基于數值模擬的電袋復合除塵器入口流速和管道結構優化*

郝 歡 閆東杰 張仕鼎 黃學敏 羅應博 高夢涵

(西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

基于數值模擬的電袋復合除塵器入口流速和管道結構優化*

郝 歡 閆東杰#張仕鼎 黃學敏 羅應博 高夢涵

(西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

利用計算流體動力學(CFD)軟件對電袋復合除塵器進行數值模擬，通過改變氣流入口流速、調整電凝并區前水平管道長度和增設入口管道內導流板等方法進行優化。結果表明，氣流入口流速對改善電袋復合除塵器的除塵效果影響不大，而入口管道增設導流板影響很大。當氣流入口流速為18.00 m/s、電凝并區前水平管道長度為0.50 m、入口管道后一彎管處增設置3塊導流板時，電凝并區入口斷面、電除塵區入口斷面氣流分布均勻，相對均方根分別為0.17、0.14，渦流區域基本消失。

電袋復合除塵器 流速 管道結構 數值模擬 氣流分布

近年來，霧霾天氣頻繁出現，大氣顆粒物污染問題日益突出，研發新型除塵技術尤為重要。電袋復合除塵器作為新型除塵技術，將成為控制顆粒物的主要方法之一。電袋復合除塵器是一種基于電除塵和袋除塵兩種成熟的除塵理論而提出的一種除塵技術，具有結構緊湊、除塵效率高、運行穩定、成本低等優勢。影響電袋復合除塵器性能的因素很多[1]67，其中氣流分布是關鍵因素之一，而入口管道的結構會直接影響煙塵在除塵器中的分布。特別是電袋復合除塵器管道結構中存在直角彎管，造成管道內電凝并區前存在嚴重積灰，使得電凝并器升壓困難，除塵效果不佳。因此，研究電袋復合除塵器管道結構對改善氣流分布具有重要意義[2-3]。

物理實驗方法[4-5]與數值模擬方法[6-9]是研究除塵器管道內氣流分布的主要方法。數值模擬方法具有準確、快速、經濟、可靠等諸多優點，隨著計算機技術發展，其優勢愈發明顯。陶克軒等[10]采用數值模擬方法分析除塵器入口管道內氣流分布不均的原因，并對入口管道結構做出相應改造，通過安裝管道分配室、改變導流板、安裝導灰板等措施達到灰量分布偏差由19.00%降到7.00%的效果。鄭民等[11]采用數值模擬方法對中原冶煉廠袋式除塵器的入口管道進行優化設計，改造后除塵效果顯著提升。齊曉娟等[12]404采用數值模擬方法分析電除塵器入口管道內氣流分布情況，多次改變管道內導流板數量、位置和尺寸等參數，使得改造后管道內流速偏差降到±2.00%以內，氣流分布均勻。時培章等[13]采用數值模擬與實驗相結合的方法對氣流分布和管道結構進行研究，調整了入口管道喇叭內的氣流分布板及導流板位置和尺寸、出口管道尺寸，使得除塵器內氣流分布均勻性提高。GROVES等[14]采用數值模擬方法對電除塵器入口管道內的氣流分布進行研究與優化，結果表明導流板的設置有利于改善管道內氣流分布均勻性、降低煙道阻力。BHASKER[15]采用數值模擬方法，在除塵器入口管道中設置多塊導流板，發現能有效改善氣流分布的均勻性，同時發現導流板型式也會影響氣流分布均勻性。

本研究利用計算流體動力學(CFD)軟件對電袋復合除塵器內氣流進行了數值模擬，通過增加除塵器氣流入口流速、增加電凝并區前水平管道長度、入口管道內增設導流板的方法進行優化，研究結果對提高電袋復合除塵器除塵效率有一定指導意義。

1 電袋復合除塵器數值模擬

1.1 幾何模型

本研究的電袋復合除塵器幾何模型如圖1所示。入口與出口管道直徑相等為0.41 m；電凝并區前水平管道長度為0.21 m；電凝并區長0.86 m、寬0.60 m、高0.50 m，有2個通道，其后有5根導流柱；電除塵區長1.84 m、寬1.56 m、高1.92 m，有3個通道；布袋除塵區長2.67 m、寬1.56 m、高2.35 m，共有66條布袋，其中30條長1.90 m、36條長2.10 m。

圖1 電袋復合除塵器幾何模型Fig.1 Geometry model of electrostatic fabric integrated precipitator

1.2 網格劃分

由于幾何模型尺寸較大可能導致局部扭曲度較大，為了使氣流數值模擬結果接近實際狀態，提高收斂穩定性，采用結構化和非結構化混合網格技術進行網格劃分。其中導流板、氣流分布板、電除塵器入口喇叭、布袋等局部區域選取四面體網格并進行加密處理；其余各部分選取六面體網格，同時采用節點松弛法進行光滑處理。

1.3 控制方程

假設氣流為絕熱、穩態、不可壓縮的牛頓流體，在電袋復合除塵器內呈湍流狀態。采用笛卡爾坐標系的三維N-S方程作為基本控制方程，包含連續性方程、動量守恒方程和標準κ-ε湍流模型方程。利用有限體積法離散控制方程，其中擴散項采用中心差分，非線性的對流項采用二階迎風格式，用壓力—速度耦合的SIMPLE算法求解離散后的方程[16]。

1.4 邊界條件與參數設置

(1) 進口設在除塵器管道入口，采用速度進口邊界條件，氣流均勻法向流入。

(2) 出口設在除塵器管道出口，采用壓力出口邊界條件。

(3) 氣流分布板采用多孔介質模型，孔隙率為0.45；濾袋采用多孔介質階躍模型。

(4) 導流板及管道壁面采用無滑移邊界條件。

2 模擬結果與分析

2.1 改變氣流入口流速前后的數值模擬結果

采用數值模擬方法研究氣流入口流速分別為8.20、18.00 m/s時電凝并區內流線及其入口斷面的流速等值線，分別見圖2和圖3。

注：X、Y、Z為空間坐標系，方向如圖所示，下同，對于不同區域繪圖時坐標原點視具體情況確定。

圖2不同氣流入口流速下的電凝并區內流線圖
Fig.2 Flow track in the electric coagulator under different inlet velocity

從圖2(a)可以看出，當氣流入口流速為8.20 m/s時，電凝并區管道內存在嚴重的渦流現象，流動阻力較大，且流線分布不均勻，管道下部氣流發生偏向。從圖3(a)來看，電凝并區入口斷面中心部位流速最大，從中心向四周呈遞減趨勢，且上部大于下部，造成下部邊界層分離、管道積灰。

注：圖中等值線上標記的數值為流速，單位為m/s，下同。圖3 不同氣流入口流速下的電凝并區入口斷面流速等值線圖Fig.3 Velocity distribution at the inlet section of the electric coagulator under different inlet velocity

從圖2(b)可見，增加氣流入口流速至18.00 m/s，管道內渦流現象有所改善，但效果不佳，說明除塵器入口管道流速不是改善管道渦流現象的主要影響因素。比較圖3(a)和圖3(b)發現，氣流入口流速增至18.00 m/s，下部的流速雖有所增加，但并無太大差別。這說明僅改變氣流入口流速對改善電袋復合除塵器的除塵效果影響不大。因此，也不再考察其他區域的數值模擬情況，下面的模擬中氣流入口流速設定為18.00 m/s。

2.2 改造電凝并區前水平管道長度前后的數值模擬結果

采用數值模擬方法比較了電凝并區前水平管道長度分別為0.21、0.50 m時電凝并區內流線圖、電凝并區入口斷面流速等值線圖和電除塵區入口斷面流速等值線圖。

電凝并區前水平管道長度為0.21 m時，電凝并區內流線圖及其入口斷面的流速等值線圖分別同圖2(b)和圖3(b)。前已述及，渦流現象比較嚴重，這與電凝并區前水平管道長度小有關，氣流沒有緩沖至均勻狀態而直接進入電凝并區，在管徑突然擴大時管壁與管中心部位速度差較大產生渦流，進而影響除塵器工作特性[12]407。

增加電凝并區前水平管道長度至0.50 m，電凝并區內流線及其入口斷面的流速等值線分別如圖4和圖5所示，可見渦流區域已明顯縮小，說明下部區域流動阻力減小，氣流分布趨于均勻，煙塵隨氣流流動，積灰減少，除塵效率提高。

圖4 電凝并區前水平管道長度為0.50 m時電凝并區內流線圖Fig.4 Flow track in the electric coagulator under the length before the electric coagulator of 0.50 m

圖5 電凝并區前水平管道長度為0.50 m時電凝并區入口斷面流速等值線圖Fig.5 Velocity distribution at the inlet section of the electric coagulator under the length before the electric coagulator of 0.50 m

進一步分析電凝并區前水平管道長度分別為0.21、0.50 m時電除塵區入口斷面的流速等值線(見圖6)發現，電凝并區前水平管道長度為0.21 m時，電除塵區入口斷面氣流分布均勻性差，相對均方根較大，嚴重影響除塵效率；增加電凝并區前水平管道長度至0.50 m，氣流分布均勻性明顯變好，相對均方根為0.24，剛好達到除塵器氣流均勻分布評價標準的合格值[1]327，入口管道內增設導流板可能可以進一步改善除塵器內的氣流流動狀態。

2.3 入口管道內增設導流板前后的數值模擬結果

為使氣流分布更加均勻，在氣流入口流速為18.00 m/s、電凝并區前水平管道長度為0.50 m的情況下，在入口管道第②個彎管處增設導流板，增設多塊導流板時，按照管道設計要求等間距設置[17]。因為增加導流板對氣流的影響在電凝并區前就很大，因此考察了電凝并區前水平管道入口斷面的流速等值線圖。從圖7可以看出，0塊導流板時，氣流分布不均，與氣流入口流速的最大偏差達66.67%；設置1塊導流板時，氣流分布趨于均勻，與氣流入口流速的最大偏差縮小到33.33%；當導流板數量增至3塊時，氣流分布已基本均勻，整個截面的流速基本與氣流入口流速18.00 m/s相差不大，平均偏差小于0.60%，相對均方根為0.06；而設置4塊導流板時，相對均方根為0.08，較設置3塊導流板時僅略有增加，沒有必要。由此說明，增設導流板有利于管道內氣流分布均勻[18-19]。最終確定設置3塊導流板。

圖6 不同電凝并區前水平管道長度下的電除塵區入口斷面流速等值線圖Fig.6 Velocity distribution at the inlet section of the electrostatic precipitator under different length before the electric coagulator

圖7 增設不同導流板數量下的電凝并區前水平管道入口斷面流速等值線圖Fig.7 Velocity distribution at the inlet section of the pipe before the electric coagulator under different number of flow deflectors

圖8為氣流入口流速為18.00 m/s、電凝并區前水平管道長度為0.50 m、入口管道第②個彎管處增設3塊導流板后的電凝并區入口斷面流速等值線圖，與0塊導流板(見圖5)時相比，電凝并區入口斷面渦流區域消失，氣流分布均勻，相對均方根為0.17。同時，增設3塊導流板后的電除塵區入口斷面流速等值線圖(見圖9)與0塊導流板時(見圖6(b))相比，氣流分布均勻性也明顯改善，相對均方根為0.14。

圖8 增設3塊導流板后電凝并區入口斷面流速度等值線圖Fig.8 Velocity distribution at the inlet section of the electric coagulator after adding 3 flow deflectors

圖9 增設3塊導流板后電除塵區入口斷面流速等值線圖Fig.9 Velocity distribution at the inlet section of the electrostatic precipitator after adding 3 flow deflectors

3 結 論

數值模擬結果顯示，氣流入口流速對改善電袋復合除塵器的除塵效果影響不大，而在入口管道第②個彎管處增設導流板影響很大。模型優化的結果為氣流入口流速18.00 m/s、電凝并區前水平管道長度0.50 m、入口管道第②個彎管處增設3塊導流板，此時電凝并區入口斷面與電除塵區入口斷面的氣流分布均勻，相對均方根分別為0.17、0.14，渦流區域基本消失。

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Optimizationoftheinletvelocityandpipestructureofelectrostaticfabricintegratedprecipitatorbasedonnumericalsimulation

HAOHuan，YANDongjie，ZHANGShiding，HUANGXuemin，LUOYingbo，GAOMenghan.

(CollegeofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’anShaanxi710055)

Optimization of the inlet velocity and pipe structure of electrostatic fabric integrated precipitator was numerically simulated by computational fluid dynamic (CFD) software through changing the inlet velocity,increasing the length before the electric coagulator,and adding flow deflectors in the last elbows of inlet pipe. Results showed that inlet velocity had little influence on the dust removal efficiency but adding flow deflectors had great influence. When the inlet velocity was 18.00 m/s,the length before the electric coagulator was 0.50 m,and 3 flow deflectors were added,the velocity distribution of both electric coagulator and electrostatic precipitator tended to be uniform. The mean square root were 0.17 and 0.14,respectively.Vortex was almost disapperared.

electrostatic fabric integrated precipitator； velocity； pipe structure； numerical simulation； velocity distribution

郝 歡，女，1992年生，碩士研究生，研究方向為大氣污染控制。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.51408455);陜西省教育廳科研計劃項目(No.17JK0465)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.012

2016-11-17)