下進風內濾式袋式除塵器流場的模擬與優化*

張 哲 李彩亭# 李珊紅

(1.湖南大學環境科學與工程學院，湖南 長沙 410082；2.環境生物與控制教育部重點實驗室(湖南大學)，湖南 長沙 410082)

隨著國家對煙塵、SO2和NOx排放標準提高，對煙氣污染物控制技術提出了更高的要求。目前，除塵技術主要有機械、電、濕式、袋式等除塵方式。其中，袋式除塵作為高效的除塵裝置，性能穩定，可捕集多種性質的粉塵，甚至使煙氣排放質量濃度低至5 mg/m3，達到超低排放的要求[1-3]。

由于袋式除塵器內部流場復雜，其內部氣固兩相流主要是通過計算流體動力學(CFD)技術進行研究[4-7]。張廣朋等[8]通過在袋式除塵器入口處增設導流板以減小進出口壓差來優化內部流場，減少濾袋磨損。AROUSSI等[9]采用CFD技術模擬粉塵運動軌跡，并進行了試驗驗證。黨小慶等[10]對除塵器流量分配等進行了模擬，提出了其內部流量合理分配的優化方法。丁倩倩等[11]模擬濾袋長度對除塵器流場分布的影響，得出了在相同過濾風速下長濾袋除塵器內流場分布均勻的規律。李珊紅等[12]對翼形上進風長袋脈沖袋式除塵器內氣流分布進行了模擬研究。侯文龍等[13]通過改進進氣口等措施優化了內濾式袋式除塵器內部流場，提高了運行穩定性。與外濾式袋式除塵器不同，內濾式袋式除塵器濾袋內不需要支撐骨架，節約成本，含塵氣流進入濾袋后，由內向外運動，顆粒被捕集在濾袋內表面。本研究利用CFD技術對下進風內濾式袋式除塵器內部氣固兩相流進行模擬，優化其內流場，提高除塵效率，為袋式除塵器優化設計提供理論依據。

1 下進風內濾式袋式除塵器建模

1.1 三維建模及網格劃分

為研究袋式除塵器性能，對下進風內濾式袋式除塵器進行模擬，其幾何模型如圖1所示。除塵器主體由進口、箱體、袋室、灰斗、出口等組成。其中，箱體660 mm×460 mm×750 mm。共6個濾袋，濾袋長630 mm、直徑140 mm。煙氣進、出口為圓形，直徑140 mm。灰斗為倒四棱錐形，棱錐面與水平面夾角70°。煙氣從除塵器的下部進入箱體，經過濾袋的過濾、攔截、擴散、碰撞和重力等作用，粉塵被捕集在濾袋上，凈化后的氣體由出口排出。

圖1 下進風內濾式袋式除塵器Fig.1 Below-inlet-wind internal bag filter

本研究利用SolidWorks軟件對下進風內濾式袋式除塵器進行三維建模，再利用ICEM前處理軟件劃分成結構網格，數量為660 000個。

1.2 數值計算模型

由于過濾速度低，假定內部流動為不可壓縮的牛頓流體[14]，不考慮清灰過程。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流相選用二階迎風離散格式，近壁面采用標準壁面函數。湍流流場采用realizablek-ε雙方程模型[15]，其內的流動遵循質量、動量和能量守恒定律。

濾袋采用多孔跳躍邊界，其壓力損失主要為黏性損失，忽略內部阻力項，即：

(1)

式中：ΔP為壓力損失，Pa；μ為流體黏度，Pa·s；α為滲透率，m2；υ為垂直濾袋表面速度分量，m/s；δ為濾料厚度，m。

當過濾風速一定時，濾料厚度與滲透率表征過濾介質的透氣強度。當過濾風速為1.0 m/min時，不同滲透率及濾料厚度下除塵器的壓力損失見表1[16-19]。

表1 除塵器的壓力損失

1.3 邊界條件

假定氣相為空氣，模型邊界條件采用速度進口和壓力出口邊界。當過濾風速過小，會增加總過濾面積，一次投資費用增加；若過濾風速過大，除塵器的壓力損失增大，能耗增加，且影響濾袋壽命。本研究模擬過濾風速為1.0 m/min，出口壓力為-1 000 Pa，濾袋滲透率為7.0×10-12m2，厚度為3.00 mm。顆粒相為工業用活性焦脫硫脫硝塔出口粉塵，其堆積密度、真密度分別為0.497 5、1.806 6 g/cm3。利用激光粒度儀(LS-POP(9))測得粉塵粒徑分布，得到粉塵樣本中累計粒度分布達10%、25%、50%、75%、90%時所對應的粒徑分別為為0.59、1.34、2.72、4.76、7.17 μm。

2 模擬與優化

2.1 除塵器模型流場分布

以除塵器的箱體建立坐標系，出口下端為原點，箱體的長、寬、高分別為x、y、z軸，即箱體的x為0～660 mm、y為0～460 mm、z為-170～580 mm。原除塵器在過濾風速為1.0 m/min時，選取典型截面(除塵器灰斗截面(y=230 mm)、濾袋下截面(z=420 mm))觀察速度分布。由圖2(a)可知，氣流以較大速度進入除塵器后，在進口處形成射流。氣流在穿過濾袋時會產生壓力損失，故會向壓力損失小的灰斗方向運動，與灰斗壁面發生強烈沖擊。氣流在灰斗處形成渦流，不僅增加了粉塵在除塵器內部的停留時間，阻止了顆粒直接進入濾袋，而且還容易出現二次揚塵現象，增加流動阻力。由圖2(b)可知，高速的氣流使濾袋底部受到長時間的沖刷，濾袋間隙速度波動范圍較大，一方面加劇濾袋的磨損，影響其使用壽命，另一方面也容易引起局部顆粒堆積，導致濾袋內外壓差變化大，降低除塵效率。研究發現，原除塵器局部流速過高，導致其內氣流分布不均勻。

圖2 原除塵器不同截面速度云圖Fig.2 Velocity contours at different view section of the original filters

2.2 布袋除塵器優化

為改善原除塵器流場分布，提出優化方案。方案1是在原除塵器進口處增設開孔率50%、孔徑30 mm的多孔板，不同截面的速度云圖如圖3所示。流體進入除塵器后，由于多孔板的存在，氣流被分流，灰斗處的渦流減小，濾袋截面流場比原來均勻。然而，部分通過多孔板的流體仍然以較大的速度與灰斗壁面發生沖擊，袋室仍存在流場分布不均的情況。

圖3 方案1不同截面速度云圖Fig.3 Velocity contours at different view sectionunder programme No.1

方案1箱體內局部流速仍然過大，流場分布不夠均勻，因此進一步提出方案2。在方案1的基礎上，將進口管改為漸擴型進口管，箱體中增設3塊導流擋板。根據式(2)計算導流擋板高度(h，mm)。此外，漸擴型進口管與水平面夾角為9°。方案2不同截面速度云圖如圖4所示。漸擴型管道擴大了進口截面，流速減小，射流基本消失，對濾袋底部沖擊減小。灰斗底部的渦流消失，避免了二次揚塵。增設導流擋板后，濾袋間隙速度趨于均勻，氣流被較均勻分配到各濾袋。方案2的優化措施可有效改善濾袋流速分布不均的狀況，減少濾袋負荷，有利于提高除塵效率。對比除塵器優化前后，通過增加導流擋板及多孔板，壓力損失由原除塵器的267.0 Pa增大到288.4 Pa，約增加8%。

(2)

式中：d為導流擋板序號；H為進口高度，mm；f為濾袋列數。

圖4 方案2不同截面速度云圖Fig.4 Velocity contours at different view section under programme No.2

2.3 顆粒相運動軌跡

顆粒相在下箱體中運動軌跡如圖5所示。含塵煙氣進入除塵器后，顆粒相在氣流的攜帶下，主要分成兩部分：(1)由于壁面附近氣流較大，沿灰斗側壁面向上發展，多數顆粒流向了靠近灰斗內側的濾袋；(2)顆粒與壁面碰撞后，沿灰斗壁面向下繞流，形成較大的渦流，顆粒沿著渦流向下運動，然后在灰斗近壁面處向上發展，流向靠近進口處的濾袋內。與原除塵器相比，方案2的顆粒相運動軌跡分布更均勻，由于漸擴型進口管、多孔板的存在，顆粒流速降低，對濾袋底部沖擊減小。增設導流擋板后，顆粒與導流擋板發生碰撞，動量減小，不僅減小了對濾袋的沖擊，而且還可以阻擋煙塵，降低二次揚塵帶來的不利影響。顆粒相在氣流的攜帶下，被較均勻地分配到各濾袋，有利于提高除塵效率。綜上所述，優化后除塵器內粉塵在濾袋中分布均勻，保證了孔隙率變化穩定。

圖5 顆粒相運動軌跡Fig.5 Particle trajectories

3 流場均勻性判定

流場均勻性常用均方根(σ)值法來判定，即：

(3)

濾袋內氣流分布評價采用流量分配系數(Kqi)法[20]，即：

(4)

式中：Qi為濾袋i實際處理煙氣體積流量，m3/s；Qmean為袋室平均處理煙氣體積流量，m3/s。

當Kqi在1附近波動時，越接近1表明除塵器內流場分布越均勻，當最大流量不均幅值(ΔKqi)越小，說明除塵器中濾袋間的最大與最小流量分配系數差值越小，即濾袋內流量分配越均勻。本研究采用袋室中各濾袋出口煙氣體積流量表示濾袋實際處理風量。

當過濾風速為1.0 m/min時，優化前后各濾袋流量分配系數如圖6所示。原除塵器內各濾袋體積流量不均勻，σ=0.280，大于0.25說明氣流分布不均勻。優化后，Kqi在1附近波動，ΔKqi由0.48降到0.16，σ=0.095，說明優化后各濾袋內處理風量更均勻，氣流分布更均勻。

4 模型驗證

在數值模擬中，數值模型及求解器參數的選擇對模擬結果的準確性有重要影響，因此需要對模型進行有效性驗證。設定進口速度為8.5 m/s進行試驗，測量原除塵器出口斷面徑向距離上不同位置的氣流速度，并與相同位置上模擬值進行對比，結果如圖7所示。試驗值與模擬值在近壁面處誤差相對較大，這種誤差的產生主要是由模擬時采用了簡化處理的標準壁面函數。但出口氣流速度模擬值與試驗值總體變化規律很接近，均以管道中心為軸基本成對稱分布，結果吻合性較好，因此模擬具有一定可靠性。

圖6 流量分配系數Fig.6 Airflow distribution coefficient

圖7 除塵器出口氣流速度試驗值與模擬值對比Fig.7 Comparison between experimental and simulated values of velocity distribution at the outlet of the filter

對原除塵器進行壓力損失試驗，控制過濾風速為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/min，測得原除塵器的進出口壓力，實測壓力損失與原除塵器處理含塵氣流時模擬壓力損失進行對比，結果如圖8所示。隨過濾風速的增加，原除塵器的壓力損失逐漸增大，產生的能耗也越大，故原除塵器的過濾風速不宜過大。實測壓力損失略大于模擬壓力損失，這是由于試驗中接頭、管道會產生壓力損失；實測與模擬壓力損失吻合性較好，相對誤差最大不超過8.6%，模擬可信。

5 結 論

在過濾風速為1.0 m/min時，原除塵器進口處流速較大，射流使得濾袋磨損嚴重，灰斗處存在渦流，易引起二次揚塵。經改變進口形狀、增設多孔板和導流擋板后，除塵器進口處射流及灰斗處渦流消失，箱體內流場分布均勻，對濾袋底部沖刷減小，顆粒相分配較均勻，保證了孔隙率變化穩定。對比速度分布及壓力損失實測結果，兩者吻合性較好。

圖8 不同過濾速度下除塵器壓力損失數值模擬與試驗結果對照Fig.8 Comparison of simulation and experimental results of the filter pressure loss at different velocities