布袋除尘器吸风罩的研究

郭蕾 朱新才 邓星 胡腾飞

(重庆理工大学机械工程学院，重庆 400054)

本文主要研究垃圾焚烧布袋除尘系统及其主要设备吸风罩的设计。

1 布袋除尘系统

1.1 原理

生活垃圾焚烧的布袋除尘系统主要由吸风罩、风管、风机、袋式除尘器、飞灰输送装置等组成。烟气从吸风罩进入布袋除尘器，到达布袋外表面后，固体颗粒沉积，气体穿过过滤介质进入布袋，再由出口排出除尘器。布袋除尘器的主要作用是滤掉烟气中的有害颗粒物，然后达标排放。布袋除尘器的效率要高于常用的电除尘器。

我国2000年6月1日开始实施的《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485)规定:焚烧炉的除尘装置必须采用袋式除尘器。一个完整的除尘系统应该包括以下几个过程:(1)用吸风罩捕集从半干式喷雾反应器中产生的污染物烟气;(2)捕集的烟气在风机的作用下，进入到布袋除尘器中;(3)在布袋除尘器中，通过筛滤、拦截、碰撞、扩散等作用，使得烟气得到净化;(4)净化后的烟气在引风机的作用下，通过烟囱排放;(5)通过飞灰输送装置，收集和处理分离出来的粉尘。

1.2 影响袋式除尘器除尘效果的因素

影响除尘效果的因素较多，总结起来主要有:烟气的自身特性、布袋除尘器自身结构以及滤袋的选择、吸风罩、烟气进气速度、工作环境等。这些因素相互影响，共同作用。

吸风罩形式的确定和设计计算是垃圾焚烧发电除尘系统成功与失败的关键之一。设计完善的吸风罩应在不影响操作的情况下以较小的风量获得良好的除尘效果。吸风罩的几何形状是否合理、安装位置是否合适、面积是否恰当等直接影响除尘效果。吸风罩的作用在于将从半干式喷雾反应器中产生的烟气引导进入布袋除尘器，在除尘器内进行滤化处理，以避免其向大气分散，形成污染。吸风罩设计与安装不合理，烟气吸入效果差，当大量气流以垂直方向从喷雾反应器中扑出，吸风罩不能有效的捕集气体，增加了烟气扩散的几率，导致噁英弥漫。吸风罩的设计与安装不尽合理是影响除尘、二噁英等污染物扩散的主要原因。

2 吸风罩设计原理

目前，工艺流程中所说的吸风罩是一种收集含尘空气的罩口。一般是采用1.5 mm厚铁皮制成的长方形截面风管，靠近烟气产生源安装。原理上，吸风罩是依靠风机吸风形成负压抽吸作用，在距离吸风罩最远的粉尘散发点处造成适当的空气流动速度(即控制风压或吸入速度)，把含尘空气吸入通风除尘装置中。为了保证设计的吸风罩能有效的捕集烟气，设计时应遵循以下原则:

(1)吸风罩应尽可能包围或靠近烟气产生源，使烟气局限于较小的空间，尽可能减小其吸气范围，便于捕集和控制。

苜蓿与4种禾草混播群落中，混播虉草的抗氧化能力大于其他3种禾草，苜蓿的抗氧化能力在苜蓿-猫尾草混播群落中大于其他3种混播群落。

(2)吸风罩的吸气气流方向应尽可能与污染气流运动方向一致，也就是吸风罩的轴线应与污染物散发的轴线相重合，充分利用烟气的动能。

(3)吸风罩内含毒污染物的烟气不允许通过人的呼吸区，烟气流程内不应有障碍物。

(4)吸风罩在不影响工艺的情况下，应结构简单、造价低，以便制作安装和拆卸维修。在保证控制污染源的条件下，尽量减少吸风罩的开口面积或加法兰边，使其吸风量最小，节约能源。

(5)和工艺密切配合，使吸风罩的配置与生产工艺协调一致，其结构、位置不应妨碍工人操作和设备检修。

(6)要尽可能避免或减弱干扰气流如横向气流、送风气流等对吸气气流的影响。

吸风罩按结构形式可分为密闭罩、半密闭罩、外部罩和吹吸罩4类。由于除尘器所捕集的烟气中含有有毒污染物，因此，除尘系统中的吸风罩选择密闭罩的形式。布袋除尘器密闭罩是将烟气产生源或整个工艺设备完全密闭起来，气体分散被限制在一个很小的密闭空间内。它仅需较小的排气量，就可以有效防止粉尘或其他有害物质进入室内，还减小了风量，降低了投资。

3 吸风罩内部流场的数值模拟

3.1 数学模型

从喷雾反应器烟道出口到除尘设备入口，烟尘的流动过程涉及到气固两相的湍流流动，颗粒物作为重金属及二噁英类污染物成分的主要载体，其质量加载率、体积载入率都很小，颗粒物间的孔隙率高，颗粒间的相互碰撞可忽略。只考虑气体对颗粒物的作用，而不考虑颗粒对气体的影响。运用FLUENT软件对吸风罩内部流场进行数值模拟，采用遵循欧拉-拉格朗日方法(Eulerian Model)的离散相模型。计算中选用标准k-ε紊流模型，运用一阶迎风格式及SMPLE算法对离散方程进行求解。

求解的理论依据是湍流气固两相流动的质量、动量、能量守恒微分方程组的离散化处理及其数值解析。经时间平均化处理后，各守恒方程的通用形式可表示为:

(1)质量守恒方程。

质量守恒定律:单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元的净质量。用方程表示为:

(2)动量守恒方程。

动量守恒定律:微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力的和。用方程表示为:

(3)能量守恒方程。

能量守恒定律:微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。用方程表示为:

3.2 数值模拟

在进行网格划分时，采用非结构网格中的三角形网格，网格划分的好坏直接影响收敛性，使用三角形网格可以消除结构网格中节点的结构性限制，节点和单元分布的可控性好，因而能较好地处理边界。罩口面积之比最大为16∶1;喇叭口罩长度宜取风管直径的3倍，以保证罩口均匀吸气。如图1所示为吸风罩扩张角为40°的几何模型，AB为出口;EF为入口;AH、BC、KF、DE 为壁面;HK、CD 为收缩壁面，且都为无滑移的绝热壁面。为简化处理，气体设为理想气体，根据布袋除尘器的工艺尺寸和操作参数设定入口半径为2 810 mm，进出口温度为300 K。进口边界FE，设置为速度入口，进口速度均匀分布，给定进口速度为18.2 m/s。出口边界AB，由于该边界上的速度和压力均为未知的情形，故设置自由出流为边界条件，其余固体壁面为无滑移壁面。在数学模型的基础上，运用FLUENT软件，分析不同的吸风罩扩张角对吸风罩流动特性的影响。图2为罩口扩张角度分别为20°，40°，60°，90°和120°时，相同进气速度下吸风罩的烟气流动情况。图3为不同扩张角下收缩段的速度矢量放大图。

图1 扩张角为40°吸风罩几何模型

图2 不同扩张角吸风罩中的烟气流动速度矢量图

图3 不同扩张角下收缩段的烟气流动速度矢量放大图

当罩口扩张角为20°、40°时，中间烟气的流速大，流线稠密;周围烟气的流速小，流线稀薄。扩张角为60°、90°时，吸风罩出口的烟气流场分布明显改善，较为均匀。气流不再集中于进气烟箱的中上部，而是比较均匀地分散于整个空间，在出口的收缩段气流速度稍大一点，这是因为收缩段采用折板形式，局部压损较大，与实际情况相符。扩张角为120°时，气流出现少许分离，产生了回流现象。

因此，利用建立的吸风罩模型，改变吸风罩的结构参数，模拟了不同扩张角度对吸风罩内部流动性能的影响，结合实际情况，推荐使用60°到90°之间的扩张角。

4 结论

(1)利用FLUENT软件对吸风罩内部气固两相流场进行仿真模拟，对不同扩张角的吸风罩进行流场分析，得到吸风罩最佳设计尺寸，为工程应用提供理论依据。

(2)采用数值模拟软件进行有关参数的模拟计算，可以有效地缩短设计过程，能获得完整的数据，模拟出实际运行过程中各种所测数据状态，减少了产品开发成本。

(3)根据已有的理论分析，为后续的设计提供理论依据。比如，若达不到均匀吸气时，可设多个吸风口，或在吸风罩内设分隔板、挡板，罩口收缩处采用圆弧型等。

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