燒結機尾布袋除塵器分室檢漏及流場改造

高華東，肖春

（中冶建筑研究總院有限公司華東分院，上海 201900）

引言

鋼鐵企業燒結工序產生的燒結礦粉塵磨琢性非常強，除塵系統的管道彎頭、氣力輸送系統管道彎頭、機械輸灰刮板機鏈板等經常出現磨損[1]。處理燒結礦粉塵的脈沖布袋除塵器也極易出現磨損，尤其是除塵器布袋，如果磨損嚴重發生泄漏，將直接導致煙塵排放超標。某企業燒結機尾脈沖袋式除塵器設置了一套分室袋漏檢測系統，又稱為分室檢漏，即在多倉室除塵器的每一個倉室都設置一個粉塵濃度儀，當布袋破損時確保能迅速定位破袋位置，及時更換破損濾袋，縮短超標排放時間。該監測系統在運行過程中就及時發現了一起破袋故障，檢修人員迅速更換了濾袋。后續生產過程中，短時間內接連出現破袋。初步分析除塵器本體流場存在問題，在后續大修期間對除塵器的灰斗內流場進行了改造。

1 燒結機尾除塵系統概況

燒結機在生產過程中會散發大量粉塵，環境污染十分嚴重。為此，燒結機尾除塵系統采用高效率的脈沖布袋除塵器作為凈化設備，保證廢氣的排放濃度滿足排放限值。該系統設計總風量為105萬m3/h（工況）。含塵廢氣經過預處理器（火花撲集器）將廢氣中含有火星的粉塵顆粒以及大顆粒粉塵收集后再進入脈沖布袋除塵器，凈化后的廢氣經風機由煙囪排入大氣。預處理器（火花捕集器）及除塵器收集的粉塵由氣力輸送系統送至配料室內的粉塵槽回收利用。

脈沖布袋除塵器采用6室雙排布置，中間風道進風、出風，風道中部由斜隔板隔開進風道和出風道。除塵設備布置如圖1所示。

圖1 燒結機尾除塵設備

2 分室檢漏系統

2.1 原理介紹

袋漏檢測的主要手段有直接觀測法、激光法、濁度法、射線法、電荷法、差壓法、電容法等，其中微電荷法由于精度高、可靠性好、經濟和維護方便逐漸被市場接受。微電荷法的精度可達0.005mg/m3；監測范圍可從0.01mg/m3到1000mg/m3。

微電荷法主要由傳感器、同軸電纜、控制器和顯示終端等組成，在夾帶顆粒物的氣流中，當顆粒與探頭碰撞時，顆粒和探頭間會發生電荷傳遞（即摩擦起電）。氣流中的顆粒自身也帶有一定凈電荷，當顆粒經過探頭附近時，探頭上也會產生感應電荷（即靜電感應）。當一個顆粒與探頭碰撞或經過探頭附近時，電荷轉遞量的多少取決于顆粒的物理和化學性質（如大小、化學組成、介電常數等）及速度。一群顆粒物與探頭碰撞或經過探頭附近時的綜合結果是在探頭上產生的微小電流信號，信號的強度與一定時間內碰撞或經過探頭附近的顆粒數量成正比，通過專用同軸電纜傳送到控制單元。

2.2 系統安裝

圖2所示為典型的微電荷法袋漏檢測系統。將微電荷傳感器放置在除塵器潔凈室的出氣口處，如果氣流內所含的顆粒物與傳感器探針碰撞或掠過，從而產生電流，并流向測量電路，電流經濾波放大處理后顯示在終端，微電流的大小可以反映顆粒物濃度的高低。

圖2 微電荷法袋漏檢測系統

傳感器的安裝位置至關重要，既要方便檢修，又要檢測準確。為此，對除塵器單室做了流場數值模擬（見圖3、圖4）。經過分析最終將傳感器安裝在除塵器單室出口閥底圈側面（見圖5）。

圖3 除塵器單室流場模擬1

圖4 除塵器單室流場模擬2

圖5 傳感器安裝位置

2.3 結果判斷

脈沖閥的每一次噴吹都會造成粉塵濃度升高，如果有漏袋則粉塵濃度會急劇升高，對應的電信號也將出現峰值。分室袋漏監測系統安裝初期，需經過一段時間記錄測量值趨勢以確定袋漏報警的基數值。如可設置一個基數值10～20pA，報警值設置為30～50pA，且報警延遲時間足夠長，以便清灰尖峰不會激活報警。圖6為一個典型的報警趨勢圖。

圖6 漏袋報警趨勢圖

3 除塵器流場改造

分室袋漏檢測系統投運后出現過多次報警，每次報警后經檢查都有漏袋，說明此系統報警信息可靠。濾袋經常損壞且損壞的位置大部分集中在濾袋的下部和底部（見圖7、圖8），說明除塵器流場可能存在缺陷，導致濾袋被沖刷破壞。

圖7 濾袋破損1

圖8 濾袋破損2

3.1 除塵器單室流場數值模擬

3.1.1 物理模型

為簡化計算，取整臺除塵器中的一個室進行模擬，包括灰斗進風彎管、灰斗、灰斗導流板、濾袋室側壁、花板（濾袋忽略）、潔凈室壁板、出口提升閥閥板等（如圖9所示）。因為濾袋破損位置主要在底部，所以重點考察濾袋下部灰斗內的氣流。

3.1.2 網格劃分

網格是CFD模型的幾何表達形式，也是模型分析的載體。網格質量對CFD的計算精度和計算效率具有重要影響。自由網格劃分用于空 間自由曲面和復雜實體，采用三角形、四邊形、四面體進行劃分，采用網格數量、邊長及曲率來控制網格的質量。本算例采用自適應方法劃分網格（見圖10）。并對導流板附近網格進行局部加密。

圖9 除塵器單室物理模型

圖10 模型網格

3.1.3 數學模型

除塵器內部較復雜，氣流基本都是湍流，因此選用標準k-ε模型。該模型假設流動為完全湍流，分子黏性的影響可忽略，其具有合理的精度，使用范圍廣，收斂速度快，節省計算資源[2]。

3.1.4 邊界條件

1）入口邊界條件：除塵器單室內氣流簡化為不可壓縮氣流。根據除塵器的處理風量，計算每一室的處理風量，根據進風口面積，可計算進風口的速度，定義為入口速度，取12m/s。2）出口邊界條件：除塵器出口離風機較近，因此可近似取風機的壓力，定義為出口壓力。3）壁面邊界條件：壁面（wall）邊界條件用于限制流體和固體區域。本文中的壁面為靜止壁面，固體壁面邊界為無滑移條件，不考慮壁面的熱傳導。在壁面處具有零梯度條件，即x、y、z各分量上的速度均為零。

3.2 數值模擬結果分析

由于濾袋破損位置主要分布在底部，因此模擬最關心灰斗與濾袋室交界處，即濾袋底部的氣流。而灰斗內的氣流分布板對此處的氣流分布影響很大，故設置了三種狀況分別模擬：無氣流分布板、單層氣流分布板、雙層氣流分布板。并分別觀察這三種情況的氣流分布狀況。

3.2.1 無氣流分布板

由圖11可看出，在無氣流分布板時，氣流進入除塵器灰斗后直接沖到灰斗后部，遇到灰斗后壁后向上沖，在灰斗與濾袋室交接處，流速在10m/s左右，由于燒結粉塵的強磨琢性，極易造成濾袋磨穿。

圖11 無氣流分布板時速度矢量圖

3.2.2 單層氣流分布板

由圖12可看出，在單層氣流分布板時，氣流進入除塵器灰斗后遇到氣流分布板，部分氣流順第一層導流板縫隙進入灰斗上部，大部分氣流向下沖，越過第一層導流板后向上沖，在后部灰斗與濾袋室交接處，流速為7m/s左右，由于燒結粉塵的強磨琢性，易造成濾袋磨穿。

圖12 單層氣流分布板時速度矢量圖

3.2.3 雙層氣流分布板

由圖13可看出，在有雙層氣流分布板時，氣流進入除塵器灰斗后遇到第一層氣流分布板，大顆粒粉塵由于慣性作用落入灰斗下部，部分氣流順第一層導流板縫隙進入灰斗上部，部分氣流向下沖，越過第一層導流板后向后向上沖，遇到第二層氣流分布板，氣流被分割成多部分，在灰斗與濾袋室交接處，流速為4m/s左右。氣流速度明顯降低，通常認為速度小于5m/s濾袋不會在保質期內失效。

圖13 雙層氣流分布板時速度矢量圖

3.3 除塵器改造措施

基于數值模擬分析結果，除塵器灰斗氣流分布板改成雙層導流板。改造后除塵器已運行兩年多，沒有再出現破袋現象。

4 結語

基于除塵器分室袋漏監測系統的準確報警，采用CFD對除塵器流場進行數值模擬，并根據分析結果對除塵器進行改造，得到如下結論：

（1）分室袋漏監測系統運行可靠，為除塵器維護提供了很大便利，是除塵器智能化的一個發展方向。

（2）由于燒結粉塵的強磨琢性，燒結區域除塵器設計時應區別于其他區域除塵器，時刻要考慮到避免磨損，不可避免時要考慮耐磨措施。

（3）灰斗內的雙層氣流均布板可以很好解決氣流分布不均勻的問題。進入濾袋室的氣流均布至關重要，高速氣流裹挾著燒結粉塵勢必會造成濾袋的破損。雙層導流板可以很好地使氣流分布均勻，避免濾袋過早破損。雖然設置雙層導流板會增加鋼耗量，增加初始投資，但是從長遠來看，節省了運行成本。

（4）雙層氣流均布板起到了一定的預除塵作用，在場地受限的情況下，可以進一步研究是否可以去掉預處理器。