燃油加热炉布袋除尘器工艺设计及袋室气流分布研究

周赞庆

(青岛热电集团有限公司，山东青岛 266034)

燃油加热炉布袋除尘器工艺设计及袋室气流分布研究

周赞庆

(青岛热电集团有限公司，山东青岛 266034)

针对燃油加热炉的冒黑烟问题，开展烟气除尘技术研究。在分析燃油烟气特性的基础上，进行加热炉的袋式除尘器工艺设计。使用计算流体力学软件对除尘器内流场均匀性进行模拟分析，计算出袋室内截面的压力和气流速度分布。结果显示，除尘器内的压力和速度在不同部位显示出明显的非均匀性，袋室内布袋的排列方式和灰斗的结构是影响气流均匀性的重要因素。提出改善袋室内气流分布均匀性的措施。

袋式除尘器;工艺设计;气流均匀性;数值模拟

0 引言

燃油加热炉在使用过程中，由于燃料油的含水或密度、粘度等物性变化以及运行过程中供油压力波动、燃烧器故障等原因，时常发生燃料油不完全燃烧现象，烟气中炭黑成分高，造成周边环境污染。近几十年来，诸如静电除尘器、袋式除尘器、旋风除尘器、湿式除尘器等各种除尘技术的应用有效的减轻了工业烟气对环境的污染。燃油加热炉烟尘容重小、粘度大、尘粒分离处理要求高，很多除尘技术不能胜任。袋式除尘技术［1－2］是充分运用空气动力学捕集机理(如拦截、扩散和惯性碰撞等)以及静电效应来捕集粉尘微粒，因此具有很高的除尘效率。此类除尘器能适应较大范围的风量变化，且运行阻力不大，应用广泛，结合具有防油、防水、耐高温、使用寿命长的特殊滤袋材料［3］，该技术非常适于燃油烟气的除尘处理。

袋式除尘器内的气流均匀性是影响除尘器除尘效率和滤袋寿命的重要因素。气流分布均匀程度取决于进出口方式、气流分布器形式、布袋的排列组合方式等一系列因素。由于袋式除尘器气流分布比较复杂，也不易进行试验测试，因而对于袋式除尘器气流均匀性的研究成果较少。在国内，郭烈锦［4－5］、沈恒根［6］、李勇［7］等人使用计算流体力学软件，持续开展了袋式除尘器中气流均匀性的数值模拟研究，并进行了滤料阻力特性的测定，但燃油锅炉、加热炉等性质特殊的烟气除尘流场分布未见报道。本文针对燃油烟气特性进行加热炉的袋式除尘器工艺设计，并开展袋式除尘器内气流均匀性研究，计算出袋室内截面的压力和气流速度分布，并对模拟结果进行了分析。

1 袋式除尘器工艺设计

1.1 烟气量计算

首先根据燃料消耗量计算燃烧所需理论空气量，燃烧1kg燃料油所需的空气量:

上式中 Car、Har、Sar、Oar分别为碳、氢、硫、氧的收到基含量。考虑减少不完全燃烧损失，引入过量空气系数，实际送入炉内的空气量为:

1.2 过滤介质选择

燃油锅炉烟气中的微粒成分有:雾状油滴、细微的絮状物、可沉积及不可沉积的固态颗粒物，其总体含量一般不超过10g/m3(标准状态值)。通常情况下进口烟气温度≤200℃，设定烟气温度浮动不大。根据烟气的性质选择出过滤滤料材质为:PTFE+覆膜。PTFE薄膜布满微细的孔隙，薄膜滤料的过滤作用完全依赖于这层薄膜，对于粒径0.1μm的粉尘，也能获得99.9%以上的除尘效率。PTFE薄膜表面光滑，有憎水性，容易清灰。薄膜滤料的使用可以降低过滤能耗和清灰能耗，减少粉尘的排放量，延长滤料的使用寿命。

1.3 清灰方式

袋式除尘器在过滤含尘气体期间，由于捕集的粉尘增多，气流的通道逐渐延长和缩小，滤袋对气流的便逐渐上升，处理风量也下降。所以当阻力上升到一定水平之后，需及时对滤袋进行清灰。

袋式除尘器常用清灰方式有三种:机械振动式、逆气流清灰、脉冲喷吹清灰。机械振动清灰对布袋的损伤比较大，检修等麻烦，且多数为停风清灰应用比较麻烦;燃油锅炉烟气粘性稍大，对于逆气流清灰应用效果不理想。据各清灰方式的特点及燃油加热炉的实际情况综合比较来看选择脉冲喷吹式清灰方式最适合。脉冲袋除尘器在遇到这样一些情况，往往需要离线清灰:一是捕集的是较难清灰的粉尘;二是捕集的粉尘比较轻，清灰不容易落入灰斗(特别是在滤袋较长的情况下);三是对除尘效果要求很高，必须尽可能减少清灰时的粉尘外逸。对于粘度较大的燃油烟气，为了能更好的达到清灰效果，所选择的清灰方式为低压脉冲行喷吹离线式清灰。

1.4 除尘器气布比

气布比vf即过滤速度，指含尘气体通过滤料有效面积的表观速度，以m/min计。袋式除尘器过滤风速的大小与袋式除尘器的使用寿命及投资都有很大的关系，过滤风速过高，所需要的滤布面积小，但其清灰频率高，设备阻力大，不仅会造成滤袋及脉冲阀使用寿命缩短，而且能耗大。过滤风速过低，虽然压力损失减少，效率较高，但需要的过滤面积也增加了，会使设备体积庞大，投资增高，为此应按不同的工况条件选择最佳的过滤速度。

一般而言，处理较细或难于捕集的粉尘、含尘气体温度较高、含尘浓度大和烟气含湿量或者黏性大时适宜取较低的过滤速度。综合考虑和参考一些应用实例之后，确定过滤速度vf为0.9m/min。

2 袋式除尘器内气流均匀性研究

2.1 研究方法

本文使用Fluent软件研究除尘器内气流均匀性。采用有限容积法(Finite Volume Method，FVM)作为基本的数值求解方法。该方法把计算区域划分为一系列的控制容积，每个控制容积由一个节点作为代表，通过将守恒型的控制方程对控制容积作积分导出离散方程。数值模拟方法围绕Reynolds时均方程法进行，湍流模型选取双方程模型中的标准k－ε模型，迭代计算采用使用SIMPLE算法。

2.2 流场边界条件

本研究中假定气流是不可压缩的，即密度是常数，因此速度入口边界条件与质量入口边界条件是等价的，本研究选择速度入口边界条件。为了使模拟计算有更好的收敛速度，使用压力出口边界条件。对于布袋这种薄膜状边界的处理是十分重要的，Fluent软件要求该尽可能的使用简化模型来取代完全的多孔介质模型，使其具有很好的鲁棒性和收敛性。本研究使用多孔跳跃边界条件，该边界条主要用于模拟己知速度或压降特征的薄膜，它本质上是单元区域的多孔介质模型的简化。薄膜介质是具有有限厚度的，通过它的压力变化定义为达西定律和附加内部损失项的结合。

2.3 模拟结果与分析

2.3.1 建模及相关参数

除尘器采用下进风方式(进风口在灰斗上)，进风口φ 300mm，矩形出风口300×300mm。单袋式结构，布袋顺列布置，64个布袋，半袋室区域布袋为4×8排列。袋径60mm，袋长2000mm，多孔介质(布袋)厚度 0.001m，袋面渗透率 1.2 × 10－12m2。烟气密度 0.768kg/m3，粘度 2.49 ×10－5kg/(ms)。建模网格如图1(a)(半袋室结构，4×8布袋排列)，对滤袋进行编号，靠近中心对称面的计作内排，靠近除尘器外壁面的计作外排，从靠近进风口的滤袋开始编号。袋底、除尘器内壁面、进口、出口、袋室对称面等区域也计入编号。

2.3.2 模拟结果

基于上述建模和模拟计算条件，设定收敛判据进行迭代计算。表1列出了袋式除尘器建模的各袋流量数据(半袋室结构，4×8布袋排列)。从袋式除尘器内半袋室截面压力分布可见，水平截面的袋室压力呈现中心区域低，靠近壁面的周边区域压力高的趋势;在布袋内，水平截面边角位置的布袋压力明显较中心区域偏低;垂直截面沿布袋高度方向，中间区域的压力明显高于布袋内两端的压力值。图1(b)为建模袋式除尘器对称面流速分布，袋室内沿气流进口方向，流速自下而上逐渐降低;垂直截面的速度分布显示，除袋室边角区域外，气流分布较为均匀，袋内流速明显低于袋间流速;除尘器灰斗内的气流较为复杂，往往会出现不同程度的涡旋流动。改变袋室内布袋的排列结构，改进灰斗的几何尺寸和容积，将有助于改善袋室内气流分布的均匀性。

表1袋式除尘器各袋流量数据

图1 袋式除尘器模型及模拟结果

3 结语

本文针对燃油加热炉在使用过程中出现的冒黑烟问题，开展烟气除尘技术研究。在对比分析各除尘技术特点的基础上，采用袋式除尘技术及装置，并分析了除尘器的主要技术工艺。使用计算流体力学软件对一定边界条件的除尘器模型进行模拟分析，计算出袋室内截面的压力和气流速度分布。结果显示，除尘器内的压力和速度在不同部位显示出明显的非均匀性，袋室内布袋的排列方式和灰斗的结构是影响气流均匀性的重要因素。

［1］郝艳红，邱丽霞，孙 楠.布袋除尘器除尘性能的实验研究［J］.电站系统工程，2010，26(5):11 －13.

［2］Aleksandrov V P，Baranova R B，Valdberg A Yu.Filter materials for bag filters with pulsed regeneration［J］.Chemical and Petroleum Engineering，2010，(46):33 －39.

［3］Sang Y Y，Dae Y L，Sung W B，et al.Design of filter bag media with high collection efficiency［J］.Mater Sci，2007，(42):8040 －8046.

［4］高晖，郭烈锦.下进风袋式除尘器内部气固两相流动数值模拟［J］.化学工程，2001，29(5):35 －38.

［5］高晖，郭烈锦.除尘器袋室结构改进及内部气固两相流动特征分析［J］.西安交通大学学报，2000，34(5):50 －54.

［6］张景霞，沈恒根，方爱民，等.袋式除尘器喷吹管内气流数值模拟分析［J］.电力环境保护，2008，24(3):30 －32.

［7］李勇，辛龙胜.基于Fluent的脉冲袋式除尘器内气流流场的数值模拟［J］.青岛科技大学学报(自然科学版)，2010，31(2):177 －181.

Technological design and numerical simulation study on internal flow field of bag filter for oil burning boiler

Flue gas dedusting technology was researched for smoke contamination of oil burning boiler.Technological design of bag filter was carried out based on the analysis of flue gas characteristics.Numerical simulation method was adopted to study the internal flow field of the bag filter.Pressure field and air－ flow field structure were obtained by Fluent software and simulated results were analyzed.The results show that the distributions of pressure and velocity are obviously nonuniform and the arrangement mode of bags and the structure of ash bucket are the key influencing factors for flow field uniformity.The research can be the theoretical evidence for the improvement and design of bag filter.

bag filter;technological design;flow field uniformity;numerical simulation

X701.2

B

1674－8069(2012)03－032－03

2012-01-08;

2012-04-30

周赞庆(1976-)，男，山东即墨人，主要从事热电管理和除尘技术研究。E－mail:zhouzq76@sohu.com