袋式除塵器流場動態測試及優化

付海明，趙友軍

(東華大學 環境科學與工程學院，上海，201620)

袋式除塵器是治理大氣污染的高效除塵設備, 對減少氣溶膠對大氣的污染起重要作用，在化工、冶金、礦山、機械、水泥、糧食、制藥、輕工等行業已得到廣泛應用，它主要用來捕集細小、干燥的非纖維性粉塵，袋式除塵器的粉塵排放濃度可達到 10 mg/m3以下。降低氣流流通阻力及延長濾袋的使用壽命，減少振動和噪音，是袋式除塵器需要解決的問題。袋式除塵器破損濾袋大部分集中在除塵器下游，這與箱體內部氣流狀況密切相關。合理調整氣流分布可以降低運行阻力，延長濾袋的使用壽命，減少振動和噪音。許多學者對袋式除塵器氣流分布進行了模擬研究[1-4]，其中：桑亮等[1]在除塵器內部沒有掛裝濾袋況下，對布袋除塵器內部未布置導流板和加有導流板的內部流場分布進行測試，發現安裝導流板的氣流均布性與沒有氣流均布裝置時相比有很大提高，但其忽略了內部濾袋的影響，試驗測試結果不能完全反映袋式除塵器內部流場的實際分布。在此，本文作者對袋式除塵器內部流場的分布進行實驗測試，將實驗測試結果與模擬計算結果進行對比，確定必要的邊界條件，建立CFD模擬研究模型，以利用數值模擬替代部分實驗[5-6]對袋式除塵器內部氣流組織分布進行模擬計算，分析流場特性，以節省人力和物力，優化設計袋式除塵器。

1 模型建立及數值計算方法

1.1 模型的建立

對除塵器整體進行模擬。由于袋式除塵器的內部結構比較復雜，為了利于模型建立和方便計算，進行以下假設和簡化：

(1)本文試驗測試研究是在常溫下于室內進行，顆粒和氣體的混合物看作是一種均勻介質，它們之間沒有相對滑移；在進行模擬時，可以把這種稀相氣固兩相流近似簡化成具有平均流體特性的單相流[7-8]。

(2)只考慮除塵器入口至袋式除塵器的花板處為止，也不計出口凈氣箱、文丘里(對于脈沖方式的袋式除塵器)等部件的影響。

(3)除塵器入口的氣流速度分布實際上并不均勻[9-11]，在模擬時，假設入口處氣流速度分布均勻。

1.2 數值計算方法

通過分析各湍流模型的優缺點，確定采用 RNGk-ε模型進行模擬分析(其中：RNG即Renormalization group；k為湍動能；ε為耗散率)。模擬計算時，選擇速度入口邊界條件。應注意的是：只有垂直于控制體表面的流動分量才對流入質量流速有貢獻。出口邊界條件如下：選取壓力出口邊界條件，壁面為靜止壁面，固體壁面邊界無滑移，在壁面處具有零梯度，在壁面上采用標準壁面函數。

在設置多孔介質邊界條件時，不可簡單地將其設成跳躍邊界條件。雖然將多孔介質簡化成一維模型時有利于收斂，但與實際的流場相差較大，宜設置為多孔介質邊界條件。本文模擬采用國產729濾料，其孔隙率為0.4，壓力邊界條件參數由試驗測試確定，通過實驗得出多孔介質壓力與過濾速度的關系為：

式中：Δp為過濾介質壓力損失(Pa)；v為過濾速度(m/s)。

2 評價流場分布的基本參數

2.1 不均勻度

袋式除塵器內部斷面各點的氣流速度不可能完全相同，本文采用美國 RMS標準的判定方法，即相對均方根法。相對均方差公式為[7]：

式中：vi為測點上的流度(m/s)；為斷面平均流速(m/s)；n為斷面上的測點數。

RMS標準的特點是對速度場的不均勻度反映比較靈敏，其均方根越大，不均勻度便越高。過濾速度v為1.30 m/min以及0.80 m/min時的氣流不均勻度見圖1。

圖1 氣流不均勻度對比圖Fig.1 Contrast of uneven flow

由圖1可知：由于進風口開口面積較小，氣體進入除塵器下箱體后形成明顯的射流作用，因此，氣流分布很不均勻，在中箱體的下部其氣流間隙速度過大，超過了設計值，特別是后壁面的速度過大，造成局部的過濾速度太大，以至于損壞濾袋，并且降低其過濾效率。

2.2 流量分配系數

濾袋的流量分配系數表示每個濾袋實際處理氣體流量與平均處理氣體流量的比值，記作Kqi，即

式中：Qi為單個濾袋的實際處理氣體量(m3/s)；Qmean為單個濾袋的平均處理氣體流量(m3/s)。

2.3 最大流量不均幅值

最大流量不均幅值是指最大流量分配系數和最小流量分配系數的差值，計作ΔKqi。

或

式中：Kqimax為單個濾袋的最大流量分配系數；Kqimin為單個濾袋最小流量分配系數；Q+為單個濾袋處理氣體量的最大正偏差；Q-為單個濾袋處理氣體量的最大負偏差。

當氣體流量分配不均勻時，Kqi在1.0附近波動，且ΔKqi≠0，其值越大，表明氣流均勻性越差，反之，說明比較均勻。當氣體流量分配絕對均勻時，Kqi=1.0，ΔKqi=0。由于絕對均勻是理想狀況，所以規定：只要氣流分配達到一定程度時便可以認為氣體流量分配均勻。一般地，當處理風量的相對偏差不大于15%時，便可以認為氣體流量分配基本均勻。

2.4 綜合流量不均幅值

綜合流量不均幅值是指所有濾袋的流量分配系數與理想狀態下的絕對均勻系數1.0之差的絕對值的平均值。這個參數綜合考慮了各個濾袋的流量偏差，評價比較全面，計作即

式中：N為模型中濾袋的總個數。

3 流場分布的計算機模擬

實驗測點平面及模擬研究模型如圖2所示。模型的進風口在中箱體下部靠近濾袋底部位置，中箱體高度為1.2 m，截面面積(長×寬)為600 mm×600 mm，下箱體上部進進為正方形，下部出口為圓型，簡稱天方地圓型，高為200 mm，入口直徑為120 mm，濾袋長度L=1 m，濾袋直徑為 100 mm，濾袋長×寬為140 mm×140 mm，共16個濾袋。此模型設入口速度為6.09 m/s，過濾速度為0.80 m/min。

Z=250 mm及Y=230 mm截面速度模擬矢量圖如圖3和圖4所示。由圖3可知：氣流在與后壁面碰撞后，氣流沿著壁面形成回流，而回流是造成側壁面速度過大的主要原因。由于袋式除塵器的中箱體前壁面與濾袋之間存在較大空間，而氣流總是向著阻力小的位置流動，因此，前壁面氣流有爬升現象。圖4有效地再現了這種現象。同時，從圖4中的放大圖可以看到氣流進入濾袋的方向，由于存在濾袋，氣流通過濾袋時的過濾速度明顯比濾袋中心速度以及氣流間隙速度小很多。從圖3可以看出：在靠近除塵器氣流進口的位置其氣流比較紊亂，氣流分布很不均勻，氣流間歇速度過大，同時，濾袋表面過濾速度也超過設計值，這樣對底部濾袋造成很大的沖刷作用。此外，由于在除塵器中被過濾的顆粒物向下運動，當顆粒物下降到氣流射流處時，又會被射流重新帶回到中箱體，加大了濾袋的負荷，從而損壞濾袋，縮短其使用壽命。

不同濾袋中心軸向氣流速度模擬結果如圖 5所示。由圖5可知：氣流速度呈波形變化；當與入口聽垂直距離大于0.85 m時，軸向氣流速度基本上隨著離入口距離的增大而增大。由于濾袋出口面積相同，因此，出口速度差別不大，在離中箱體上壁大約300 mm時，8個濾袋的中心軸向氣流速度變化基本一致。

氣流分布情況見表1。可見：1號、2號和5號濾袋的出口流量偏大，而4號和8號濾袋的出口流量偏小；氣流分布系數Kqi的最大和最小值分別出現在 1號濾袋和 8號濾袋上；最大流量不均幅值ΔKqi達到0.226，綜合流量不均幅值為0.073，流量分配不均勻；氣流分布不均勻，在濾袋底端，不僅氣流間歇速度過大，超過了設計值，而且當氣流的含塵濃度也很高時，對濾袋會造成嚴重沖刷作用，這樣必然會降低濾袋的使用壽命。

圖2 實驗測點平面及模擬研究模型圖Fig.2 Diagram of experiment measuring plot and simulation model

圖3 Z=250 mm的截面速度矢量圖Fig.3 Diagrams of velocity vector at Z=250 mm

圖4 Y=230 mm的截面速度矢量圖Fig.4 Diagrams of velocity vector at Y=230 mm

圖5 不同濾袋中心軸向氣流速度Fig.5 Flow velocity of central axis in deferential filter bag

4 試驗測試值與模擬值對比

選取具有代表性的截面4，6，8和10這4個截面共128點的測定速度和模擬速度進行對比分析，部分測點試驗測定速度和模擬速度對比結果如圖6所示。圖中袋式除塵器入口過濾速度均為0.80 m/min；實驗測點氣流速度呈布袋四角分布，模擬速度計算值呈布袋圓周圍氣流分布。由圖6可知：實驗測試速度與模擬速度基本相同。

試驗測試和模擬的相對誤差小于 17.5%。誤差主要由測試儀器的精度及以下幾個方面引起：

(1)試驗模型的工藝影響。在建立試驗臺時，由于實際操作情況限制，不可能建立理論上的完美模型，如除塵器外殼的不平整性、濾袋安裝位置的偏差等均會產生誤差。

(2)測試工況的影響。本試驗是在忽略一系列因素下進行的，如：忽略了室內溫度變化的影響，氣體密度變化的影響，風機特性、設備漏風以及安全質量的影響等。這些因素將導致試驗結果產生一定誤差。

(3)測試時的誤差影響。在實際測試時，由于除塵器壁面上打有320個測孔，測孔的存在對除塵器的流場有一定的影響，進而影響速度測試值的準確性；測點位置與模擬計算點位置存在一定偏差。另外，在實際測試時，探針的稍微晃動會使速度測試值產生跳躍。

(4)模型簡化的影響。在建立模型時，只考慮袋室入口至袋式除塵器的花板處為止，不計出口凈氣箱等部件的影響。

(5)邊界條件設定的影響。在邊界條件的設定中，對流場模擬影響最大的是濾袋的邊界條件設定。本文將濾袋設定為多孔介質，并認為是各向同性材料[12-13]。因此，模擬的流場與實際工況流場存在一定差距。

綜上所述，氣流速度試驗測試值和模擬值存在相對誤差，但小于17.5%，因此，采用CFD進行袋式除塵器流場的模擬對實際工程應用有一定的參考價值。由流場測試結果與模擬結果可知：流場的不均勻性主要是入口風速過高和袋室結構不合理所致。由于入口的高速射流效應，使得氣流分配不均勻現象嚴重，其部分間隙速度大于設計參考限值，而且濾袋底部氣流速度過大，容易使濾袋提前破損。

表1 流量分配系數KqiTable 1 Parameters of flow volumes Kqi

圖6 試驗測點與模擬對比圖Fig.6 Contrast diagram of experimental result and simulation result

5 袋式除塵器流場模擬優化設計

針對不同的進風方式、袋室結構建立2種不同的模型；通過對這些模型進行模擬與分析，了解不同的進風方式對袋式除塵器內部氣流組織的影響規律，比較2種模型的優缺點，以便優化袋式除塵器結構，為實際應用提供更合理的袋式除塵器結構參數。

5.1 下箱體安有鈍體的進風模型

下進風式袋式除塵器不需要上進風式結構中復雜的均流板，具有結構簡單的優點，但是，其氣流分布不均勻[6-14]，特別是由于受設備安裝空間限制或者沒有充分考慮流動均勻性要求而設計出的某些結構中，流動不均勻問題可能十分嚴重，使分離效率降低，運行阻力增加，甚至加速濾袋破壞，形成氣流短路。Croom 等[7-15]提出了一些改進措施，有一定的借鑒意義。

本文提出2項改進措施：擴大進風管面積；在袋室下箱體中布置鈍體。前者是為了降低入射氣流速度，后者在于使氣流形成均勻的縱掠濾袋流動。經過多次數值模擬，確定如圖7所示的袋室結構改進方案，其流場分布均勻性分析結果如表2所示。由表2可知：靠近壁面的1，4，5和8號濾袋出口流量分配系數偏大，而中間濾袋的出口流量分配系數偏小；最大流量不均幅值ΔKqi為 0.029，綜合流量不均幅值為0.014，流量分配基本均勻。流場分布均勻是由于入口面積擴大以及存在鈍體，入口氣流速度降低，氣流在進入除塵器下箱體后已沒有明顯的射流存在，除塵器中氣流分布基本均勻，間歇速度小于設計值，不會對濾袋起沖刷作用。

5.2 裝有氣流均布板的單入口側進風模型

為了使氣流分布更加均勻化，也可采用側進風入口，并加有氣流均布板的流場改進方案，改進模型如圖8所示，氣流均布板具體設計參數如圖9所示。當含塵氣體從進風口進入中箱體后先碰上進風口氣流均布板，由于慣性作用，使氣體粗顆粒粉塵直接進入灰斗，起到預收塵作用；此外，在氣流均布板的截流作用下氣體被分散流動，從每個濾袋外側進入濾袋內，在濾袋的篩分、攔截、沖擊、擴散和靜電吸引等作用下，粉塵貼附于濾布縫隙間，因而使粉塵從煙氣中分離出來，清潔的氣體經抽風機、抽風管排入大氣。裝有氣流均布板的單入口側進風的流場分布均勻性分析結果如表3所示。由表3可知：除7號和8號濾袋出口流量分配系數稍小外，其余流量分配系數基本相等，最大流量不均幅值ΔKqi為 0.083，綜合流量不均幅值為 0.019，流量分配均勻。其原因是含塵氣體從進風口進入中箱體后先碰上進風口氣流均布板，由于慣性作用，使氣體粗顆粒粉塵直接進入灰斗，起到預收塵作用；此外，在氣流均布板的截流作用下氣體被分散流動，其速度進一步降低。因此，建議在側進風的除塵器入口處加裝氣流均布板裝置，使氣流在進入除塵器后速度得到控制，不至于出現速度過大的現象。

圖7 加有鈍體的袋式除塵器半圖及袋室結構剖視圖(單位：mm)Fig.7 Diagram of structure of bag filter with bluntness body

表2 改進模型1流場的流量分配系數KqiTable 2 Flow distribute parameter Kqi of improvement model 1

表3 改進模型2流場的流量分配系數KqiTable 3 Flow distribute parameter of Kqi improvement model 2

圖8 加有氣流均布板的單入口袋式除塵器Fig.8 Single entrance bag filter with even current board

圖9 氣流均布板簡圖Fig.9 Even current board

6 結論

(1)除塵器內部流場氣流分布很不均勻。在濾袋底端，氣流速度超過了設計值，對濾袋造成嚴重沖刷，降低濾袋的使用壽命。

(2)對袋式除塵器流場進行CFD模擬計算，將流場速度分布模擬計算結果與實驗測試結構對比，試驗測試值與模擬值相對誤差小于17.5%。

(3)流場的不均勻性主要是入口風速過高和袋室結構不合理所致。本文提出的擴大進風管面積和在袋室下箱體中布置鈍體這2種流場改進方案，使綜合流量不均勻幅值由原來的0.073降低到0.019，最小降低幅度為74%。用這2種方案均可以使袋式除塵器中氣流分布基本均勻，氣流流通阻力降低。

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