Fluent软件在滤筒除尘器内部流场优化中的应用

刘绍俨 赵永会 刘岩

关键词：Fluent；滤筒除尘器；数值模拟；流场分配

1引言

滤筒除尘器与传统袋式除尘器相比具有占地面積小、除尘效率高、便于安装维护等特点，其除尘效率不仅与滤筒本身性能有关，还与除尘器内部流场密切相关。除尘器内导流板的设置影响了气流的分布，只有使内部气流均匀，才能保证滤筒的使用寿命。本文利用流体力学分析软件Fluent对除尘器内部流场进行模拟，并优化导流装置的设计，从而为滤筒除尘器内部流场优化提供设计依据。

2数值模拟

2.1物理模型及模型简化

某钢厂转炉二次除尘项目配套滤筒除尘器，处理风量60.5x104m3/h，过滤风速<0.7m/min，人口含尘浓度3～5g/Nm3，出口排放浓度<10mg/Nm3。通过改变导流装置的大小、位置、角度等设计参数进行数值模拟，通过比较分析确定导流装置的最优形式。

滤筒除尘器采用Solid Works按照1：1建模，其内部结构相对复杂，若不进行简化处理会导致计算量过于庞大，无法完成相关计算，因此，需要做如下简化。

（1）除尘设备体积庞大，可忽略压型板箱体用对流场的影响，采用平板代替压型板参与计算。

（2）数值模拟主要针对箱体内气流对滤筒的影响，因此，模型缺省净气室喷吹管等部件的设置。

（3）滤筒的模拟一般设置为不同渗透率的多孔介质[1]，多孔介质对流场的整合作用过强会导致流场失真，若在没有设置多孔介质时流场可满足设计要求，则设置为多孔介质后计算的流场效果会更好，故模型忽略滤筒部件。

经简化后模型的长×宽×高尺寸为：22080mmx11480mmx10070mm。

2.2控制方程及流体模型假设

除尘器内部流场运动形式为湍流，为较真实地模拟烟气流动，本文采用气、固两相流来进行模拟分析，选择标准k-epslion（ 2eqn）模型[2]作为湍流模型，壁面选择标准壁面函数并采用SIMPLE算法[3]。标准k-8模型的湍流动能k和耗散率s的控制公式如下：生的湍流动能，由浮力产生的湍流动能，可压缩湍流中的过渡扩散对整体耗散率的影响，不可压缩流体取值为分别是湍流普朗特数。

湍流粘性系数的计算方法如下：

为了便于计算收敛，对流体模型做如下假设[4]：

（1）假设流体不可压缩；（2）假设流体做定常流动；（3）假设整个流动过程为等温过程，不考虑温度对流场的影响。

3未加导流装置模拟分析

3.1网格划分

利用ANSYS中Fluent Meshing对模型进行划分，体网格采用Poly-Hexcore，划分后网格质量Skewness最大值0.799，据Fluent手册网格质量评判标准中描述Skewness最大值小于0.9即可满足计算要求，最终划分的网格数量约570万。

3.2模拟分析

模型未设导流装置模拟结果见图1，图1（a）滤筒底面下500mm平面处流场速度云图，云图两端高亮区域最大流速10.074m/s，最小流速0.245m/s。图1（b）为除尘器出口侧（Z方向-1.8m处截面）速度云图，气流经过进风弯管后的气流直冲至灰斗的外侧。

模拟得出气流分布不均匀，高速的气流和粉尘直接冲刷箱体靠外侧的滤筒，此部分滤筒负荷较大，不利于使用，会导致发生滤筒破损的情况，使除尘器粉尘的排放浓度超标。

4导流装置模拟分析

4.1模型及导流板设置

为减少计算量，模型按除尘器中心对称的一半进行导流模拟，网格划分后Skewness最大值为0.859，网格数量约260万。导流装置采用板式，导流板设置了不同的数量、大小、位置、角度等参数进行模拟，优化后的最终模型及导流板设置见图2，导流板选用钢板折弯压制而成，尺寸为385mm+50mm折弯，每个灰斗均设5块，与水平夹角呈80°。

4.2边界条件及离散相模型

按新模型重新核算边界条件，烟气流量按一半30.25×104m3/h计算，出人口截面尺寸长×宽为3.3m×1.8m，计算后边界条件为：水力直径2.3294m，湍流强度3.427%．人口流速14.146m/s。

粉尘颗粒的模拟需要Fluent打开离散相模型[7]，粉尘颗粒释放位置为除尘器人口，流速与气流速度一致，分布形式为rosln-rammler，转炉二次烟的相关参数按手册设置[8]。

4.3模拟分析

导流装置模拟结果如图3所示，图3（a）为滤筒底部500 mm处流场速度云图，此截面按每个箱体取点540个，统计各点的流速计算相对标准偏差Cv，该值<25%即表示气流分布合格，本案例最终计算的Cv值为24.4%。

图3（b）为除尘器出口侧（Z方向-1.8m处截面）速度云图，通过该云图可以看到灰斗内气流经过导流板后流速呈下降的趋势。

图3（c）为除尘器内部粉尘粒子运动轨迹，一部分粉尘颗粒与导流板碰撞后直接落人灰斗，导流装置可以避免大颗粒粉尘直接冲刷滤筒。

图3（d）为除尘器内部气体流动轨迹图。

5结束语

（1） Fluent软件对滤筒除尘器内部流场的模拟，属计算流体力学范畴，可以解析除尘器内部气流分布状态，追踪粉尘颗粒运行轨迹，为除尘器导流装置的设计提供依据。

（2）未设置导流装置时，除尘器内部流场不均会使粉尘冲刷滤筒，降低除尘器的使用效率，因此，导流装置的设计是保证除尘器正常使用的关键。

（3）通过最终优化的模拟结果显示，除尘器内部流场得到了明显改善，导流板的阻流作用迫使气流及粉尘颗粒的运动轨迹发生改变，一部分粉尘受阻直接在灰斗沉积，进而降低对滤筒的磨损。该导流模拟结果已经应用到工程实际，此项目拟定于2023年3月投入使用。

（4）在工程实际中发现，一般的除尘器出口侧灰斗粉尘是最先到达上料位的，结合Fluent模拟可以看到各箱体之间的气流分布也是不均匀的，该模拟结果和工程实际基本一致。因此，可以考虑在除尘器进风通道内设置若干导流孔板，让除尘器每个箱体的风量分配趋于一致，气流中的粉尘颗粒预先经过导流孔板，可以实现预除尘的效果，能更有效地提高除尘效率并延长滤筒寿命。