多孔介质散射器对滤筒除尘器清灰性能的影响研究

李岚溪　胥海伦　刘　东　叶会文（西南科技大学土木工程与建筑学院　绵阳　621010）



多孔介质散射器对滤筒除尘器清灰性能的影响研究

李岚溪胥海伦刘东叶会文
（西南科技大学土木工程与建筑学院绵阳621010）

【摘要】现有滤筒除尘器清灰存在滤筒顶部失效，底部压力太大的缺点，提出采用多孔介质气体散射器进行干扰滤筒除尘器内清灰的流场，并采用数值方法进行计算，结果表明：喷嘴进口压力相同情况下，多孔介质气流散射器孔隙率为0.87时清灰性能最好；多孔介质气流散射器孔隙率相同情况下，喷嘴进口压力为0.5MPa时清灰性能最好。

【关键词】滤筒除尘器；清灰性能；多孔介质；数值模拟

0　引言

随着社会经济的发展，大气污染日益严重，其中颗粒污染不但会对人体健康造成不同程度的危害，对大气能见度、气候、建筑物、动植物也会有一定程度的影响[1]。除尘器是除尘行业的主力军，其中滤筒除尘器由于具有特殊的褶皱构造具有体积小、相对过滤面积大、空间利用率高等优点，从而使得滤筒除尘器的应用日趋广泛[2]。但由于滤筒结构和脉冲流场特性等因素的影响，滤筒清灰时存在的顶部失效，底部压力太大等问题仍是滤筒除尘器技术改进的难点问题[3,4]。针对滤筒除尘器清灰而言，Yunlou Qian等人[5]通过实验得出最佳喷吹距离；林莉君等人[6]利用自制脉冲喷吹实验台实验得出了最佳喷吹组合方式；杨迪等人[7]通过实验研究喷吹压力和脉冲喷吹宽度对脉冲喷吹滤筒除尘器清灰效果的影响。张情等人[8-10]对采用普通喷孔和超音速引流喷嘴加气流散流器时的滤筒除尘器清灰效果进行了实验研究，发现后者可以有效提高清灰效率。

从气流散热流场结构分析，气流散射器的结构形状会改变气流流场进而影响其清灰效果。本文提出基于多孔介质散射器的结构形状，并采用数值模拟的方法研究孔隙率和进口压力对滤筒清灰效果影响。

1　基于多孔介质散射的滤筒几何结构简述

基于常用的Φ325×660mm滤筒，并按照其尺寸进行建模，如图1所示。

图1　滤筒清灰几何模型示意图Fig.1 The geometric model of the cartridge filter

为了更清楚表述滤筒的特性，定义喷嘴顶部宽度为w1，高度为H1，散射器底部宽度为w2，高度为H2，滤筒壁宽度为w3，滤筒高度为H3。且w1=22mm，H1=76mm，w2=100mm，H2=102mm， w3=55mm，H3=660mm。

2　数学模型和边界条件

采用流动控制方程对流体在整个滤筒的流动进行数值模拟，并且作如下假设：

（1）采用理想气体作为工作介质，不可压缩且在多孔介质中流动为层流，其余部分流场为紊流；

（2）流体流动为定常流动；

（3）流体和固体的物性参数为定值；

（4）散射器、滤筒壁表面光滑；

（5）忽略重力浮力等影响。具体的控制方程如下：

固体区域能量方程为：

紊流脉动动能方程为：

耗散率ε的控制方程为：

式（1）～（5）中，v为速度，ρ为密度，g为自由落体加速度，τ为应力张量，p为当地压力，μ为动力粘度，T为温度，cp为流体的定压比热，K为固体的导热系数，c1、c2为经验常数。

滤筒筒壁及气体散射器的数学模型用孔隙率、粘性阻力系数及内部阻力系数来定义，其相关常数具体计算方程如下。

半经验公式Ergun方程为：

Blake－Kozeny方程为：

粘性阻力系数为：

内部阻力系数为：

式（6）～（9）中，L为充填床的深度，n为孔隙率，Dp为粒子平均直径。

为了简化计算，通过轴对称条件对滤筒截面进行模拟，具体边界条件设置如下：

（1）喷嘴、散射器、滤筒中心采用轴对称边界条件；

（2）喷嘴入口截面为系统入口，采用压力进口；

（3）除尘箱顶面、侧面为模型出口，采用压力出口；

（4）喷嘴外壁、除尘箱底面为固体壁面；

（5）散射器、滤筒壁面采用多孔介质边界条件；

（6）模型内部有流体通过的其他面均设置为内部界面。

在划分模型网格时，整体取较小的网格尺寸且模型划分网格尺度因区域不同而有所差异。另外，对于不规则区域进行区域分割划分，尽量采用结构化网格，对于小部分不规则区域采用非结构化网格。喷头、散射器、滤筒壁的网格划分如图2。

图2　网格示意图Fig.2 Numerical mesh for different regions

3　结果和讨论

3.1孔隙率对除尘效果的影响

图3为滤筒内壁压力值随着滤筒长度的变化关系图。为了研究气流散射器孔隙率对清灰性能的影响，当喷嘴进口压力Pin设为定值0.6MPa时，分别对孔隙率ε=0.01，0.5，0.8，0.87，0.9，1的6种状况下气体经过散射器后滤筒内的流动特性进行模拟。从图中可以看出，随着从上至下滤筒长度的增加，滤筒内壁上压力值增加；且当孔隙率ε=0.87时，滤筒内壁压力值增加趋势最平缓，反应出此时滤筒内壁上压力值变化最为平均。另外，从图上可以看出，与其他孔隙率相比，当孔隙率ε=0.87时，滤筒内壁上压力值由负值变化为正值时滤筒长度最短，即此时滤筒清灰失效段最短。因此，在以上6种孔隙率中，当孔隙率ε=0.87时，可以达到最佳清灰性能。

图3　不同孔隙率、相同进口压力下滤筒内壁压力值随滤筒长度变化关系Fig.3 The relationship of the length of the filter cartridge and the pressure of the inner wall at the same inlet-pressure and different porosities

3.2进口压力对除尘效果的影响

图4给出了当孔隙率ε=0.87时，分别在喷嘴进口压力Pin=0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，0.8MPa，0.9MPa，1.0MPa时，滤筒内壁面压力值随从上至下滤筒长度的变化关系。从图4中可以看出，随着从上至下滤筒长度的增加，滤筒内壁上压力值增加。当喷嘴进口压力Pin=0.5MPa时，滤筒内壁压力值增加趋势最平缓，反应出此时滤筒内壁上压力值变化最为平均；且此时滤筒内壁上压力值由负值变化为正值时滤筒长度最短，即此时滤筒清灰失效段最短。

图4　相同孔隙率、不同进口压力下滤筒内壁压力值随滤筒长度变化关系Fig.4 The relationship of the length of the filter cartridge and the pressure of the inner wall at the same porosity and different inlet-pressures

4　结论

对不同孔隙率、相同进口压力及相同孔隙率、不同进口压力下滤筒除尘器中的流动特性进行了数值分析，并结合数值计算结果分析得出如下结论：

（1）当喷口进口压力相同，多孔介质气流散射器孔隙率为0.87时，滤筒除尘器的清灰性能最好。

（2）当多孔介质气流散射器孔隙率相同，喷口进口压力为0.5MPa时，滤筒除尘器的清灰性能最好。

参考文献：

[1]张殿印,张学义.除尘技术手册[M].北京:冶金工业出版社,2002.

[2]张殿印,王纯.除尘器手册[M].北京:化学工业出版社, 2004.

[3]张一帜,陈海焱,覃金珠.滤筒除尘器及应用现状[J].能源与环境,2009,(5):47-49.

[4]杨军瑞,胥海伦,陈海焱.脉冲喷吹滤筒除尘器在低尘环境中应用的可行性分析[J].能源环境保护,2010,24(2): 6-9.

[5] Yunlou Qian, Yuanxia Bi, Qing Zhang. The optimized relationship between jet distance and nozzle diameter of a pulse-jet cartridge filter[J]. Power Technology, 2014, (266):191-195.

[6]林莉君,陈海焱,周喜,等.脉冲喷吹滤筒除尘器清灰性能的实验研究[J].暖通空调,2009,39(4):148-151.

[7]杨迪,陈海焱,李怀玉.喷吹压力和脉冲宽度对脉冲喷吹滤筒除尘器清灰效果的影响[J].安全与环境学报, 2008, (5):73-76.

[8]张情,陈海焱,巨敏,等.诱导喷嘴改进滤筒脉冲清灰效果的实验研究[J].环境工程,2012,30(1):62-65.

[9]张情,陈海焱,巨敏,等.诱导喷嘴改进滤筒清灰效果的数值模拟[J].环境工程学报,2014,8(7):2975-2979.

[10]巨敏,陈海焱,张情,等.滤筒除尘器脉冲清灰动分析[J].环境工程学报,2013,7(3):1091-1094.

Effect of Diffusers Based on Porous Media on the Dust Cleaning in Cartridge Filters

Li Lanxi Xu Hailun Liu Dong Ye Huiwen
( School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

【Abstract】Due to the losing efficacy of the dust-cleaning at the top of the cartridge filters and the overlarge pressure at the bottom, this paper proposes to interfere the dust-cleaning fluid flow in the cartridge filters with gas diffusers based on porous media. The influence of the inlet-pressure and the diffusers based on porous media on these characteristicsis simulated. Results are as follows.At the same inlet-pressure of the nozzles, the dust-cleaning performance shows the best when the porosity of the porous media is 0.87. At the same porosityof theporousmedia, the dust-cleaningperformanceshowsthe best when the inlet-pressureofthenozzlesis 0.5MPa.

【Keywords】cartridge filters; dust-cleaning performance; porous media; numerical simulation

中图分类号X964

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-087-03

基金项目：四川省科技创新苗子工程（2014—066）；自然科学基金（11572269）

作者简介：李岚溪（1992.08-），女，在读硕士研究生，E-mail：381006005@qq.com

通讯作者：刘东（1984.11-），男，博士，副教授，E-mail：dtld123@126.com

收稿日期：2015-08-10