長袋離線脈沖除塵器艙室流量分布的研究

摘 要：在環保工程實際中，隨著大型袋式除塵器過濾面積的增加或過濾艙室數量的增加，設計人員擔心各艙室的流量分配會存在不均的情況。為探討這一問題，利用計算流體力學（CFD）仿真軟件，結合試驗數據，對單臺總過濾面積6 880 m2的長袋離線脈沖除塵器流量分布特征進行分析，通過關鍵切面氣流速度分布圖和各艙室過濾煙氣質量流量的比較，計算出除塵器離線分室清灰條件下各艙室煙氣流量的分配狀況，得出各艙室間煙氣流量分配存在明顯的差異性，尤其是靠近進氣口兩側艙室煙氣流量明顯低于平均值，而且中間艙室清灰后過濾風量波動偏大?；诖?，提出通過設定合理的運行壓差和調節離線控制閥的開啟速度，有效實現氣流均勻分布，減緩過濾風量波動的影響，為袋式除塵器的改進和設計提供了參考。

關鍵詞：袋式除塵器;離線清灰;提升閥;運行壓差;氣流分布;過濾風量

0? ? 引言

長袋離線脈沖除塵器（LDBF）是國內較早使用的袋式除塵器結構形式之一，廣泛應用于鋼鐵、水泥、電力等領域。長袋離線脈沖除塵器一般由若干個大小相等的艙室組成，采用離線分室清灰方式，即依次逐一對除塵器各艙室進行清灰，其清灰頻率主要由時間和壓差兩種模式控制。

隨著袋式除塵器的大型化，單臺袋式除塵器的過濾面積也日益大型化，為滿足過濾效率和清灰效果，多采用分割若干艙室的方式，分別進行離線清灰。離線袋式除塵設備，大多為雙列艙室布置，根據處理風量，設計不同數量的艙室，由于艙室數量的增加，除塵器設備長度也會隨之變長，以處理200萬工況煙氣量的除塵器為例，過濾面積超過3萬m2，由30個艙室組成，設備總長度超過60 m，設計中存在擔心除塵設備過長，各艙室處理風量是否均勻，局部過濾風速過大，影響濾袋壽命，以及是否會存在尾部艙室過濾風量明顯偏少等諸多問題。

直接對大型設備做半工業試驗，缺少與大型除塵設備相應的試驗模型，隨著CFD仿真技術的發展，應用流體力學對流體機械設備進行設計評估優化成為可能[1-2]，一方面可以預判設計中存在的問題，另一方面大大降低了時間和經濟成本，增加了設備研發的靈活性和可變性。

另外，袋式除塵器結構龐大[3]，設備復雜。長期以來，利用CFD技術對袋式除塵設備的研究，主要采用減少過濾面積、簡化濾袋形狀或局部模擬等方式簡化大型袋式除塵器內部流場的計算，模型過于簡化不利于真實反映大型袋式除塵器的流場特征，本文將利用1：1比例對LDBF型長袋離線脈沖除塵器建模，能夠很好地反映計算結果的準確性和可靠性。

1? ? 模型及邊界條件

1.1? ? 物理模型

模擬對象為LDBF型長袋離線脈沖除塵器，包括10個艙室，呈雙列布置（圖1）。煙氣由入口1經中間進氣煙道，由兩進風支管（圖2）進入各過濾艙室4的濾袋3表面過濾凈化，凈化后的氣體由上箱體經凈氣閥口6匯集到出風總管，由出口7進入風機再經排氣筒外排。

本文以除塵器整體按實體1：1建立計算模型，尺寸32 000 mm×

24 000 mm×14 000 mm，1 680條濾袋，均勻分布在10個艙室?？傔^濾面積6 880 m2，濾袋規格?163×8 000 mm，過濾艙室沿進氣方向濾袋編號依次為01～05和06～10兩列，如圖3所示。

1.2? ? 數學模型

1.2.1? ? 流場數學模型

煙氣在袋式除塵器內部的運動可以看作復雜的三維氣固兩相流動[4]。模型采用SIMPLE算法，氣相流動采用k-ε紊流模型[5]，顆粒相采用拉格朗日離散相模型（DPM）。顆粒在Lagrangian坐標系下的運動方程為：

=FD（u-up）++Fx

式中，FD（u-up）為顆粒單位質量曳力;Fx為顆粒加速周圍流體所需要的力。

FD=Fx=（u-up）

式中，u為連續相速度;up為顆粒速度;μ為流體粘性系數;ρ，ρp分別是空氣與顆粒的密度;Re為顆粒雷諾數，定義為Re=;阻力系數CD=α1++，其中α1、α2、α3為常數，由光滑球顆粒實驗給出;Dp為顆粒直徑，符合rosin-rammler分布，大于粒徑d的顆粒質量分數為MD=exp-

n，其中d為中位徑，n為顆粒尺寸分布指數[6]，中位徑d=20 μm，尺寸分布指數n=3。

1.2.2? ? 濾袋數學模型

濾袋采用多孔跳躍介質邊界條件[7]，并忽略流體穿過濾袋時的內部阻力項[8]，得：

ΔP=vδ

式中，μ為流體動力粘度（Pa·s）;α為滲透率（m2）;v為垂直于介質表面的速度分量（m/s）;δ為濾袋及其表面粉塵層構成多孔介質濾層厚度（m）。

δ由濾料厚度δf和其表面粉塵厚度δs組成，即δ=δf+δs。其中δs=W/ρ，W為粉塵負荷（g/m2）;ρ為粉塵堆積密度（g/m3）。

滲透率α由實驗得出，本文濾袋邊界條件僅考慮濾袋表面粉塵負荷的正常過濾態和清灰后兩種狀態。

1.3? ? 初始邊界條件及求解

流體參數：不可壓縮空氣，溫度150 ℃，密度0.87 kg/m3，動力粘度2.15×10-5 Pa·s。進口為壓力入口，出口為速度入口邊界條件。

顆粒相參數：密度1 300 kg/m3;固體壁面取為彈性反射面（reflect），出口設為逃逸面（escape），濾袋則為收集面（trap）。目標收斂殘差10-5。

2? ? 模擬結果與分析

2.1? ? 清灰前流場特征

如圖4所示，煙氣以15 m/s的速度進入中間煙道，通過連接在各艙室的進氣彎頭進入各艙室，經過導流片的分流進入濾袋過濾（圖5），然后凈化后的煙氣經各艙室控制閥口匯集到凈氣煙道從出口排出，可以看出各閥口的煙氣出流速度沿出口煙道方向依次減少（圖6），各濾袋口出流速度相對均勻，如圖7所示。

為進一步比較各艙室處理風量的差異性，引入流量分配系數，表示每個艙室實際處理氣體流量與平均處理氣體流量的比值記作Ki，用下式表示：

Ki=Qi/Qmean（i=1，2，3，…）

式中，Qi為第i排濾袋實際處理氣體量（kg/s）;Qmean為濾袋平均處理氣體量（kg/s）。

最大不均勻幅值ΔKmax=Kmax-Kmin。

通過模擬新濾袋和正常過濾的兩種不同透氣狀態，對比分析兩種狀態下各艙室過濾風量的差異性。

如圖8所示，兩種不同狀態下均可以看出，各艙室之間過濾分配系數整體在0.85～1.12，并沿入口至出口方向依次增大，靠近入口兩側的艙室01和06過濾風量明顯低于平均值，而靠近出口的艙室10過濾風量最大。

一方面，由于袋式除塵器設備運行阻力主要是濾袋的內部阻力[9]，可以認為艙室過濾風量的多少與艙室進口與控制閥出口之間的靜壓差有關，煙氣以較高的速度用射流的方式進入煙道，具有較高的動壓，同時周邊的靜壓偏低，當氣流遇到箱體壁或擋板的阻擋后動壓減小、靜壓增大，造成了進氣煙道內靜壓分布沿進口方向逐漸增大，出口煙道靜壓分布與進口煙道則相反，所以艙室之間進口與控制閥口之間的靜壓差沿入口至出口依次增大，也就造成了圖8顯示的各艙室過濾分配系數分布的差異。

另一方面，根據氣流總是沿阻力最小的路徑流動的原理，隨著過濾的進行，原處理風量大的濾袋過濾風速會逐漸降低，而處理風量小的濾袋過濾風速逐漸增大，艙室之間過濾風量逐漸趨于平衡。

2.2? ? 離線清灰條件下流場的基本特征

離線清灰時，被清灰的艙室凈氣出口提升閥關閉，該艙室離線，切斷煙氣進入該艙室。清灰后，凈氣提升閥打開，該艙室恢復工作。

按照單個艙室（圖9）和兩個艙室同時離線清灰兩種狀態分析各艙室流量分配系數。01、03、10單獨清灰和01、10同時清灰的流量分配系數如圖10所示，可以看出對比離線前，不論是單個還是兩個艙室離線后，艙室過濾風量均為零，其他艙室流量分配系數均同步增大，風量被平均分配到各艙室，但靠近入口兩側的艙室01和06流量分配系數仍然最小，在0.85～1.2，但整體過濾風量較為均衡。

分別選取艙室03、05、06、08、10離線清灰，當對應控制閥完全打開時，各艙室流量分配情況如圖11所示?？梢钥闯鰧Ρ入x線前，清灰后的艙室流量分配系數增大比較明顯，其他艙室同步減小，但靠近出口的艙室05和10流量分配系數增加最大，艙室01和06流量增加較小。

通過對比分析上述幾種情況各艙室流量分配系數的變化可以看出，不論哪種情況，除塵器末端即靠近出口兩側的流量分配系數最大，而靠近入口兩側流量分配系數最小，而且清灰后流量系數的波動也類似。

3? ? 結論及建議

（1）LDBF型長袋離線脈沖除塵器正常過濾狀態或離線清灰下，各艙室濾袋過濾風量相對均勻，也沒有出現設計人員所擔心的除塵器長度過長導致尾部艙室過濾風量偏小的情況。事實恰恰相反，靠近入口兩側的艙室過濾風量明顯小于平均值?？稍诳拷肟谔師煹纼仍黾舆m當導流裝置，均衡各艙室流量分配。

（2）單個或兩個艙室離線清灰狀態下，其余各艙室濾袋過濾風量增加幅度相當。

（3）離線清灰后的艙室，由于濾袋透氣強度增加，再次過濾時過濾風量出現明顯增加。建議根據艙室位置的差異分別設置離線控制閥的不同啟閉速度和順序。

（4）為避免清灰前后流量分配的不均勻系數增大，可在系統允許的前提下適當延長清灰周期和提高運行壓差。

[參考文獻]

[1] DEDERING M，STAUSBERG W，ILIEV O，et al.On new Challenges for CFD Simulation in Filtration[C]// Proceedings of World Filtration Congr-

ess，Leipzig，2008：45.

[2] 黨小慶，施勇，馬廣大.電-袋復合除塵器性能對比工業試驗研究[C]//全國袋式除塵技術研討會論文集，2009：77-80.

[3] 王以飛.大型袋式除塵器流場的模擬分析與應用[D].上海：東華大學，2010.

[4] CHEN Y S，HSIAU S S.Influence of filtration super-

ficial velocity on cake compression and cake formation[J].Chemical Engineering and Processing： Process Intensification，2009，48（5）：988-996.

[5] 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6] WEIR G J，WHITE S P.Surface deposition from fluid flow in a porous medium[J].Transport in porous Media，1996，25（1）：79-96.

[7] KAVOURAS A，KRAMMER G.A model analysis on the reasons for unstable operation of jet-pulsed filters[J]. Powder Technology，2005，154（1）：24-32.

[8] SIMON X，CHAZELET S，THOMASA D，et al.Experimental study of pulse-jet cleaning of bag filters supported by rigid rings[J].Powder Technology，2007，172（2）：67-81.

[9] WANG Y F，LIU L，SHEN H G.Simulation of Large-scale Bag Filter[C]// 2010 4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering（CBBE）， 2010：7299-7302.

收稿日期：2020-04-15

作者簡介：王以飛（1982—），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：流體分離技術與專業設備。