袋式除塵器流場模擬與結果分析

汪倩玉

摘 要：以混凝土攪拌站袋式除塵器為研究目標，在solidworks中建立袋式除塵器的三維實體，利用fluent流體分析軟件對內部流場進行數值模擬，得到其內部的速度、壓力以及流體軌跡等參數分布，來探究影響除塵器使用壽命的因素，為袋式除塵器的優化提供理論支撐。

關鍵詞：袋式除塵器;流場;數值模擬;Fluent

中圖分類號：X513 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-112-03

Flow field simulation and result analysis of bag filter

Wang Qianyu

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Hydropower，Henan Zhengzhou 450045）

Abstract：Taking the bag filter of concrete mixing station as the research goal， the three-dimensional entity of bag filter is built in solidworks， and the internal flow field is numerically simulated by fluent fluid analysis software to obtain the internal velocity， pressure and fluid trajectory. Parameter distribution to explore the factors affecting the service life of the dust collector， providing theoretical support for the optimization of the bag filter.

Keywords： Bag filter; Flow field; Numerical simulation; Fluent

CLC NO.： X513 ?Document Code： AArticle ID： 1671-7988（2020）04-112-03

前言

混凝土攪拌站是城市建設過程中粉塵排放的重要源頭，混凝土設備在拌和過程中，由于其原材料含有砂石骨料以及粉料，不可避免的會出現粉塵泄露問題，對現場操作人員身體健康以及經濟效益產生負面影響。因此環保型混凝土攪拌站必須配有可靠的除塵系統來有效控制粉塵排放。袋式除塵器是利用氣固分離原理過濾氣體中的顆粒物，對工作環境要求極低，其核心部件——濾袋，除塵效率高，經濟實用。

袋式除塵器內部流場分布不均勻，容易出現極個別濾袋破損的問題，針對這一現象，嚴重降低氣流運動阻力，除塵效率也隨之降低。基于此現象，本文對實際工況下袋式除塵器的內部流場進行數值模擬，探究濾袋破損原因。

1 數值模擬

1.1 袋式除塵器原理

袋式除塵器的工作原理是當含塵氣體從進風口進入后，一部分粉塵由于自重作用散落在灰斗內，另一部分的氣體被濾袋阻攔，附在濾袋表面。當粉塵積攢到一定厚度后，濾袋的滲透率下降，氣流的擾動又會使表面的粉塵脫落。當灰塵內的粉塵積攢到一定量后，下方泄壓閥開啟，粉塵可以再次回收利用。

1.2 建立模型與網格劃分

幾何模型參照MC-64袋式除塵器1：1在SolidWorks進行建模，見圖1，整個模型進行簡化，只對流場進行模擬，分為進口、出口、上箱體、箱體、濾袋、灰斗共六大部分。濾袋排布情況為8列×6排，整體模型尺寸長寬高為1890×1678×3367mm，入出口為圓柱體，截面直徑300mm?；叶犯叨葹?00mm，拔模角度25。中箱體高度2000mm，設置6排濾袋，每排8個，濾袋直徑120mm，高度2000mm。

本文采用結構與非結構網格共同劃分的方式^[1]，其中濾袋和箱體部分采用非結構化網格，其余部分采用結構化網格。

1.3 控制方程

將進風口空氣看做是不可壓縮氣體，利用Fluent仿真軟件模擬袋式除塵器時，關于模型的選取，Bourdin^[2]等研究學者采用標準k-ε和realizable k-ε模型進行計算，與實驗結果對比后發現前者比后者得出的結果誤差更小^[3]。因此本文選擇標準湍流模型進行模擬，速度與壓力耦合方式為simple算法?？刂品匠逃羞B續性方程，動量守恒方程，湍動能k方程和耗散率方程。具體的控制方程如下。

（1）連續性方程：

（2）動量守恒方程：

（3）湍動能方程：

（4）耗散率方程：

各項參數的具體含義參見文獻^[4]。

1.4?邊界條件設定

袋式除塵器內部是極其復雜的三維流場， 模擬工況溫度T= 155℃的含塵氣體，密度ρ=0.815kg/m³，為方便計算與快速收斂，采用 SIMPLE算法，本研究對邊界條件進行最大程度的簡化：

1.4.1 進出口邊界條件

進口采用速度入口，進口速度設置為常數，出口設置為壓力出口，湍流強度與水力直徑設置為2.25%和300mm。

1.4.2 濾袋邊界條件

本文選用多空跳躍模型來定義濾袋，該模型能夠模擬已知速度和壓降的具有一定厚度的薄膜其滲透率為1.71xE- llm2，厚度為1mm，壓力變化滿足達西定律。

1.4.3 壁面邊界條件

除塵器箱體及濾袋下方定義為無滑移壁面，XYZ三個方向的速度分量為0。

2?模擬結果與分析

2.1?速度分布

按照上節邊界條件設置對袋式除塵器進行數值模擬，選取ZX截面得到各截面上的速度云圖以及速度矢量圖。

由圖2到圖5可知，當含有粉塵的氣體以8m/s的速度單口直入進氣口時，進口和出口的氣流速度較大，約為9.7m/s～ 10.4 m/s。氣流進入灰斗，由于流動截面積突然增大，X方向出現明顯的射流現象，湍流強度增大。射流長度超過灰斗半長以后，速度逐漸降低。后壁面較之前壁面，風速較大，對濾袋下端造成很大沖擊。一部分含塵氣流沿壁面上升，另一部分氣流沿后壁面下降，在灰斗內形成回流和渦流。部分回流沿前壁面上升，并與入口射流相碰撞，使射流方向向上發生偏移，造成二次揚塵，影響粉塵自重下落，同時嚴重磨損濾袋底部以及靠近后壁面的濾袋，降低其使用壽命。含塵氣體通過濾袋后進入上箱體流通面積的迅速減小使得出口的風速達到最大值。

從圖5壓強分布云圖可以看出，濾袋部分引起的壓力損失最大，其它結構引起的壓降較小。壓強在最大在灰斗后壁處。濾袋壓強的分布不均勻，中部的壓強比要比外周濾袋的壓強大。較大的壓強會使濾袋表面組織纖維松散，除塵器若長期保持這種工作狀態，濾袋表面會出此案針刺小洞，引起粉塵的泄露。

2.2 濾袋質量流量分析

在進行模擬的過程中，在濾袋的下端設置監測點，觀測進入個濾袋的質量流量，檢測各個濾袋的質量流率能夠真實反映出除塵器內部的氣流分布情況，具體數值見圖6。從圖中可以看出，濾袋的質量流率與其位置有很大關系，處于箱體中部的濾袋質量流率比兩端稍大，這與進風口位置有關。進風口處在對稱位置處，距離中部濾袋的位置近，射流的作用也會使質量流率增大。每排第一個濾袋的質量流量是最大的，往后開始減小。其中第五排第一個濾袋的數值最大，為0.0094364742kg/s。

3 改進建議

含塵氣體在除塵器內部流動速度具有不均勻性，其速度變化范圍較大，進風口的射流是由于流動面積突然增大造成的，會磨損濾袋下端，因此可以在濾袋下端設置導流板來改善進風口射流的現象，降低對濾袋的沖擊作用。

除塵器內部的壓力場也具有不均勻性，導致不同濾袋過濾效率不同，若增加進口直徑改善射流現象又會受到實際工況進口的限制。因此今后的研究可以考慮改變進口位置，增設導流板來優化袋式除塵器。

4 結論

本文以MC-64袋式除塵器為原型進行流場模擬，得出主要結論如下：

（1）含塵氣體流速以及壓強分布在除塵器內部就有不均勻性，由于進口的射流作用，導致后壁面濾袋磨損嚴重，影響其使用壽命。

（2）針對進口射流現象，提出在濾袋底部增設導流板，改變進口位置的建議來降低濾袋底部的磨損。

參考文獻

[1] 齊曉娟，李鳳瑞，周曉耘.電除塵器進口矩形煙道氣流分布改進的CFD模擬[J].環境工程學報，2011，5 （2）：404-08.

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[3] B.T.，J.L.，Effect of aggregate storage piles configuration on dust emissions.[J].Atmos. Environ.，2007.41： 360-368.

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[5] 柴旭昇.袋式除塵器氣流均勻性及優化的數值模擬研究[D].衡陽：南華大學.2015.

[6] 李為浩.直通式下進風袋式除塵器內流場研究及結構優化[D].太原：太原理工大學.2016.