基于Fluent的袋式除尘器气箱入口直径取值研究

谷晓娇，陈长征，谷艳玲，陆 鹤

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

基于Fluent的袋式除尘器气箱入口直径取值研究

谷晓娇，陈长征，谷艳玲，陆 鹤

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

目前大气污染问题日益严峻，工业废气的除尘已成为一个十分重要的研究方向，袋式除尘器是广泛应用于治理大气污染的除尘设备之一。采用气箱喷吹的清灰方式可以降低袋式除尘器的使用成本，而这种清灰方式存在喷吹气体的压力和流速不均匀的现象。为了保证除尘效果，基于计算流体力学软件Fluent研究气箱入口直径的取值对喷吹气体分布均匀性的影响。通过一系列的数值模拟实验表明，入口直径取值过大，压力分布均匀性下降但不明显，入口直径取值过小会产生局部流速增大的现象，影响滤袋使用寿命。

袋式除尘器；气箱喷吹；入口直径；压力分布；气体流速

0 前言

现在人类产业活动飞跃发展，有害物质排出的速度已经超越了自然的净化能力。因此，对生活环境和生态系统造成了严重的影响，平衡产业活动和环境保护之间的关系已经成为了一个社会问题[1]。为了防止产业活动对大气环境造成污染，我国制定了工业烟气排放标准，一般工业废气在排放前需要经过除尘设备的处理才能排放到大气中。

目前，袋式脉冲除尘器是应用最广的除尘设备之一，它是以滤布为过滤材料来达到分离有害物质的目的，具有处理风量大、占地面积小、净化效率高、工作可靠、结构简单、维修量小等特点[2]。袋式除尘器的运行实践表明，清灰系统结构设计的合理性是保证袋式除尘器成功运行的关键因素。合理的结构设计不仅可以降低除尘器使用成本，还能提高除尘效率，延长滤袋的使用寿命[3]。袋式除尘的清灰方式主要分为两大类，一类是气箱喷吹的清灰方式，另一类是管喷吹的清灰方式，气箱喷吹与管喷吹相比具有更好的经济性且便于维修，但是气箱喷吹的均匀性需要通过合理的气箱结构来保证[4]。气箱入口直径的取值直接影响着喷吹气体是否能均匀散布于每个布袋，保证气箱喷吹的除尘效果和降低滤袋使用成本。研究袋式除尘器气箱喷吹入口直径对其清灰过程的影响对提高袋式除尘设备的使用效率很有意义。

1 模拟工具及研究方法简介

Fluent是国际知名的CFD软件,集成了非常丰富的参数化方案和物理模型,可用于多种流体问题的数值模拟。Fluent软件包由前处理、求解器及后处理三大模块组成。数值计算具体过程包括建立几何模型、划分网格、确定计算模型、定义边界条件、Fluent计算求解、结果整理与分析6部分[5]。其中前四个步骤属于前处理部分，由Gambit软件完成，最后一部分的结果整理与分析借助Tecplot软件完成。

利用Fluent6.3对袋式除尘器气箱内流场进行数值模拟，并对不同进风口径下的流场分布云图进行比较分析，从而选出一种能使流场较均匀的分布在气箱内的入口直径，优化气箱式袋式除尘器的气箱结构，改善气箱式喷吹气体分布不均匀的现状。

流体流动都满足三大基本定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[6]。因此，本文的数值计算需要将连续性方程、N-S方程和能量守恒方程三大方程联立起来求解。

Fluent主要控制方程如下:

(1)

(2)

(3)

2 袋式除尘器气箱数值模拟实验

以玻璃炉窑厂所采用的气箱式脉冲袋式除尘器的尺寸大小及结构特征建立几何模型并划分网格，在保证网格足够细密的同时尽量减少网格数量以提高收敛的稳定性。然后进行边界条件的设置，设置压力入口边界条件pressure inlet、出口边界条件outflow及壁面wall[7]。采用常用的进口喷吹压力0.3 MPa对除尘器气箱区域进行数值模拟。

2.1 气箱压力分布模拟

分别模拟在气箱喷吹入口直径为φ600 mm和φ800 mm两种情况下气箱内的压力分布，图1为入口直径φ600 mm的压力分布云图，图2为入口直径φ800 mm的压力分布云图。

图1 入口直径φ600 mm的压力分布云图Fig.1 Pressure distribution map of inlet Φ600 mm

图2 入口直径φ800 mm的压力分布云图Fig.2 Pressure distribution map of inlet Φ800 mm

比较图1与图2的实验结果可知在喷吹压力相同的条件下，当气箱入口直径较大时，气箱内的压力分布均匀性相对下降。

2.2 气箱速度分布模拟

分别模拟在气箱喷吹入口直径为600 mm和800 mm两种情况下气箱内的气体流速分布，图3为入口直径600 mm的速度分布云图，图4为入口直径800 mm的速度分布云图。

图3 入口直径φ600 mm的流速分布云图Fig.3 Flow velocity distribution map of inlet Φ600 mm

图4 入口直径φ800 mm的流速分布云图Fig.4 Flow velocity distribution map of inlet Φ800 mm

比较图3与图4的实验结果发现在喷吹压力相同的条件下，当气箱入口直径较小时，气箱内的速度分布均匀性相对较差，有的区域在喷吹的过程中长期处于气流流速较高的状态。

3 数值计算结果的考察分析

3.1 压力分布数据分析

喷吹入口直径为φ600 mm时气箱内压力分布的具体分布数据详见图5，由图中数据可知除尘器花板区域各点的压力值在0.299 MPa到0.301 MPa之间，分布均匀性良好。

图5 入口直径φ600 mm的压力值散点图Fig.5 Pressure value scatter diagram of inlet Φ600 mm

喷吹入口直径为φ800 mm时气箱内压力分布的具体分布数据详见图6，由图中数据可知除尘器花板区域各点的压力值在0.298 MPa到0.301 MPa之间，分布均匀性良好。

比较图5与图6，当入口直径增大时，压力分布均匀性下降，但其下降程度十分微小，在一定范围内可以忽略不计。

图6 入口直径φ800 mm的压力值散点图Fig.6 Pressure value scatter diagram of inlet Φ800 mm

3.2 速度分布数据分析

喷吹入口直径为φ600 mm时气箱内速度分布的具体分布数据详见图7，由图中数据可知除尘器花板区域各点的流速值在0到6.0 m/s之间。

图7 入口直径φ600 mm的流速值散点图Fig.7 Flow velocity value scatter diagram of inlet Φ600 mm

喷吹入口直径为φ800 mm时气箱内速度分布的具体分布数据详见图8，由图中数据可知除尘器花板区域各点的速度值在0到3.0 m/s 之间。

图8 入口直径φ800 mm的流速值散点图Fig.8 Flow velocity value scatter diagram of inlet Φ800 mm

比较图7与图8，当入口直径增大时，花板上的气体流速分布均匀性提高，且其均匀程度变化明显，当入口直径减小时，会有局部区域在较高的流速状态下工作，这样的工况会降低滤袋的使用寿命，在工程实践中应避免这一现象的发生[8]。

4 结论

袋式除尘器采用气箱式喷吹时，气箱入口直径越大气体在气箱内的压力分布越不均匀，但这种不均匀程度的变化极为微小，在工程中往往可以忽略不计。当气箱入口直径减小时则会加快局部区域的流速，而这部分的流速增长速度较快，从而缩短高速状态下的滤袋使用寿命。在袋式除尘器的使用中，更换滤袋是设备使用的主要成本，因此应尽量采用较大的气箱入口直径，以保障滤袋的使用寿命。

[1] 高洁,狄晓亮,李呈．氧化镁的发展趋势及其生产方法[J]．化工生产与技术,2005, 12(5): 36-40.

[2] 胡庆福,胡晓湘,宋丽英．中国专用氧化镁开发现状及其发展建议[J]．化工进展,2005, 24(1): 28-31.

[3] Zhao Xia,Yao Qun,Chen Xing. Study on Techniques of dilute phase pneumatic dust conveying systems with bag filters[J]. Industrial safety and environmental protection,2012,38(7):80-82.

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[5] 王仲.变工况布袋除尘器特性研究[D]. 沈阳: 沈阳工业大学, 2009.

[6] 金国淼, 袁纽, 华锋, 等. 除尘设备[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005, 174-180.

[6] Jin Guomiao, Yuan Niu, Hua Feng, etal. Dust removal equipment [M]. Bei Jing: Chemical industry press, 2005, 174-180.

[7] Park J H, Park G T, Kim S H, Moon C J. Direct adaptive self-structuring fuzzy controller for non affine nonlinear system[J]. Fuzzy sets and systems, 2005,153(3):429-445.

[8] 谷艳玲，陈长征，谷晓娇．模糊控制在袋式除尘温度控制中的应用研究[J]．机械设计与制造，2015(4)：270-272．

Research on the inlet diameter of the bag filter gas tank based on Fluent

GU Xiao-jiao，CHEN Chang-zheng，GU Yan-ling，LU He

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870,China)

Air pollution is becoming more and more serious at present. Dust removal of industrial waste is a very important research direction. Bag dust collector is one of dust removal equipment widely used in air pollution. Cleaning dust by gas tank blown can reduce cost of bag filter, but it may cause uneven pressure and flow velocity of the gas. In order to ensure the dust removal effect, the influence of the inlet diameter value of gas tank on the distribution uniformity of the blown gas is studied based on fluid dynamics software Fluent. A series of simulation experiment show that the larger inlet diameter can make the uniformity of pressure distribution obsolete decrease, and too small diameter can make the local flow velocity increase, which it affect service life of the bag.

bag filter；gas tank blown；inlet diameter； pressure distribution；gas flowing velocity

2015-10-15；

2015-12-11

国家自然科学基金资助项目(51205259；51305276)

谷晓娇(1989-)，女，沈阳工业大学博士研究生。主要研究方向：流体传动与控制技术。

TH6；TH16

A

1001-196X(2016)03-0024-04