面积远小于圆形射流方式，滤筒轴向的压力变化更为缓慢，沿滤筒径向的压力分布更为均匀。环形射流方式的清灰均匀性更好。