上进风内滤式袋式除尘器的流场优化分析

2021-06-26董阳昊沈恒根

东华大学学报（自然科学版） 2021年3期

董阳昊，梁珍，沈恒根

(东华大学 a.环境科学与工程学院; b.暖通空调研究所，上海 201620)

近年来，国家环保局大力整治并淘汰燃煤锅炉，但现实情况是，部分农村及偏远地区存在“气、油、电”等使用不方便的问题，短期内无法改变采用燃煤采暖的现状。因此，通过技术创新提高燃煤炉具的环保性能是我国节能炉具可持续发展的新方向[1]。山东省兖矿集团的散煤高效清洁项目团队设计出一种清洁炉具，利用解耦燃烧原理，通过燃烧生物质燃料与清洁煤，实现了煤的高效清洁燃烧。本文研究搭配该清洁炉具使用的内滤式袋式除尘器，以减少燃烧污染物排放，从而使该炉具的污染物排放达到“超低排放”的标准。清洁炉具燃烧产生的烟尘黏附性较大，质量浓度高达230 mg/m3。粒径分布为D10、D50、D90和D100的烟尘粒径分别为0.305、17.200、63.800和209.000 μm，由此可见90%的颗粒物粒径低于63.800 μm。研究发现，使用脉冲喷吹袋式除尘器难以清除滤袋表面的尘饼[2-3]。研究者[4-5]考虑采用机械振打袋式除尘器，搭配聚四氟乙烯(PTFE)内表面覆膜的玻璃纤维滤袋，通过振动清灰减少气动部件，从而降低成本并提高清灰效率。毛锐等[6]在袋式除尘器内部增设一种新型混合式导流板，利用Fluent软件对其流场进行模拟，结果表明，增设导流板可有效改进除尘器内部流场的均匀性。唐奇[7]基于Fluent软件模拟上进风式袋式除尘器的内部流场，并对除尘器进行气固两相的模拟计算，结果表明，上进风式袋式除尘器可利用粉尘自重进行沉降从而降低滤袋压降。黄文杰[8]通过数值模拟分析发现，贯通式袋式除尘器内粒径大于20 μm的粉尘在滤袋中心投射时可直接落入下方灰斗，当粉尘粒径大于40 μm时，沉降效率可达到较高水平，表明贯通式内滤袋式除尘器虽结构简单，但过滤负荷较低，可有效清灰。

本文通过数值模拟研究不同进、排气口位置以及添加导流板对除尘器内部流场的影响，分析不同结构下除尘器内部各滤袋的流量分配均匀性以及表面过滤风速，对内滤式袋式除尘器的结构进行优化，以期提高气流均匀性及过滤效率。

1 物理模型及数值模拟

1.1 模型建立

(a) 进、排气口同侧分布的除尘器模型

(b) 滤袋编号

1.2 边界条件设置

利用计算流体力学软件Fluent 16.0对袋式除尘器内部的气流组织进行模拟。不考虑滤袋表面落灰对气流组织的影响，将除尘器的进气口设为速度入口，入口风速设为5.0 m/s，除尘器排气口设为压力出口，滤袋壁设为多孔跳跃边界，其渗透率设为5×10-12m2，厚度为3 mm，其余部分均视为无滑移边壁。在离散相模型中添加入口为颗粒喷射面，滤袋为捕捉边界，出入口为逃逸边界，其余壁面为反射边界。

1.3 网格划分与无关性验证

该除尘器模型的外形较为规则，对其进行结构化网格划分，并运用interface耦合连接[9-10]进行拼接。建立不同结构的除尘器模型并划分网格后进行对比模拟分析。由于除尘器内气体流动属于高雷诺数湍流，采用应用广泛、计算量适中且精度较高的标准κ-ε型。模型中κ和ε对应的输运方程[10]如式(1)～(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：下标i、j代表空间直角坐标系下的方向；Gκ为平均自由速度梯度引起的湍动能κ的产生项；C1、C2、Cμ为经验常数；σκ、σε分别为与湍动能κ和耗散率ε对应的普朗特数；μt为湍流黏度。方程包含Cμ、C1、C2、σκ、σε5个可调整常数，标准κ-ε模型中Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σκ=1.0，σε=1.3。

为研究网格数量对模拟结果的影响，按100万、200万、300万对进、排气口同侧模型的网格数量进行划分(见图2(a))，并对比3种网格数量模型中心线上的气流流速，结果如图2(b)所示。由图2可知，200万网格模型的模拟准确性较好，模拟速度较快，故采用200万网格划分方法对除尘器进行模拟研究。

(a) 局部网格划分

(b) 不同网格数下的气流流速(无关性验证)

1.4 模型的试验验证

为验证模型的可靠性，选取各个滤袋入口平面的平均风速与试验数据进行对比，结果如图3所示。由图3可知，计算得出模拟数据与试验数据的平均误差为7.4%。再提取模型进、排气口平面的气流平均流速、滤袋内外的压差与除尘器的实际运行数据进行对比。其中：模型的进、排气口平均流速分别为5.00和4.15 m/s，滤袋内外平均压降为222.58 Pa。使用烟气流量仪测得实际进、排气口速度分别为5.50和4.20 m/s，使用压差计测得上下箱体的压降为227.00 Pa。计算得出，3项指标的模拟结果与试验结果的误差依次为9.1%、 1.2%、 1.9%，表明模拟结果比较符合除尘器的实际运行工况。

图3 滤袋入口风速模拟与试验结果对比Fig.3 Comparison of air velocity simulation and test results for filter bag inlet

2 模拟结果与分析

2.1 流场分析

2.1.1 进、排气口位置分析

为分析不同进气口位置的袋式除尘器内部气流流动情况，提取x=0.58 m处的速度云图，如图4所示。由图4可知：当进、排气口同侧分布时，结合流线图(见图5(a))可知，除进、排气口对应位置的滤袋外，其他滤袋只有少量气流通过，出现“气流短路”现象；当进、排气口异侧分布时，气流流程较长，主气流经进气口流向排气口时需经过多个滤袋，可通过设置阶梯滤料提高过滤效率；当进气口位于中间时，靠近排气口一端的滤袋流速和流量均偏大，气流基本呈对称分布，大部分滤袋均有气流通过。此外，3种结构除尘器的进气口气流均以较大的流速通过滤袋，对除尘器内部部分滤袋的冲刷较为严重，易导致滤袋的损坏，同时也会扬起灰斗中的尘粒(即“二次扬尘”)，降低除尘器的过滤效率。为减小进气口气流流速，并加长除尘器内部气流的流程，本文拟在进气口下方添加导流结构。

针对丝黑穗病而言，如果要妥善加以防控则需要将农作物种子拌于粉锈宁（25%）的药剂中，确保掺入5%左右的药剂来完成相应的拌种处理。在某些情形下，技术人员如果察觉到黑穗病表现为蔓延趋向，那么针对整个植株都要予以拔除处理，最好能够就地焚烧。及时察觉并且妥善处理黑穗病的举措有助于防控黑穗病的后期扩散。

(a) 进、排气口同侧分布，不含导流板(case 1)

(b) 进、排气口异侧分布，不含导流板(case 2)

2.1.2 添加导流板后结构分析

在除尘器入口与滤袋之间添加一块350 mm×350 mm的矩形钢制导流板，以解决2.1.1节的问题。添加导流板后不同结构的流线图及速度云图如图5和6所示。

(a) 不含导流板，进、排气口同侧分布

(b) 含导流板，进、排气口同侧分布

(a) 含导流板，进、排气口同侧分布(case 4)

(b) 含导流板，进、排气口异侧分布(case 5)

未添加导流板时，除尘器内部含尘气流由进气口进入上箱体后形成射流，使得部分滤袋内部过滤风速增大，过滤负荷加重，并且其他滤袋不能有效作用，同时气流以较大流速冲击下箱体灰斗的底板，形成的回流易造成“二次扬尘”，降低过滤效率。添加导流板后：当进气口位于上箱体中间时，除尘器内部气流因导流板阻挡的作用而产生涡旋，导致气流流向紊乱以及各滤袋气流流量分配不均匀；当进、排气口同侧或异侧分布时，添加导流板均可有效增加气流的流程、降低含尘气流的进口流速，从而提高各滤袋内部气流流量的分配均匀性，同时减小气流对滤袋的冲刷，避免“二次扬尘”，提升过滤效率。

2.2 流量分配均匀性

流量分配系数是单个滤袋含尘气体处理流量与所有滤袋含尘气体平均处理流量的比值，是检验袋式除尘器气流组织均匀性的重要指标[11]，按式(4)计算。

(4)

式中：Ki为编号i=1， 2， 3， …，n滤袋的流量分配系数，其值越接近1，表明流量分配越均匀；Qi为编号i滤袋的含尘气体处理流量，m3/s；Qm为平均含尘气体的处理流量，m3/s。

设置滤袋入口平面为监测面，通过模拟软件计算得出该平面的平均气体处理流量，从而计算不同结构袋式除尘器中各滤袋的流量分配系数。由于该袋式除尘器模型前后对称，Fluent计算的结果也基本对称。提取编号为1～6(第1排)、7～12(第2排)的滤袋进行流量分配均匀性分析，结果如图7所示。

(a) 第1排滤袋

(b) 第2排滤袋

由图7可知，未添加导流板时：当进气口位于上箱体中间时，滤袋8、 11流量分配系数约为1.0，其他滤袋间的流量分配系数差异较大；当进、排气口同侧分布时，只有10、 11、 12号滤袋的流量分配系数达到1.0，其他滤袋的流量分配系数均低于0.5；当进、排气口异侧分布时，只有7、 8、 9滤袋流量分配系数达到1.0；第1、2排滤袋的流量分配非常不均匀，流量分配系数Ki为0.03～4.55，气流集中在进气口对应位置的滤袋上，并且远离进气口的滤袋流量分配系数较小。添加导流板可有效提高远离进气口滤袋的流量分配系数：当进、排气口同侧分布时，第1排滤袋的流量分配系数可提高至1.0左右，导流板的遮挡虽避免了气流短路，但导致第2排10、 11、 12滤袋的流量分配系数降至0.5以下；当进、排气口异侧分布时，各滤袋流量分配系数均在1.0左右，气流分配最为均匀，此时流量分配系数为0.25～1.50；当进气口位于上箱体中间时，即使有导流板，流量分配还是较为不均匀，导流板以下的3、 4、 8、 9、 10、 11滤袋流量分配系数接近0，而其他滤袋的流量分配系数接近2.0。

(5)

式中：N为滤袋个数。

根据式(5)计算得到不同结构除尘器的综合流量不均匀幅值，如表1所示。由表1可以看出，流量分配最均匀的是进、排气口异侧分布且添加导流板的case 5，其次为进、排气口同侧分布且添加导流板的case 4，流量分配最不均匀的为无导流板且进、排气口同侧分布的case 1。由此可见，不同结构的流量分配均匀性为case 5>case 4>case 6>case 3>case 2>case 1。

表1 综合流量不均匀幅值

2.3 滤袋表面过滤风速

为准确分析滤袋表面风速，将滤袋等面积分为4份，在每两份相交的位置上设置1条监测线[11-12]，以其中1个滤袋为例，滤袋表面监测线划分示意图如图8所示。

图8 滤袋表面监测线划分示意图Fig.8 Schematic diagram of surface monitor lines division of filter bag

滤袋表面的过滤风速在处于较低水平时可有效加强过滤除尘效率，同时可减弱含尘气流对滤袋的冲刷作用[12]。取编号1～6、 7～12的滤袋进行表面过滤风速分析，计算4条监测线上的速度均值，6种不同结构的袋式除尘机组表面平均过滤风速如图9所示。鉴于case 3的综合流量分配不均且幅值比case 1和case 2大，case 6的滤袋表面过滤风速方差较大，各滤袋间会因为过滤风速不均导致除尘器的总体过滤效率偏低，故以下分析不再考虑case 3和case 6，提取case 1、 case 2、 case 4、 case 5中第2排滤袋即7～12号滤袋的表面过滤风速进行分析，结果如图10所示。

由图9可知，当进、排气口异侧分布时，最大过滤风速为1.5 m/min，各个滤袋的过滤风速较为接近，表面过滤风速较小，其他不同进气口位置的除尘器表面过滤风速稍大，其中7个滤袋的过滤风速超过1.5 m/min，最大达到2.8 m/min，而进、排气口异侧分布能够降低滤袋的平均过滤风速，有效提高除尘器内部流量分配均匀性。由图10可知：未添加导流板时，最大过滤风速达到5.7 m/min，其出现在进气口对应位置的滤袋上，且在滤袋的上半部分，易造成对滤袋的过度冲刷从而降低过滤效率，并且滤袋表面过滤速度整体随高度增加呈先减后增的趋势；添加导流板后，最大过滤风速为3.8 m/min，滤袋表面过滤风速呈递减趋势，气流对滤袋的冲刷作用明显减弱。

不同结构除尘器的平均过滤风速从小到大依次为case 4

(a) 第1排滤袋

(b) 第2排滤袋

(a) case 1

(b) case 2

(d) case 5

3 内滤式除尘器的应用

综合流量分配均匀性以及表面过滤风速，含有导流板且进、排气口同侧分布的除尘器平均表面过滤风速较低并且稳定在1 m/min左右，同时流量分配不均匀幅值较小。设计1∶1机型进行应用测试，测得入口烟气质量浓度为230 mg/m3时，烟气排放质量浓度为5 mg/m3，达到了国家“超低”排放的标准。过滤效率为97.8%，这是由于烟气中含有部分细微颗粒(0.3 μm)。持续运行状态下设备运行阻力最大为1 300 Pa，振打清灰后可降至500 Pa。由此可见，这种结构的袋式除尘器可有效降低由气流二次返混造成的气流不均以及过滤烟气质量浓度过高的问题。