靜電激發袋式除塵器中布風結構數值模擬優化

肖述明，王祖武，余蘇玲，葉寅，王志平

武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079

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靜電激發袋式除塵器中布風結構數值模擬優化

肖述明，王祖武*，余蘇玲，葉寅，王志平

武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079

靜電激發袋式除塵器氣流分布是影響設備性能的關鍵技術問題之一。針對靜電激發袋式除塵器內部流場特點，采用標準k-epsilon湍流模型，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，應用FLUENT對其流場進行數值模擬，計算了4種不同布風結構形式下靜電激發袋式除塵器氣流分布，得到不同布風結構下除塵器全流場跡線和濾袋表面氣流速度分布，并運用濾袋間隙氣流上升速度以及最大氣流不均幅值驗證1塊氣流分布板和灰斗兩側擋風板結構形式下的氣流均勻性。結果表明：1塊氣流分布板和灰斗兩側擋風板結構形式下，除塵器內各濾袋的流量分配均勻，氣流分布良好；濾袋表面速度為0.05～0.15 ms，且最大氣流不均幅值為0.09。

靜電激發袋式除塵器；氣流分布；數值模擬；均勻性

隨著全社會環境保護意識的增強，國家高度重視PM2.5污染控制。2011年，環境保護部發布了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》，進一步提高了煙塵排放濃度限值要求，新建燃煤發電廠煙塵排放濃度小于30 mgm3，重點地區小于20 mgm3[1-2]。靜電激發袋式除塵器是符合新標準要求的一項新技術，其充分利用電除塵器和袋式除塵器各自的優點，解決了二者在運行中的不足，得到市場認可[3-5]。

在眾多影響除塵器除塵效率的因素中，氣流分布均勻性是最重要因素之一[6-7]。氣流分布數值模擬是了解除塵器內部氣流分布情況的重要手段。利用FLUEN流體模擬軟件，既能滿足現代工業的高性能、低造價和可操作性強的要求，又能采取有效措施對除塵器結構進行優化，實現氣流的均勻分布，從而對工業實踐起重要的指導作用[8]。

在電袋除塵器大規模應用之前需解決一些關鍵技術問題，首先需解決的就是除塵器結構和氣流流場分布問題[9-10]。國內外很多學者對除塵器內部氣流分布的均勻性進行了大量研究，對指導實踐提供了理論依據[11-12]。2002年，Nielsen等[13]利用氣流分布數值模型，集中討論安裝在電除塵器進出口的氣流分布板對氣流分布的影響；2001年，侯爭勝等[14]模擬電除塵器內氣流分布的均勻性，提出了3層氣流分布板布置方案。

筆者采用FLUENT流體計算軟件中的k-epsilon模型，利用其假定完全湍流和不計分子之間黏性的特點，對靜電激發袋式除塵器4種不同布風方案進行模擬計算[15]。計算壓力-速度耦合采用SIMPLE算法[16]，穩態3D的壓力基求解器，對流項選取二階迎風離散格式。

1 數值計算

模型在與FLUENT軟件兼容的Gambit中建立，對靜電激發袋式除塵器流場起決定作用的濾袋，設為帶有體積的區域[17]，具體結構見圖1。由圖1可知，其結構主要包括進氣室、除塵室、灰斗、進氣管和排氣管5個部分，處理風量為5 000 m3h。整體結構尺寸：進氣室為1 400 mm×1 000 mm×400 mm；除塵室為1 400 mm×400 mm×200 mm；除塵室內部共設置5排濾袋，每排8列，濾袋為圓柱形，直徑為120 mm，間距為200 mm×200 mm。

1.1 邊界條件

1.2 網格的劃分

1.3 氣流分布方案

應用數值模擬方法對4種不同氣流分布方案進行對比分析。4種方案采用的分布板形式相同，主要是通過數值模擬確定進口氣流分布板數目和灰斗擋風板的布風結構設計，研究進口氣流分布板和灰斗擋風板對除塵器結構氣流分布的影響和灰斗內擋風板對內部流場的影響。氣流分布板設置在除塵器進口，灰斗擋風板設置在灰斗兩側。氣流分布板采用長方形，開孔率為50%，孔徑為50 mm。當氣流分布板為3塊時，沿著氣流方向在進氣室等距設置，分布板開孔率分別取50%、40%和40%。氣流分布板和灰斗擋風板具體設置方案如下。

方案一：1塊氣流分布板，無灰斗擋風板。

方案二：3塊氣流分布板，無灰斗擋風板。

方案三：1塊氣流分布板+灰斗兩側擋風板。

方案四：3塊氣流分布板+灰斗兩側擋風板。

1.4 SIMPLE算法

目前，用以計算流場的許多大型軟件包都是以SIMPLE算法為基礎，該計算方法是由Patankar等[18]在1972年提出的，SIMPLE即求解壓力耦合方程的半隱式方法，是不可壓縮流體的方程數值求解中應用非常廣泛的算法，并且成功應用于壓縮流體流場的數值模擬計算中。

在交錯網格中，對動量方程進行離散化處理，陰影所示網格的平均速度用μe表示，N、S、E和W分別代表結點P的4個鄰點，而n、s、e和w分別為結點P所在網絡的界面(圖2)。

圖2 對μ的控制容積Fig.2 Computational control volume of μ

關于μe的離散方程如下：

aeμe=∑anbμnb+b+(PP-PE)Ae

式中：μnb為μe的鄰近速度，ms；b為不包括壓力在內的源項中的常數部分；Ae=△y×1，△y為壓力差，Pa；PP、PE分別為P、E點對應的壓力，Pa；系數ae、anb的計算式取決于所采用的差分格式。

類似地，對網格平均速度(vn)(μ是橫向的控制容積，v是縱向的控制容積)的控制容積作積分可得：

anvn=∑anbvnb+b+(PP-PN)An

式中：vnb為vn的鄰近速度，ms；An=△y×1；PN為N點對應的壓力，Pa；系數an的計算式取決于所采用的差分格式。

對已知的壓力場，設原來的壓力為P*，與此相應的速度為μ*和v*，壓力的修正值記為P′，相應的速度改變量為μ′和v′，則速度與壓力分別為μ=μ*+μ′，v=v*+v′及P=P*+P′。將其代入離散方程中，得：

由于P*，μ*及v*滿足

則改進后的速度為：

式中：de=Aeae；dn=Anan。

2 結果與討論

2.1 除塵器全流場跡線

跡線是指運動空間內流體質點的運動軌跡，對于定常流動，流體的運動跡線與流線是相互重合的；流線是指在該曲線上各切點的方向與通過該點質點的流速方向一致。因此在流線較密集的地方流體的流速大，較稀疏的地方流速小。

采用FLUENT模擬4種方案下除塵器全流場跡線，如圖3所示。

由圖3可知，方案一與方案二氣流在灰斗中都有渦流現象，但方案一氣流經過氣流分布板之后分布更均勻。方案三比方案一多增設1塊灰斗擋風板，一部分氣流受前排濾袋影響形成回流，方案三氣流在灰斗擋風板的阻擋下，沿濾袋間隙向上流動，有利于氣流在濾袋上的沉積。方案四較方案三多增設2塊擋風板，氣流從進口進入，在氣流分布板的作用下，一部分氣流有回流的現象；經過氣流分布板進入除塵室的氣流，只有小部分直接進入灰斗，一部分在擋風板的作用下向后箱體流動，大部分直接進入袋室；在擋風板附近氣流運動較復雜，有擾流現象。

圖3 除塵器全流場跡線Fig.3 All flow chart of filter

2.2 濾袋表面氣流速度

濾袋表面氣流速度云如圖4所示。

圖4 濾袋表面氣流速度云Fig.4 Air velocity contours on the surface of bag filter

由圖4可知，方案一和方案二沒有灰斗擋風板，整個濾袋表面的氣流速度分布不均勻，前列濾袋表面速度較大，且都呈兩端大中間小的趨勢。方案四前2列濾袋由于最靠近進口，受到氣流沖刷最嚴重，特別是第1列濾袋的上部，速度達到1 ms左右。方案三濾袋表面速度分布較均勻，為0.05～0.15 ms；濾袋迎風面氣流速度小，對第1列濾袋沒有沖刷，外圍濾袋的上端表面局部氣流速度相對較大，在0.3 ms左右，有利于粉塵的沉積。

2.3 濾袋間隙氣流上升速度

方案三氣流分布均勻，對方案三的濾袋間隙氣流上升速度進行分析。

除塵器內的氣流對顆粒物具有水平方向和垂直方向的作用：在水平方向上，顆粒物隨氣流的運動決定了顆粒物在除塵器內的運行距離；垂直方向上，顆粒物隨氣流的運動決定了顆粒物在除塵器內部的停留時間，同時對顆粒物在除塵器內部的行程具有很大的影響。濾袋間隙的氣流上升速度直接影響粉塵的沉降時間以及清灰效率，濾袋間隙氣流上升速度越大，粉塵下落越困難，沉降越慢，會造成二次吸附，影響清灰效果，一般布袋除塵器設計要求濾袋間隙速度不大于1 ms。

以濾袋高度方向上氣流沿Y方向的速度分量來分析濾袋間隙氣流上升速度特征，如圖5所示。

圖5 濾袋間隙上升氣流速度測點分布Fig.5 Point distribution about flow velocity of bag filter clearance

選用Z為-0.36，-0.12，0.12和0.36 m平面與X為0.57，1.05，1.53和2.01 m平面交線上Y速度分量的分布，研究除塵器內不同位置的濾袋間隙氣流上升速度變化規律。Z為-0.36 m與X為0.57，1.05，1.53和2.01 m的交線在Y為-0.7～0.8 m的線段依次命名為line11、line12、line13和line14，Z為-0.12 m與X為0.57，1.05，1.53和2.01 m的交線在Y為-0.7～0.8 m的線段依次命名為line21、line22、line23和line24，以此類推，在FLUENT中導出各交線的數據繪圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，除塵器內濾袋間隙氣流上升速度沿著濾袋高度方向先減小后增大，最大速度為0.35 ms，有利于粉塵的沉降和清灰。前4列濾袋

圖6 濾袋間隙氣流上升速度分布Fig.6 Distribution about flow velocity of bag filter clearance

間隙氣流上升速度變化較大，沿著濾袋高度方向，速度越來越小，在靠近濾袋出口處，速度略有增大，這是由于在濾袋出口處內外壓差相對濾袋底部大；后4列濾袋間隙氣流上升速度分布相對均勻且速度小，大部分在0.4 ms以下，在濾袋中部位置變化不大；其中第5列與第6列之間的濾袋間隙氣流上升速度最小，與圖3一致。

2.4 氣流均勻性分析

濾袋的流量分配系數表示每個濾袋實際處理氣體流量(Qi)與平均處理氣體流量(Qmean)的比值，記作Kqi，表示為：Kqi=QiQmean(i=1,2…,n)。

當氣流分配不均勻時，最大流量不均幅值(ΔKqi=Kqimax-Kqimin)在1上下波動，且ΔKqi≠0，其值越大，表明氣流均勻性越差；反之，說明氣流比較均勻。

由2.2和2.3節可知，方案三氣流分布良好。方案三各濾袋流量見表1。沿氣流方向橫向濾袋編號為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7和A8，縱向濾袋編號為B1、B2、B3、B4和B5，用最大流量不均幅值驗證氣流均勻性。方案三各濾袋流量分配系數見圖7。

表1 方案三各濾袋流量Table 1 The filter bag mass flow about No.3 scheme kgs

表1 方案三各濾袋流量Table 1 The filter bag mass flow about No.3 scheme kgs

列排A1A2A3A4A5A6A7A8B10.04250.04180.04170.04280.04280.04290.04310.0434B20.04190.04180.04180.04190.04220.04240.04280.0436B30.04180.04230.04200.04170.04220.04250.04320.0456B40.04250.04120.04150.04270.04260.04290.04300.0444B50.04170.04170.04160.04300.04310.04260.04290.0431

注：最大流量不均幅值ΔKqi=Kqi max-Kqi min=1.07-0.98=0.09。圖7 方案三各濾袋流量分配系數Fig.7 Distribution about flow distribution coefficient of filter bag

由圖7可知，各濾袋的流量分配系數基本在1上下波動，波動不大。其中最大流量分配系數為1.07，最小流量分配系數為0.98，ΔKqi不均幅值為0.09。該方案除塵器內各濾袋的流量分配是均勻的，氣流分布良好。

3 結論

以靜電激發袋式除塵器為主體，利用FLUENT軟件對4種不同除塵器布風結構下的流場進行模擬，實現了對除塵器布風結構的優化設計。

(1)1塊氣流分布板和灰斗兩側有擋板的布風結構，氣流在灰斗擋風板的阻擋下，沿濾袋間隙向上流動，有利于氣流在濾袋上的沉積。

(2)1塊氣流分布板和灰斗兩側有擋板的布風結構，濾袋表面速度分布較均勻，為0.05～0.15 ms；濾袋迎風面氣流速度小，對第1列濾袋沒有沖刷，外圍濾袋的上端表面局部氣體流速相對較大，為0.3 ms左右，有利于粉塵的沉積。

(3)1塊氣流分布板和灰斗兩側有擋板的布風結構形式最優，此時最大氣流不均幅值為0.09，除塵器內各濾袋的流量分配均勻，氣流分布良好。

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Numerical Simulation and Optimization for Airflow Distribution Structure of Electrostatic Excitation Filter

XIAO Shuming, WANG Zuwu, YU Suling, YE Yin, WANG Zhiping

School of Resources and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430079, China

The airflow distribution of electrostatic excitation filter (EEF) is one of the key technical issues that affect the performance of the device. According to the characteristics of internal flow field of the filter, the standard k-epsilon model was used to calculate turbulent viscosity, the SIMPLE algorithm was used for pressure-velocity coupling, and the then FLUENT model used for numerical simulation. The airflow distribution of the EEF under four distribution structures was simulated, and the corresponding overall airflow tracing line and the surface airflow velocity distribution obtained. The vertical airflow velocity of filter bag gap and maximum flux uneven amplitude were researched to verify the airflow uniformity under the structure of one airflow uniform plate and wind shield on both sides of the dust hopper. The results showed that under the structure of one airflow uniform plate and wind shield on both sides of the dust hopper, the airflow distribution in the filter bags was uniform. The airflow velocity on the surface of filter bag ranged between 0.05 to 0.15 ms, and the maximum flux uneven amplitude is 0.09.

electrostatic excitation filter; airflow distribution; numerical calculation method; uniformity

2015-11-13

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA065104)

肖述明(1989—)，男，碩士，研究方向為大氣污染控制工程，xsm0626@163.com

*通訊作者:王祖武(1962—)，男，教授，博士，主要從事大氣污染控制研究及大氣環境研究，hjgcapc@163.com

X701.2

1674-991X(2016)03-0216-07

10.3969j.issn.1674-991X.2016.03.033