模塊化袋式除塵器進風管幾何優化研究

中圖分類號 TQ051.8 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）04-0588-07

鉀鹽是國家重要戰略資源，事關糧食生產安全。青海鹽湖工業股份有限公司主要采用“反浮選-冷結晶”和“冷結晶-正浮選\"兩種不同生產工藝，但無論何種工藝，其流程末端均須對離心脫水后的氯化鉀顆粒進行干燥處理。目前，工業氯化鉀干燥主要采用滾筒干燥操作方式，即通過天然氣燃燒產生高溫煙氣，并與產品氯化鉀直接接觸換熱、脫水，干燥尾氣因氯化鉀細顆粒夾帶，進一步通過旋風分離器回收氯化鉀粉塵。但實際工程運行結果表明，旋風除塵效果相對有限，尤其是對數十微米的細小顆粒去除效果較差。檢測可知，經旋風處理后尾氣中氯化鉀粉塵濃度達150～230mg/m³ ，粒徑分布為 10～200μm ，難以達到《化學肥料工業大氣污染物排放標準》排放限值，因此，開發高效末段除塵設備對氯化鉀生產具有重要意義，對相關礦產資源加工冶煉過程的尾氣除塵處理也具有指導意義。

現代除塵技術除旋風除塵外，還包括重力除塵、濕式除塵、電除塵及袋式除塵等，綜合考慮除塵效率、投資成本以及運行費用等因素，袋式除塵是鉀鹽尾氣達標處理的潛在解決方法，也是冶金工業常用的尾氣處理技術之一。袋式除塵器種類較多，根據濾袋形狀可分為梯形、平板型和圓筒形[1，根據尾氣進出方式可分為下進上出式、上進下出式和直通式，根據過濾方式又可分成外濾式和內濾式。以內濾式袋式除塵為例，尾氣從進口流入后，通常經花板分布再進入圓筒形布袋，在尾氣穿透濾布的過程中達到除塵的目的。過濾初期，由于粉塵直徑往往小于布袋織孔孔徑，織孔篩濾效應對粉塵回收貢獻作用較小，主要靠粉塵在織孔空隙架橋形成灰膜，從而提升除塵效率，此時粉塵回收效率大約在 50%～80% ；隨著濾布表層灰膜逐漸堆積，粉塵回收效率逐漸提升，甚至對1 μm 以下的細顆粒也有著很好的捕集回收效果[2]。因此，相較于濾布本身，袋式除塵器運行過程中濾布表面形成的灰膜對粉塵過濾起主要作用。在袋式除塵器長期運行過程中，可能造成袋式除塵器效率降低的主要原因包括灰斗中沉積的粉塵二次飛揚，以及由于顆粒直通、壓出或氣孔造成的濾料穿透。因此，探究除塵器內的流場規律，優化灰斗結構，盡可能地構建均勻流場，有利于袋式除塵器的高效穩定運行。

目前，針對袋式除塵器流體力學已有較多研究報道，相關研究工作既涉及實驗研究，又包括數值模擬[3.4]。趙友軍曾在袋式除塵器內針對8個布袋開展了320個位點熱線風速儀流場監測，并將模擬計算結果與實驗檢測數據進行擬合對比，兩者相對誤差在 -17.9%～17.5% 范圍內，總體流場分布規律較接近，流場模擬結果對實際工程開發應用具有一定的指導意義[5]。AROUSSIA等利用CFD追蹤計算了袋式除塵器內單個濾筒中粉塵顆粒的運動軌跡，并利用PIV實驗測量結果對比驗證了流場結構，有效說明了CFD模擬結果的可靠性，并為過濾過程濾餅形成規律提供了研究依據[。CAGNAM和BOEHLEM利用CFD模擬了粉塵在過濾介質中的流動與沉積過程，并通過實驗驗證了數值模擬結果的正確性[7。鄭輝等采用FLUENT模擬了放置氣流均布板前后的流場分布情況，利用數值模擬技術開展了高效的袋式除塵器結構優化研究[8]。ANDERSENBO等對袋式除塵器脈沖清灰過程開展數值模擬研究，結果表明設備全尺寸三維模型更利于保障模擬計算結果的可靠性。黨小慶等利用CFD方法研究了袋式除塵器箱體內任意斷面的氣流速度大小分布，考察了不同濾袋之間的流量分配，為袋式除塵器分布器結構優化提供了直接依據，并通過增設擋風板有效改進了袋式除塵器不同布袋流量分配的均勻性[10]。HAJEKJ應用CFD方法評估了加入文丘里管結構的袋式過濾器流動性能，并通過實驗對比驗證了CFD方法的實用性[1]。阮競蘭等采用數值模擬對比分析了不同直徑顆粒在上進風、下進風兩種袋式除塵器中的運動特征，發現下進風設計形式可有效減少除塵器二次返濾現象，但除塵器內部氣流的均勻性仍有待提升[12]。

青海鹽湖工業股份有限公司前期針對鉀鹽尾氣排放問題，在旋風除塵后耦合新建了袋式除塵器作為二級除塵，并基于袋式除塵工藝改進解決了冬季低溫條件下的布袋結露等工程技術問題。考慮到實際工業生產處理需求與袋式除塵器處理能力，實際袋式除塵器采用模塊化布置方案，即采用模塊化分倉設計，可以在連續生產下，對單模塊停車檢修，從而減少系統停工期。相關工程實踐結果表明，在模塊化分倉設計前提下，不同除塵倉室的含塵氣體的分配顯得尤為重要，不均勻的進氣分配容易造成不同倉室處理負荷差異，導致部分倉室檢修周期短、檢修頻次高等問題，特別是在檢修過程中發現，受高負荷運行狀態影響，部分倉室除塵箱角落布袋頻繁破損，因此，模塊化袋式除塵器的進氣分配均勻性對其長周期穩定運行存在影響。針對袋式除塵器氣流分配問題，趙友軍曾利用CFD設計了除塵器鈍體內構件，并通過優化相關參數而有效提高了流場分布的均勻性[5]。THOMASWCP等在對袋式除塵器的除塵效率研究中，認為進氣口的布局對除塵效率影響較大，并利用FLUENT模擬對比分析了4種可能的入口布局形式，發現采用雙入口、中心對稱式的進口布局更利于流場均勻性，在提高除塵器效率的同時能有效延長布袋使用壽命[13]。然而相關研究均聚焦于單個袋式除塵器內部布袋間的流場均勻分配，對于模塊化裝置中不同袋式除塵器單元間的氣體均勻分配卻鮮有相關的研究報道。

基于此，針對青海鹽湖工業股份有限公司鉀肥生產模塊化袋式除塵器開展進風管幾何優化研究，以提高進風風量分配的均勻性。設計了帶新型魚嘴式分布擋板矩形截面進風管，采用計算流體力學對其內部的氣相流場進行了模擬分析，明晰了新型進風管內流場規律，并圍繞進風管的風量分配性能與原有圓形截面進風管進行了對比，分析了截面幾何形狀、截面積大小對除塵器不同模塊進氣分配均勻性的影響，并在青海鹽湖工業股份有限公司尾氣處理產線上進行了工程應用實踐。

1進風管數學模型

1.1進風管物理模型與網格劃分

袋式除塵器共包含14個除塵模塊，全部由主進風管進行進氣分配，根據模塊化除塵器裝備布置，進風管采用梯度變徑設計，主要包括1個進風口、14個出風口。幾何優化研究主要考察了矩形截面和圓形截面兩種進風管的風量分配性能，氯化鉀尾氣處理實際運行負荷為 320000m³/h ，進風管總長為 35.48m ，進風口截面積恒定為4.50m² ，其中矩形進風管截面長 3.00m ，寬1.50m ，圓形進風管截面直徑 2.39m ，出風口依次成對排列在主風管下側，每對出風口之間間距為4.01m 。矩形截面進風管采用分氣魚嘴擋板連接設計，而圓形截面進風管采用對稱的同心圓變徑設計，以此達到梯度變徑的效果，變徑比例范圍在0.70～0.90之間。進風管幾何建模采用SpaceClaim軟件，其相應物理模型如圖1所示。

圖1 不同截面形狀進風管道的幾何模型

矩形截面和圓形截面的進風管幾何模型結構均較為規整，存在結構化網格劃分的可行性，故模型采用ANSYSICEM軟件進行六面體網格離散。同時，考慮到出風口流場速度梯度相對較大，故而對出風口網格進行局部加密。經網格無關性驗證后，圓形截面進風管和矩形截面進風管的網格總數分別為1132600和1776705，不同截面進風管的整體網格劃分效果如圖2所示。

圖2 不同截面形狀進風管的網格劃分

1.2 模型控制方程

袋式除塵器內部流體為帶粉塵顆粒的尾氣，由于粉塵濃度僅為 150～230mg/m³ ，且粉塵顆粒尺寸小，約為 10～200μm ，由此可忽略粉塵對除塵器內部氣體流動的影響，故采用單相流模型簡化。CFD單相流模型控制方程主要包括質量守恒與動量守恒方程，即連續性方程和納維-斯托克斯方程，具體形式為：

式中 g^* 重力加速度；p 壓力；人 時間；u （2號 流體速度；ρ 流體密度；τ 切應力。

進風管內部流動實際處于湍流狀態。以脈動速度為代表的不規則性是湍流的主要特征之一，即湍流狀態下的流體速度 u 由時均速度 Π_u^- 和脈動速度 u^′ 加和構成，即：

將式（3）代人瞬態Navier-Stokes方程，并進行時均化處理可獲得相應的雷諾方程，雷諾方程相比Navier-Stokes方程多了一個應力項，在湍流模擬過程中，必須通過湍流模型加以封閉才能求解。

1.3 湍流模型

目前關于雷諾應力項的封閉仍以半經驗理論模型為主，主要包括渦黏性模型和二階矩模型兩大類，其中，應用最為廣泛的當屬 k-ε 兩方程系列模型及雷諾應力模型。其中，Realizable k-ε 模型考慮了旋轉和曲率問題，能應對應變率特別大的情況，尤其對于分離流、二次流等特征流動的模擬，具備更高的模擬計算精度，因此，進風管的湍流模擬直接采用Realizable k-ε 模型。

k-ε系列模型的理論基礎是Boussinesq假設，即以湍流黏度將雷諾應力和平均速度梯度相關聯，湍流黏度 則通過湍動能k和湍流耗散率ε計算，即：

Realizable k-ε 模型與Standard k-ε 模型、RNGk-ε 模型最大的不同在于其中的系數 C_μ"并不是一個常數，而是應變率和旋轉速率的半經驗函數，而湍動能k和湍流耗散率 ε 通過各自的輸運方程進行計算，即：

其中，t表示時間， ?_S 表示流體密度， u 表示流體速度 ，μ 表示流體黏度， 為湍流黏度， G_k，G_b 表示分別由速度梯度和浮力作用引起的湍動能， σ_k?σ_ε 分別對應湍動能k和湍流耗散率 ε 的Prandtl數，C_1ε?C2 為常數，其值分別為1.44和1.90。

1.4邊界條件與數值求解

進風管模擬流體介質為空氣，進風管人口采用速度入口邊界，其設定速度值依據進風負荷和進風口截面積計算獲得。進風管出口采用壓力出口邊界，由于除塵器各個模塊均為獨立操作單元，故不同出口均設置相同的出口壓力，即表壓為0，所有壁面均采用無滑移邊界條件，并應用標準壁面函數。數值離散采用二階迎風格式，壓力與速度耦合采用SIMPLE計算方法，模型計算收斂標準為 10^-3 。模型采用ANSYSFLUENT軟件進行非穩態模擬，即采用有限體積法進行求解，時間步長設置為0.01s，以滿足Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）條件，并通過取樣點流量統計確定模擬結果是否達到穩態。

2 結果與討論

2.1 進風管內部流場結構

進風管的風量分配主要取決于管內的流場結構，因此，首先對設計的新型矩形截面進風管內關鍵流體力學物理量進行了討論分析。圖3為矩形截面進風管內的壓力分布云圖，從圖中結果可以看出，進風管主管壓力分布整體較為均勻，其中分氣魚嘴擋板處存在局部壓力增大，這為主體氣流提供一定的徑向流動推動力，推動了軸向運動的主體氣流從各出口流出至除塵模塊。與此同時，壓力云圖顯示進風管出口附近的壓力變化梯度較大，且存在局部負壓區，容易造成打旋、回流等流體行為。

圖3矩形截面進風管內壓力云圖

圖4a為進風管其中一對出口截面的壓力云圖，從出口截面的壓力云圖可以看出，成對的兩個出口壓力分布結果相似，沿氣體主流動方向，存在壓力由低到高的漸變過程，即圖中出口壓力從左至右逐漸升高。同時，出口管道上游邊緣均在局部負壓區，但負壓區整體所占面積較小，且負壓值相對較弱，結合進風管軸向截面壓力云圖，氣流被倒吸入主風管的概率較小，對主風管流動影響有限。圖4b為進風管出口處的流體速度矢量圖，圖中結果表明，由于負壓區的存在，進風管出口處出現回流區和局部氣流打旋現象。

圖4矩形截面進風管出口處壓力云圖與速度矢量圖

圖5為進風管軸向截面速度云圖、矢量圖和跡線圖。對比圖3與圖5a可以發現，進風管內速度場云圖結果與壓力場云圖分布形態相似，整體速度分布較為均勻，僅在進風口末段，由于尾端的封閉作用，使得氣體流速有較為明顯的衰減。同時，圖5b表明，主風管末段出口的回流與打旋作用相對其他出口較弱，這主要由于主風管末段氣速明顯降低，慣性力較弱，出口速度與壓力分布相對較均勻，因此，出口的回流與打旋作用相對較弱。圖5c為進風管道軸向截面的流體跡線圖，從圖中結果可知，靠近出口側的氣體將優先從上游出口流出，整體氣流從入口逐步分配至各個出口，進入各除塵模塊。在此過程中，進風管魚嘴設計使得出口風量存在逐級逐層的分配過程，是影響風量分配均勻性的關鍵結構設計，相比于逐級同心圓設計更具優勢。

圖5矩形截面進風管速度云圖、矢量圖與跡線圖

2.2 進風管截面幾何優化

從進風管入口側開始對成對的出口管道進行編號，對比矩形和圓形截面幾何條件下各出口對的氣體流量占比，其結果如圖6所示。圖中結果顯示，進風管采用圓形截面設計時，沿尾氣主流動方向，出口氣體流量占比整體呈現逐步上升趨勢，其變化范圍介于 12.36%～18.23% 之間，與完全平均分配的占比值 14.29% 相比，其最大相對偏差達 27.57% ，標準偏差為 2.05% 。相比較而言，矩形截面進風管的各出口流量分配整體較為均勻，不同出口流量占比介于 13.64%～15.80% 之間，接近于完全平均值 14.29% 。具體而言，編號1～5的前5對出口流量占比基本恒定，其值介于 13.64% ）14.17% 之間，與理論平均值的相對偏差均小于5% ，主風管末段的氣體流量占比則呈現出較為明顯的升高趨勢，末段編號6和7的出口流量占比分別達到了 14.64% 和 15.80% ，但與理論平均值的最大相對偏差仍控制在 10.57% ，具備優良的風量分配性能。矩形截面進風管的各出口流量占比的標準偏差為 0.68% ，相比于圓形截面進風管，其風量分配的均勻性得以明顯提高，有利于延長模塊化除塵器的反吹與維護周期。

圖6 不同截面形狀下的進風管出口流量分布

由相關流場結構可知，由于主風管內流體慣性，對出口流量分配存在潛在影響，甚至于出風口處存在一定回流，因此，在前述基礎上，進一步通過增加矩形風管截面積降低主風管氣體流速，以此降低流體慣性，進一步提高進風管的風量分配性能。在保持主體結構與進風負荷不變的情況下，對進風管截面進行等尺度比例放大，不同截面積條件下的出口流量分配結果如圖7所示。由圖中結果可知，當矩形截面積放大一倍至 9.0m² 時，沿氣體主流動方向，各出口的流量占比逐漸增大，但分配均勻性得以明顯提升，不同出口的流量占比變化介于 13.72%～14.89% 之間，與完全平均分配占比值 14.29% 相比，其最大相對偏差進一步降低至 4.20% ，標準偏差降低至 0.43% ，即增大主風管截面積有利于進一步縮小模塊化除塵器之間的除塵負荷差異。但當截面積放大至13.5m²"時，進風管風量分配的平均性未見進一步的改善，如圖7所示，其結果與截面積 9.0m²"時基本相同，不同出口的流量占比變化范圍為 13.81%. ）14.81% ，相對偏差 0.35% ，即進一步增大截面積時，主風管風量分配均勻性能提升相對有限，而增加進風管截面積意味著更大的加工制造成本，因此，結合經濟性而言，進風管截面積存在最優值。

圖7不同截面積下的矩形進風管出口流量分布

基于上述研究，筆者設計了帶分氣魚嘴擋板的矩形截面進風管，并應用于青海鹽湖工業股份有限公司鉀肥分公司干包車間4#尾氣袋式除塵系統。該系統的煙氣處理負荷為 320 000m³/h ，袋式除塵器共分為14個模塊，進口煙氣含塵濃度約為 200mg/m³ ，運行后尾氣粉塵濃度降低至15.9g/m³ ，清灰周期提高至 ^4h ，并實現了長周期穩定運行。

3結束語

針對鹽湖鉀鹽礦產資源開發干燥尾氣模塊化袋式除塵技術需求，開發了帶魚嘴式分布擋板的矩形進風管。計算流體力學分析結果表明，魚嘴式分布擋板的矩形截面設計使得擋板附近存在局部相對高壓區，對主體氣流產生徑向推動力，導致進風管出口風量存在逐級逐層的分配過程，有利于出口風量分配的均勻性。相同截面積條件下，相比于傳統圓形截面進風管，新型帶魚嘴式分布擋板矩形進風管不同出口處流量占比的標準偏差從 2.05% 降低至 0.68% ，出口流量占比與理論平均值的最大相對偏差從 27.57% 降低至 10.57% ，風量分配的均勻性得以明顯提升。增矩形加進風管截面積有利于進一步提升風量分配的均勻性，優化條件下不同出口處流量占比的標準偏差 0.43% ，最大相對偏差僅4.20% 。相關研究成果應用于百萬噸級鉀肥生產線袋式除塵系統，長周期運行的尾氣顆粒粉塵濃度降低至 15.9g/m³ ，清灰周期提高至4h。

參考文獻

[1］張櫻.袋式除塵器數值模擬研究[D].北京：華北電力大學，2013.

[2]王尚元，何愛玲.淺析袋式除塵器除塵機理與清灰機理及方式發展史[J].中國科技博覽，2016（3）：301.

[3］李萌萌.基于CFD對袋式除塵器流場的數值模擬分析[D].武漢：武漢科技大學，2010.

[4］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.

[5]趙友軍.袋式除塵器內部流場分布試驗測試及數值模擬研究[D].上海：東華大學，2008.

[6]AROUSSI A，S IMMONSK，PICKERINGS J.Particu-late deposition on candle filters[J].Fuel，20o1，80（3） ：335-343.

[7]CAGNA M，BOEHLE M.Application of CFD methodsforthe simulation of the flow through a filter in de-pendency of the operating time[J].Fluids EngineeringDivision Summer Meeting，2002，257：1013-1017.

[8]鄭輝，芮曉明，常連生.袋式除塵設備氣流分布的數值模擬[J].現代電力，2005，22（3）：46-49.

[9]ANDERSEN BO，NIELSEN NF，WALTHERJH.Nu-merical and experimental study of pulse jet cleaningin fabric filters[J].Powder Technology，2016，291：284-298.

[10]黨小慶，高蕊芳，馬廣大，等.直通式袋式除塵器氣流分布數值分析[J].環境工程，2007，25（4）：38-40;55.

[11]HAJEK J.Computational fluid dynamic simulations inthermal waste treatment technology—Design，optimi-sation and troubleshooting [J].Energy，2008，33（6）：930-941.

[12]阮競蘭，張雙，張海紅.基于Fluent對袋式除塵器氣流流場的數值模擬[J].河南工業大學學報（自然科學版），2015，36（4）：16-19.

[13]THOMASWCP，FELIPEBM，FABIOARP，etal.Theinfluence of the fabric filter layout of ina flowmassfiltrate[J].Journal of CleanerProduction，2016，111：117-124.（收稿日期：2024-09-12，修回日期：2025-07-18）

Geometric Optimization Study of the Blast Pipe of a Modular Baghouse

TANHHai-ying'， ZHANG Xi-yal， ZHAO Ning¹ ， ZHANG Guo-yu1，CHENHang2， SONG Xing-fu

（1.QinghaiYanhu IndustryCo.，Ltd.;2.NationalEngineeringandTechnologyResearchCenterforComprehensive Utilization of SaltLakeResources，EastChina UniversityofScienceand Technology）

AbstractAiming at the demand of air distribution technology of modular baghouse in mineral resources development，a rectangular section blat pipe with fishmouth distribution bafle was developedand the internal flow field structure of the new blat pipe was analyzed，including both shape and size’s influence of the cross-sectional area of the blast pipe on its air distribution performance.The relevant results show that，the rectangular section blast pipe with the new type of distribution bafle has better air volume distribution effectthan the traditional circular section blast pipe.Under the condition of the same cross-sectional area， the standard deviation of the proportion of different outlet flows can be reduced from 2.05% to 0.68% ，and the maximum relative deviation from the theoretical average can be reduced from 27.57% to 10.57% .With the increase of the cross-sectional area，the average distributionofflowat different outlets of the blast pipe shows atrend of being increased first and then being stabilized.At the optimal conditions，the standard deviation of the proportion of flowat different outletsis 0.43% ，and the maximumrelative deviationis 4.20% The related research results applied to the baghouse system of the millon-ton-level potash production line has an excellent operation effect.

Key Wordsbaghouse，blast pipe，geometric optimization，distribution uniformity，CFD