布袋除塵器內部導流裝置設計優化研究

文_張彥婷 張麗麗 大唐環境產業集團股份有限公司

1 除塵器結構及研究目的

布袋除塵器結構為“中央進風”，即除塵器中間布置進風煙道，在中間煙道內每袋室設置兩個進風支管，煙氣沿支管進入袋室，每臺除塵器沿氣流方向分為三個袋室，一共設置有6個分室支管。原布袋除塵器未設置導流裝置，使得進入各室的氣流分布不均，各室的濾袋破損不均勻。趁除塵器大修機會，利用ANSYS FLUENT軟件對布袋除塵器在進風煙道設置不同規格的導流板進行模擬計算，選擇最優的布置方式，使得進入各袋室的氣流分布均勻，除塵器的除塵效率、壓力損失等性能都達到最優。

2 三維模型及流量分配判據

2.1 三維模型建立

除塵器各室中的布袋數量龐大，對于其物理建模可以適當簡化，將各袋室布袋視為若一個過濾單元。此外，該項目中除塵器主體為關于平面的對稱形式，因此在對該除塵器進行計算時僅計算一半的結果，在對稱平面處設為對稱邊界。

在本模擬中，為便于分析比較模擬計算后進入各袋室的流量，將沿煙氣運動方向上的煙氣各袋室支管依次命名為1～6，三維建立圖形和各支管編號如圖1所示。

圖1 除塵器入口煙氣分布支管編號示意圖

2.2 流量分配均一判據

在使用ANSYS FLUENT對煙氣流動的算例進行模擬時，通常采用殘差法判定收斂。一般認為，各方向速度、湍流尺寸等參數的殘差降低至10-4～10-3數量級且保持穩定即可認為模擬計算達到收斂。因此，對于純流動現象的工業級反應器的數值模擬，計算步數達到104基本即可。

但對于本模擬計算的情況而言，以上判據并不能夠完全適用。如圖2所示為模擬計算過程的殘差與計算步數之間的關系。從圖中可以看出，當計算步數達到12000時，連續方程、各方向的速度殘差均降低至10-3以下，且殘差保持穩定。

圖2 模擬步數和殘差的關系

本文計算的重要目的之一為通過導流板的設計優化實現進入除塵器袋室各支管的流量分配均勻，故對于通過支管截面處流量的監測尤為重要。圖3所示為各個支管截面處的流量與計算步數之間的關系。從圖中可以看出，當達到滿足要求或穩定的殘差時，各個支管截面的流量仍處于顯著變化尚未穩定的階段。產生這種現象的原因可能在于，在煙氣流動的過程中存在六個支管，其中任意一個支管截面上的速度分布的變化均會導致其余截面的流量的變化。因此，單純依靠殘差對流動的穩定進行判定并不合適，本文的計算是通過監視目標截面處的流量來進行判定。

圖3 支管截面的流量和計算步數之間的關系

3 入口導流板設置及計算結果分析

本文研究主要思路是在現場安裝條件允許的條件下，通過增加導流板的數量、改變導流板的位置和角度，從而得到滿足均流要求的導流板設置。

3.1 工況1

原除塵器未設置導流板，其三維建模圖見圖4。

圖4 工況1未設置導流板三維模型

經過計算，各支管流量分配見表1。

表1 工況1未設置導流板各支管流量分配

從表1各支管流量分配結果來看，由于除塵器入口處無導流板的引導，使得煙道遠端的支管5和支管6流量較大，尤其是支管6出現了高于50%的偏差。因此，需在煙道內設置導流板，調節進入除塵器各袋室的氣流分布。

3.2 工況2

在煙道入口處布置5塊200mm×800mm導流板，導流板傾斜角度均設為11°。導流板布置見圖5。

圖5 工況2導流板布置示意圖

經過計算各支管流量分配見表2。

表2 工況2各支管的流量分配

從表2中可以看到，相對于工況1未設置導流板的情況，工況2設置導流板后的流量分配有了較大的改善，尤其是支管6的無因次化流量由1.634降低至1.263，但支管5的流量卻有了顯著升高，由1.131增大至1.398。同時，支管2～4的流量偏小的問題仍未得到解決。

3.3 工況3

在工況2的基礎上，保持導流板的尺寸和位置不變，導流板傾斜角度更改為：11°、16°、16°、16°、16°，同時在第二、四個支管口處各添加一塊導流板，導流板的傾角為35°，尺寸為200mm×800mm。計算后各支管流量分配見表3。

表3 工況3各支管的流量分配

在支管2和支管3上方各增加一塊導流板，調節進入支管2和支管3的流量，目的在于進一步降低進入支管5和6的煙氣流量。從表3中數據可以看到，此時支管5和6中的無因次化煙氣流量已經降低至1.076和1.115，已經接近均一的要求。更為重要的是，此時進入支管3和4的流量也得到了升高，分別由0.788和0.826增大至0.894和0.919，說明在支管2和3上方增加的導流板起到了雙重的作用。結果表明，改進之后進入支管2的煙氣流量也得到了顯著地提升，各支管的流量已經接近偏差≤5%的要求了。

3.4 工況4

在工況3的基礎上調整導流板的傾斜角分別為：6°、13°、16°、16°、16°；第二、四個支管的導流板與水平方向的傾角調整為38°，41°。結果可以得出，各支管流量偏差已滿足≤5%的要求。

4 小結

（1）通常采用殘差法判定收斂。當有多個煙氣流動出口截面時，單純依靠殘差對流動的穩定進行判定并不合適，需通過監視各截面處的流量進行判定。

（2）除塵器進口煙道內的導流板對除塵器內部的氣流分布調節起著很重要的調節作用，所以在布袋除塵器進行設計時，需考慮布置合理的導流板，使除塵器內部的氣流分配均勻。

（3）布袋除塵器的超低排放改造工程，除了更換為高效的濾袋外，還需考慮除塵器內部氣流分布均勻的問題，使改造后的除塵器除塵效率更高，滿足更高的排放標準。