長(zhǎng)袋離線(xiàn)脈沖除塵器艙室流量分布的研究

摘

要：在環(huán)保工程實(shí)際中，隨著大型袋式除塵器過(guò)濾面積的增加或過(guò)濾艙室數(shù)量的增加，設(shè)計(jì)人員擔(dān)心各艙室的流量分配會(huì)存在不均的情況。為探討這一問(wèn)題，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真軟件，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)單臺(tái)總過(guò)濾面積6880m2的長(zhǎng)袋離線(xiàn)脈沖除塵器流量分布特征進(jìn)行分析，通過(guò)關(guān)鍵切面氣流速度分布圖和各艙室過(guò)濾煙氣質(zhì)量流量的比較，計(jì)算出除塵器離線(xiàn)分室清灰條件下各艙室煙氣流量的分配狀況，得出各艙室間煙氣流量分配存在明顯的差異性，尤其是靠近進(jìn)氣口兩側(cè)艙室煙氣流量明顯低于平均值，而且中間艙室清灰后過(guò)濾風(fēng)量波動(dòng)偏大?；诖耍岢鐾ㄟ^(guò)設(shè)定合理的運(yùn)行壓差和調(diào)節(jié)離線(xiàn)控制閥的開(kāi)啟速度，有效實(shí)現(xiàn)氣流均勻分布，減緩過(guò)濾風(fēng)量波動(dòng)的影響，為袋式除塵器的改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供了參考。關(guān)鍵詞：袋式除塵器；離線(xiàn)清灰；提升閥；運(yùn)行壓差；氣流分布；過(guò)濾風(fēng)量

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引言長(zhǎng)袋離線(xiàn)脈沖除塵器（LDBF）是國(guó)內(nèi)較早使用的袋式除塵器結(jié)構(gòu)形式之一，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、電力等領(lǐng)域。長(zhǎng)袋離線(xiàn)脈沖除塵器一般由若干個(gè)大小相等的艙室組成，采用離線(xiàn)分室清灰方式，即依次逐一對(duì)除塵器各艙室進(jìn)行清灰，其清灰頻率主要由時(shí)間和壓差兩種模式控制。隨著袋式除塵器的大型化，單臺(tái)袋式除塵器的過(guò)濾面積也日益大型化，為滿(mǎn)足過(guò)濾效率和清灰效果，多采用分割若干艙室的方式，分別進(jìn)行離線(xiàn)清灰。離線(xiàn)袋式除塵設(shè)備，大多為雙列艙室布置，根據(jù)處理風(fēng)量，設(shè)計(jì)不同數(shù)量的艙室，由于艙室數(shù)量的增加，除塵器設(shè)備長(zhǎng)度也會(huì)隨之變長(zhǎng)，以處理200萬(wàn)工況煙氣量的除塵器為例，過(guò)濾面積超過(guò)3萬(wàn)m2，由30個(gè)艙室組成，設(shè)備總長(zhǎng)度超過(guò)60m，設(shè)計(jì)中存在擔(dān)心除塵設(shè)備過(guò)長(zhǎng)，各艙室處理風(fēng)量是否均勻，局部過(guò)濾風(fēng)速過(guò)大，影響濾袋壽命，以及是否會(huì)存在尾部艙室過(guò)濾風(fēng)量明顯偏少等諸多問(wèn)題。直接對(duì)大型設(shè)備做半工業(yè)試驗(yàn)，缺少與大型除塵設(shè)備相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，隨著CFD仿真技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用流體力學(xué)對(duì)流體機(jī)械設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估優(yōu)化成為可能，一方面可以預(yù)判設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，另一方面大大降低了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，增加了設(shè)備研發(fā)的靈活性和可變性。另外，袋式除塵器結(jié)構(gòu)龐大，設(shè)備復(fù)雜。長(zhǎng)期以來(lái)，利用CFD技術(shù)對(duì)袋式除塵設(shè)備的研究，主要采用減少過(guò)濾面積、簡(jiǎn)化濾袋形狀或局部模擬等方式簡(jiǎn)化大型袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算，模型過(guò)于簡(jiǎn)化不利于真實(shí)反映大型袋式除塵器的流場(chǎng)特征，本文將利用1:1比例對(duì)LDBF型長(zhǎng)袋離線(xiàn)脈沖除塵器建模，能夠很好地反映計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

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模型及邊界條件1.1

物理模型模擬對(duì)象為L(zhǎng)DBF型長(zhǎng)袋離線(xiàn)脈沖除塵器，包括10個(gè)艙室，呈雙列布置（圖1）。煙氣由入口1經(jīng)中間進(jìn)氣煙道，由兩進(jìn)風(fēng)支管（圖2）進(jìn)入各過(guò)濾艙室4的濾袋3表面過(guò)濾凈化，凈化后的氣體由上箱體經(jīng)凈氣閥口6匯集到出風(fēng)總管，由出口7進(jìn)入風(fēng)機(jī)再經(jīng)排氣筒外排。

本文以除塵器整體按實(shí)體1:1建立計(jì)算模型，尺寸32000mm×24000mm×14000mm，1680條濾袋，均勻分布在10個(gè)艙室。總過(guò)濾面積6880m2，濾袋規(guī)格φ163×8000mm，過(guò)濾艙室沿進(jìn)氣方向?yàn)V袋編號(hào)依次為01～05和06～10兩列，如圖3所示。

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數(shù)學(xué)模型1.2.1

流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型煙氣在袋式除塵器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)可以看作復(fù)雜的三維氣固兩相流動(dòng)。模型采用SIMPLE算法，氣相流動(dòng)采用紊流模型，顆粒相采用拉格朗日離散相模型（DPM）。顆粒在Lagrangian坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程為：式中，為顆粒單位質(zhì)量曳力；為顆粒加速周?chē)黧w所需要的力。式中，為連續(xù)相速度；為顆粒速度；為流體粘性系數(shù)；分別是空氣與顆粒的密度；為顆粒雷諾數(shù)，定義為；阻力系數(shù)，其中為常數(shù)，由光滑球顆粒實(shí)驗(yàn)給出；為顆粒直徑，符合rosin-rammler分布，大于粒徑的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，其中為中位徑，為顆粒尺寸分布指數(shù)[6]，中位徑，尺寸分布指數(shù)。1.2.2

濾袋數(shù)學(xué)模型濾袋采用多孔跳躍介質(zhì)邊界條件，并忽略流體穿過(guò)濾袋時(shí)的內(nèi)部阻力項(xiàng)[8]，得：式中，為流體動(dòng)力粘度（Pa·s）；為滲透率（m2）；為垂直于介質(zhì)表面的速度分量（m/s）；為濾袋及其表面粉塵層構(gòu)成多孔介質(zhì)濾層厚度（m）。由濾料厚度和其表面粉塵厚度組成，即。其中為粉塵負(fù)荷（g/m2）；ρ為粉塵堆積密度（g/m3）。滲透率α由實(shí)驗(yàn)得出，本文濾袋邊界條件僅考慮濾袋表面粉塵負(fù)荷的正常過(guò)濾態(tài)和清灰后兩種狀態(tài)。1.3

初始邊界條件及求解流體參數(shù)：不可壓縮空氣，溫度150℃，密度0.87kg/m3，動(dòng)力粘度2.15×10-5

Pa·s。進(jìn)口為壓力入口，出口為速度入口邊界條件。顆粒相參數(shù)：密度1300kg/m3；固體壁面取為彈性反射面（reflect），出口設(shè)為逃逸面（escape），濾袋則為收集面（trap）。目標(biāo)收斂殘差10-5。

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模擬結(jié)果與分析2.1

清灰前流場(chǎng)特征如圖4所示，煙氣以15m/s的速度進(jìn)入中間煙道，通過(guò)連接在各艙室的進(jìn)氣彎頭進(jìn)入各艙室，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流片的分流進(jìn)入濾袋過(guò)濾（圖5），然后凈化后的煙氣經(jīng)各艙室控制閥口匯集到凈氣煙道從出口排出，可以看出各閥口的煙氣出流速度沿出口煙道方向依次減少（圖6），各濾袋口出流速度相對(duì)均勻，如圖7所示。為進(jìn)一步比較各艙室處理風(fēng)量的差異性，引入流量分配系數(shù)，表示每個(gè)艙室實(shí)際處理氣體流量與平均處理氣體流量的比值記作，用下式表示：式中，為第排濾袋實(shí)際處理氣體量為濾袋平均處理氣體量最大不均勻幅值通過(guò)模擬新濾袋和正常過(guò)濾的兩種不同透氣狀態(tài)，對(duì)比分析兩種狀態(tài)下各艙室過(guò)濾風(fēng)量的差異性。如圖8所示，兩種不同狀態(tài)下均可以看出，各艙室之間過(guò)濾分配系數(shù)整體在0.85～1.12，并沿入口至出口方向依次增大，靠近入口兩側(cè)的艙室01和06過(guò)濾風(fēng)量明顯低于平均值，而靠近出口的艙室10過(guò)濾風(fēng)量最大。一方面，由于袋式除塵器設(shè)備運(yùn)行阻力主要是濾袋的內(nèi)部阻力，可以認(rèn)為艙室過(guò)濾風(fēng)量的多少與艙室進(jìn)口與控制閥出口之間的靜壓差有關(guān)，煙氣以較高的速度用射流的方式進(jìn)入煙道，具有較高的動(dòng)壓，同時(shí)周邊的靜壓偏低，當(dāng)氣流遇到箱體壁或擋板的阻擋后動(dòng)壓減小、靜壓增大，造成了進(jìn)氣煙道內(nèi)靜壓分布沿進(jìn)口方向逐漸增大，出口煙道靜壓分布與進(jìn)口煙道則相反，所以艙室之間進(jìn)口與控制閥口之間的靜壓差沿入口至出口依次增大，也就造成了圖8顯示的各艙室過(guò)濾分配系數(shù)分布的差異。另一方面，根據(jù)氣流總是沿阻力最小的路徑流動(dòng)的原理，隨著過(guò)濾的進(jìn)行，原處理風(fēng)量大的濾袋過(guò)濾風(fēng)速會(huì)逐漸降低，而處理風(fēng)量小的濾袋過(guò)濾風(fēng)速逐漸增大，艙室之間過(guò)濾風(fēng)量逐漸趨于平衡。2.2

離線(xiàn)清灰條件下流場(chǎng)的基本特征離線(xiàn)清灰時(shí)，被清灰的艙室凈氣出口提升閥關(guān)閉，該艙室離線(xiàn)，切斷煙氣進(jìn)入該艙室。清灰后，凈氣提升閥打開(kāi)，該艙室恢復(fù)工作。按照單個(gè)艙室（圖9）和兩個(gè)艙室同時(shí)離線(xiàn)清灰兩種狀態(tài)分析各艙室流量分配系數(shù)。01、03、10單獨(dú)清灰和01、10同時(shí)清灰的流量分配系數(shù)如圖10所示，可以看出對(duì)比離線(xiàn)前，不論是單個(gè)還是兩個(gè)艙室離線(xiàn)后，艙室過(guò)濾風(fēng)量均為零，其他艙室流量分配系數(shù)均同步增大，風(fēng)量被平均分配到各艙室，但靠近入口兩側(cè)的艙室01和06流量分配系數(shù)仍然最小，在0.85～1.2，但整體過(guò)濾風(fēng)量較為均衡，。分別選取艙室03、05、06、08、10離線(xiàn)清灰，當(dāng)對(duì)應(yīng)控制閥完全打開(kāi)時(shí)，各艙室流量分配情況如圖11所示。可以看出對(duì)比離線(xiàn)前，清灰后的艙室流量分配系數(shù)增大比較明顯，其他艙室同步減小，但靠近出口的艙室05和10流量分配系數(shù)增加最大，艙室01和06流量增加較小。通過(guò)對(duì)比分析上述幾種情況各艙室流量分配系數(shù)的變化可以看出，不論哪種情況，除塵器末端即靠近出口兩側(cè)的流量分配系數(shù)最大，而靠近入口兩側(cè)流量分配系數(shù)最小，而且清灰后流量系數(shù)的波動(dòng)也類(lèi)似。3

結(jié)論及建議（1）LDBF型長(zhǎng)袋離線(xiàn)脈沖除塵器正常過(guò)濾狀態(tài)或離線(xiàn)清灰下，各艙室濾袋過(guò)濾風(fēng)量相對(duì)均勻，也沒(méi)有出現(xiàn)設(shè)計(jì)人員所擔(dān)心的除塵器長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致尾部艙室過(guò)濾風(fēng)量偏小的情況。事實(shí)恰恰相反，靠近入口兩側(cè)的艙室過(guò)濾風(fēng)量明顯小于平均值?？稍诳拷肟谔師煹纼?nèi)增加適