新型复合除尘器的设计及数值模拟

2015-03-23廉继尧夏凤毅

中国计量大学学报 2015年1期

关键词：旋风布袋除尘器

廉继尧,夏凤毅,沈洲

(中国计量学院质量与安全工程学院,浙江杭州 310018)

新型复合除尘器的设计及数值模拟

廉继尧,夏凤毅,沈洲

(中国计量学院质量与安全工程学院,浙江杭州 310018)

设计一种新型旋风-布袋复合除尘器,采用两级复合除尘技术,弥补旋风除尘对于细颗粒去除效率低的不足.通过FLUENT软件提供的RNGK-ε湍流模型对其内部流场进行了数值模拟,并和未加布袋的普通旋风除尘器内部流场进行对比,探明复合除尘器内压力场和速度场基本特征.数值模拟结果表明，新型除尘器内局部湍流数目减少但切向入口处存在较强局部湍流现象;压力场变化较大,压差主要集中在布袋内外两侧.通过对复合除尘器内流场分析,为以后结构进一步优化设计提供依据.此外,复合除尘器采用嵌入式结构,占用空间小,造价低,具有广泛的应用前景.

旋风-布袋除尘;数值模拟;FLUENT软件;RNGK-ε湍流模型

近年来,我国粉尘污染现象较为严重,粉尘污染直接威胁着人们的生命,长时间处于粉尘污染的环境会导致各种心血管、呼吸道疾病[1],涉尘车间内部粉尘浓度过高还会引发粉尘爆炸,造成严重的经济损失和人员伤亡.因此,研究粉尘污染控制设备及技术十分必要.旋风除尘器是利用旋转气流所产生的离心力从气流中分离出粉尘颗粒的装置,具有结构简单、易维护等特点,但较低的除尘效率使其在粉尘治理领域一般担任初级除尘的角色.而布袋除尘装置具有运行稳定、高效的优点,因此广泛应用于水泥、钢铁冶炼、造纸等涉尘行业.本文所提到的一种新型旋风-布袋复合除尘器[2]将两种除尘机理有机结合,利用旋风除尘去除掉大粒径粉尘颗粒减轻后级布袋除尘负荷,同时发挥布袋除尘部分对于细颗粒粉尘去除效率高的优点,解决了对粉尘浓度过高及粒度分布过宽的含尘气体处理问题.

压力损失和除尘效率是评价复合除尘器结构和性能的两个重要指标,而这两者均和复合除尘器内部流场有着密切关系,因此利用流体动力学仿真软件(CFD)对除尘器内部流场进行模拟很有必要.在流体动力学仿真软件中,FLUENT一直具有较高的市场占有率,尤其在环境工程领域污染物处理设备及污染物控制系统的研究中有着广泛应用[3].在流体流动的数学模型中RNGK-ε模型由于考虑了高波数、小尺度涡对低波数大尺度涡的影响,模型常数经过精确推导,对具有分离和二次流的湍流流动具有较好的模拟性.本文运用FLUENT软件RNGK-ε模型模拟除尘器内部压力场和速度场的变化,对于了解新型除尘器内部复杂流场运动规律有着重要意义.

1 结构设计及工作原理

新型旋风-布袋复合除尘器结合旋风除尘和布袋除尘的优点,在旋风除尘内涡旋合理位置增加布袋除尘,可有效去除前级旋风除尘由于气流返混、短路流以及上灰环等现象而逃逸的细微粉尘颗粒[4].如图1,新型旋风-布袋复合式除尘装置主体由旋风仓和内置布袋组成.旋风仓包括切向进风口、圆柱形上筒体、圆锥形下筒体、灰斗以及圆柱形出风口组成,布袋通过出风口处花板和内部固定环、支撑杆固定在除尘室内最大程度减轻布袋在紊流状态下而发生晃动.结合旋风除尘器工作气压分布规律,针对新型除尘器结构特点,在其内部不同部位安装气压压力传感器,实时采集内部气压压力信息.其工作原理是:含尘气体通过入风口进入除尘室发生旋转产生离心力,在旋转过程中粒径较大颗粒在离心力作用下被甩向壁面滑落至灰斗,小粒径粉尘颗粒在除尘室内继续做螺旋运动最终被布袋捕集,最后通过对滤布清灰和下端螺旋自感应排尘装置完成对粉尘的最终收集.新型复合除尘器主要尺寸为:上筒体高度H1=1 140 mm,上筒体直径D1=760 mm,下椎体高度H2=1 900 mm,入风口宽度L1=172 mm、高度L2=380 mm,出风口直径D2=256 mm.

1—进气口;2—旋风舱;3—除尘布袋;4—储灰斗;5—螺旋排尘;6—支撑杆;7—出气口;8—布袋内部采压管;9—布袋外侧采压管;10—旋风舱内侧采压管;11—布袋固定环图1 复合除尘装置结构Figure 1 Structure of the new cyclone-bag filter

2 仿真方法和参数设置

2.1 模型建立和网格划分

根据新型复合除尘器结构尺寸和影响其除尘效率的关键因素,利用Gambit软件完成对装置模型的建立和网格的划分[5],如图2,将筒体分割为几部分生成多块结构化网格.

雷诺数:Re=vρd/μ=195 411>10 000

式中:v—入口风速,12 m/s;d—水力直径,0.23 m;μ—空气粘性系数,1.822×10-5Pa/s;ρ—空气密度,1.29 kg/m3.

图2 除尘器模型和网格划分Figure 2 Models and meshing of the cyclone-bag filter

根据计算结果,除尘装置入口处流场为湍流状态,流体介质为空气,速度为12 m/s,由于速度较低可认为是不可压缩流动,出口处认为是充分发展流动.目前,在流体流动的数学模型中主要有标准K-ε双方程湍流模型、RNGK-ε双方程湍流模型、RSM模型.这里选择RNGK-ε双方程湍流模型,RNGK-ε来源于严格的统计技术,且计算量较小,相对于标准K-ε模型考虑到了湍流漩涡,可以更好地处理高应变率及弯曲程度较大的流动,有效地改善了这方面的精度[6-8].因为复合除尘器内部旋流占优流动,所以选择Swirl Dominated Flow选项.微分方程如下:

湍动能K与耗散率ε方程

湍流粘性系数方程

式中:Ui—速度,m/s;k—湍流动能,m2/s2;ε—湍流动能耗散率,m2/s3;ρ—流体密度,kg/m3;υt—湍流粘性系数,kg/(m·s);Prk、Prε—对应于k、ε的Prandtl数,在RNGK-ε模型中同时取值为0.719 4;Pk—由于剪切力影响而引起的湍流动能的体积产生率,Gb—由于重力随密度变化而引起的湍流动能k的体积产生率.模型参数CD、C1、C2、C3通常由理论分析得出,分别取值为CD=0.086、C1=1.42、C2=1.68、C3=1.0.

耗散率ε增加的一个附加源项Sε,其表达式如下:

2.2 边界条件设定

在FLUENT中设置湍流强度(I=0.16Re-1/8)为3%,水力直径为0.23 m设置入口边界为velocity-inlet,水力直径为0.23 m,入口速度12 m/s,湍流强度3%，出口边界为outflow，滤袋部分设置为porous-jump,其中设置面渗透性为1×10-11m2,孔介质厚度为3 mm,压力阶跃系数为0.

3 模拟结果及分析

3.1 模拟结果

如图3和图4,当气流通过入口进入复合除尘器内部时,在布袋内侧和外侧产生了两个强烈的涡流,外涡旋转向下,内涡旋转上升.在外涡旋切向速度作用下,使得大部分颗粒在离心力作用下被甩向壁面,也有一小部分颗粒会随气体外旋向下运动然后进入内旋时被布袋捕集.由静压云图可以看出,由于采用切向入口使得入口气流直接冲击对侧壁面使切向入口对侧部分静压较高,此部分极易被磨损.因此,复合除尘器入口处需考虑使用特殊材料加工处理或者采用可使气流趋缓的进口形式.

图3 复合除尘器入口截面速度矢量Figure 3 Velocity vector of the inlet section

图4 复合除尘器入口截面静压云图Figure 4 Static pressure of the inlet section

图5为复合除尘器(左侧)和内部未加布袋的旋风除尘器y=0截面静压云图,对比发现旋风除尘器内部加装布袋后对于压力的影响较为显著,压差主要集中在布袋内外两侧;静压沿轴向变化较小,沿径向由外向内递减,即布袋外侧较高,内侧较低,中心位置及出口处最低,且出现负压.复合除尘器径向压差略大,这说明新型复合除尘器内部压力场较强,采用相同的方式操作,会产生较大能耗.

图5 复合除尘器(左)和旋风分离器y=0截面静压云对比Figure 5 Contract of the static pressure between the cyclone-bag filter and Cyclone y=0 cross section

图6为复合除尘器(左侧)和普通旋风分离器y=0截面径向速度对比,旋风分离器A、B、C三点处径向速度变化较大,易产生局部湍流造成气流返混的现象,此时,小于切割粒径的细颗粒粉尘受到较大向心力的作用跟随烟气流由外涡进入内涡最终从排气口逃逸;而复合除尘器内部烟气流由于受到布袋阻隔,在径向速度产生向心力作用下穿过布袋,流速趋缓,减少了内部局部湍流的数目,同时可有效避免细颗粒返混逃逸,有利于复合除尘的稳定、高效.结合图7和图8,可以看出在复合除尘器内部动压分布不均,验证了缪冰[9]等人的研究,由于切向速度不均造成了内部动压分布不均.从整体看,动压沿径向由外向内逐渐减小,最大切向速度位于上筒壁和排气口周围,这也造成布袋上部排气口周围动压较大,容易发生上灰环和短路流[10-11]现象,而由于布袋的过滤、阻隔作用使得本可能从此处逃逸的细微粉尘颗粒被布袋捕集下来,可有效提高对于亚微米级粉尘颗粒的去除效率.

图6 复合除尘器(左)和旋风分离器y=0截面径向速度对比Figure 6 Contract of the Radial velocity between the cyclone-bag filter and Cyclone

图7 复合除尘器y=0截面动压云Figure 7 Dynamic pressure of the cyclone-bag filter y=0 cross section

图8 复合除尘器y=0截面切向速度矢量Figure 8 Velocity vector of the cyclone-bag filter y=0 cross section

3.2 残差分析和质量流量分析

设定残差预设值为1×10-6,迭代次数3 000次,通过不断优化网格等方式提高迭代收敛性,如图9,图中n为迭代次数,在迭代1 781次后,计算达到收敛.通过计算除尘器进口气流流量为0.849 072 02 kg/s,出口气流流量为0.849 096 58 kg/s,进出口气流不平衡率为3.07×10-5<10-3,认为计算准确.

图9 残差变化Figure 9 Scaled residuals

4 结语

1)设计一种新型复合除尘器,通过在旋风仓内安装布袋,降低了由于气流返混、上灰环、短路流等现象造成的细微尘粒从排气口逃逸的概率,提高除尘效率.

2)在旋风除尘器内涡安装布袋后,对内部速度场影响较小,切向速度有一定的轴对称性,对压力场影响明显,布袋内外两侧压差较大,这也导致若复合除尘器采用和普通旋风分离器相同的操作方式势必增加能耗.可以根据复合除尘器内部压力场分布特点设计一种智能供气控制系统,针对除尘器内部压力损失进行实时反馈,使得除尘器在应对复杂工况时能够合理调整压降的变化,在保证除尘效率的同时降低能耗,做到节能减排.

3)实际运行中样机处理风量可达3 500 m3/h,对于5 μm以下细微颗粒去除效率达到99%,得到了良好的去除效果.在除尘设备制造时可根据涉尘企业具体工况对复合除尘器机体进行等比例扩大以满足涉尘企业对处理风量的要求.

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Design and numerical simulation of a new precipitator

LIAN Jiyao, XIA Fengyi, SHEN Zhou

(College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

We designed a new cyclone-bag composite precipitator adopting the two-stage filtration to ameliorate the low efficiency of the cyclone precipitor to fine particles. The RNGK-εturbulence model was selected to simulate the composite precipitator and the ordinary cyclone separator. Excellent convergent results were obtained by reasonable analyzing and debugging. We studied the velocity field, the pressure field and the turbulent flow field. We found that there existed a strong turbulence at the entrance of the cyclone-bag precipitator.The pressure field of the cyclone-bag precipitator had a significant change,especially on both sides of the bag. The research result will provide further reference for an optimization design of cyclone-bag precipitator and offer scientific theory basis for the design of intelligent air inlet control methods. The novel precipitator has the advantages of space-saving and low cost because of its embedded structure.

cyclone-bag filter; numerical simulation; FLUENT; RNGK-εturbulence model