袋式除塵器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬研究

張廣朋, 袁竹林

(東南大學能源與環(huán)境學院,南京 210096)

袋式除塵器是利用有機纖維和無機纖維編織物制作的袋式過濾元件將含塵氣體中固體顆粒物濾出的高效干式除塵設備,它用于捕集非黏結性、非纖維性的工業(yè)粉塵,具有除塵效率高、運行穩(wěn)定可靠、結構簡單及可處理高濃度的含煙塵氣等優(yōu)點[1].袋室是袋式除塵器的執(zhí)行部分,袋室內(nèi)的氣流分布是決定除塵器工作性能和使用壽命的關鍵因素[2-3].氣流不均易造成袋室內(nèi)某個位置的布袋或布袋的某個位置破損,而其他位置的布袋在除塵過程中所起的作用較小.袋式除塵器內(nèi)氣流分布比較復雜,不容易進行試驗測試,對袋式除塵器氣流均勻性的研究主要是使用計算流體動力學軟件進行數(shù)值模擬分析.近年來,各國學者在這方面進行了許多研究,Vladimir A等對Fluent軟件提供的多相流模型進行了綜合比較,指出3種多相流模型(VOF,Mixture,Eulerian)模擬旋風除塵器流場所需的條件[4].金穎等運用Fluent軟件模擬計算了小尺寸下的簡單煙氣擴散規(guī)律,證明了該軟件模擬煙氣擴散問題的可行性.黨小慶等利用CFD方法對箱體流量分配和氣流分布進行了數(shù)值模擬,給出了實現(xiàn)箱體流量合理分配的氣流分布板結構的調(diào)整方法和參數(shù),發(fā)現(xiàn)計算結果與模型試驗和現(xiàn)場測試結果較吻合[5].筆者利用Fluent軟件對改造前后袋室內(nèi)的氣流分布情況進行了對比分析,得到了改善氣流分布的方案.

1 數(shù)值模擬平臺的建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

研究用除塵器為下進風袋式除塵器,分為上箱體、灰斗(下箱體)、進風口、排風口等部分[6].為了盡可能提高模擬結果的準確性,物理模型按除塵器實際尺寸建立.模型的基本參數(shù)如下:上箱體為長方體形,長為 6000 mm、寬為 6000 mm、高為14600 mm,灰斗為高4400 mm的倒四棱錐臺,底面尺寸為400 mm×400 mm,灰斗側面與水平面的夾角為60°,進風管位于灰斗底面中心偏上位置,其中心線距底面3250 mm,進口尺寸為2700 mm×1600 mm,排風管位于上箱體頂部,排氣口尺寸為5800 mm×1700 mm.該除塵器單元室過濾風量為104298 m3/h.簡化后的除塵器單元結構示于圖1.

圖1 簡化后的袋式除塵器結構Fig.1 Simplified structure of the bag filter

利用Gambit軟件對計算區(qū)域劃分網(wǎng)格,采用有限體積法對方程計算區(qū)域進行離散[7].采用結構化和非結構化混合網(wǎng)格:進風管、排風管、上箱體及布袋區(qū)采用結構化的六面體網(wǎng)格；四棱錐臺形的灰斗采用非結構化的網(wǎng)格.根據(jù)除塵器內(nèi)氣流速度梯度的變化,對流動和固定邊界條件復雜的區(qū)域增加了網(wǎng)格密度,以提高數(shù)值模擬結果的精確性.模擬區(qū)域所劃分的總網(wǎng)格數(shù)約為106萬.

1.2 數(shù)學模型

除塵器袋室內(nèi)部流場是復雜的三維湍流流場,為方便計算,假定流體是等溫不可壓縮、作定長流動,模擬計算選用標準k-ε雙方程模型[8].控制方程為:

連續(xù)性方程

動量方程

式中:p為靜壓；Fi為包含了其他模型的相關源項,如多孔介質和自定義源項；τ為應力張量.

湍動能k方程

耗散率ε方程

式中:Sk和Sε是用戶自定義的源項；Gk為由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；Gb為由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項；YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻；C1ε、C2ε和C3ε均為經(jīng)驗常數(shù) ,C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09；σk和σε分別是與湍動能k 和耗散率ε對應的普朗特數(shù),σk=1.0,σε=1.3.

1.3 數(shù)值計算方法和邊界條件

利用Fluent軟件模擬袋式除塵器單元內(nèi)流場的分布,采用標準k-ε雙方程湍流模型、穩(wěn)態(tài)3D分離隱式解算器,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,對流項選取二階迎風離散格式,在近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法.

本模型流體采用150℃時的空氣,密度為0.865 kg/m3,運動黏度系數(shù)為2.717×10-5m2/s,除塵器進口管道斷面采用速度進口邊界條件,假定進風口的速度均勻,則由除塵器的處理風量可確定入口速度為6.7 m/s.出口管道斷面采用壓力出口邊界條件,靜壓取值為0 Pa,各壁面均設為無滑移壁面.在入口和出口邊界流域的流動,需要制定輸運標量的值.在湍流指定方法(Turbulence Specification Method)中,選擇 Intensity and Hydraulic Diameter以設定湍流強度(Turbulence Intensity)和水力直徑φ(Hydraulic Diameter).本文中入口和出口的湍流強度選取10%,入口水力直徑為2.009 m,出口水力直徑為2.629 m.

2 計算結果及分析

圖2為原型中除塵器不同截面的速度分布.由圖2(a)可知,在原型中,煙氣以6.7 m/s的速度經(jīng)進氣口進入除塵器的灰斗部分,由于灰斗中緊湊地布置著19塊按一定傾斜角度排列的導流板,因此阻力較大,當氣流遇到導流板時,小部分氣流在導流板的作用下經(jīng)過導流板之間的空隙流入袋室,而大部分氣流則繞過導流板向下方空間流動,直到灰斗后壁面.然后,一部分氣流沿后墻體高速上升,流體主要集中在袋室后部,這會造成附近濾袋負荷過大,導致后端的濾袋容易破損；另一部分氣流沿灰斗后壁面向下流動,并在灰斗內(nèi)形成較大的渦流,沿灰斗前壁面上升,可能會將已經(jīng)沉積的粉塵吹起來,形成二次揚塵,并被氣流重新帶回到袋室,這樣不僅加重了濾袋的負荷,而且也增大了除塵器內(nèi)部的流動阻力.

圖2 原型中除塵器不同截面的速度分布Fig.2 Velocity distribution of different sections in prototype of the dust collector

從圖2(b)可以看出,除塵器袋室內(nèi)的流場關于其中心對稱面(y=0)基本上呈對稱分布,而流場分布的不均勻性主要體現(xiàn)在除塵器的前后兩端.由以上模擬結果可知,袋室后部的最大風速已經(jīng)超過5 m/s,不能滿足袋式除塵器過濾速度的要求[9],因此需對設備進行改造并優(yōu)化內(nèi)部流場,以確保除塵器的穩(wěn)定運行.

3 除塵器改進模型及模擬結果

3.1 除塵器改進方法

通過對除塵器原型的模擬可以看出,灰斗內(nèi)的19塊導流板不但未起到導流的作用,而且使灰斗產(chǎn)生較大渦流,影響粉塵顆粒的沉降,故將其拆除.同時,考慮除塵器進口風速較高,易形成射流,因此在除塵器上箱體的底部增加一個矩形進風口,其中心線距上箱體底面為1100 mm,尺寸為5000 mm×1800 mm.為了使煙氣均勻分布,同時考慮工程的實際操作,在新增進風口截面處添加4塊導流板(圖3).各導流板尺寸相同,均為5000 mm×250 mm.4塊導流板在新增進風口截面處按一定傾斜角度自上而下依次等距排開,第1塊導流板距進風口上端面為360 mm,導流板間距為360 mm,導流板與入口中心線的夾角為30°.

圖3 改進后入口與導流板示意圖Fig.3 Schematic of entrance and guide plates after improvement

3.2 改進后模型的流場分布

為了便于分析和比較,改進后模型的模擬計算分別通過增加進風口和增加進風口并添加導流板兩步來實現(xiàn).在計算過程中,除塵器單元室的過濾風量保持不變,總風量按照進口截面的面積比分配到2個進風口,進風口速度為2.173 m/s.改進后除塵器流場的分布示于圖4.

從圖4可以看出,除塵器增加一個進風口可以將原型中的高速氣流進行分流,分流后的氣流速度相對較小,氣流進入袋室后不會對濾袋帶來嚴重沖刷,并且除塵器內(nèi)氣流的分布也有所改善.由于氣流被分流,經(jīng)灰斗側端入口進入除塵器的風量大大減少,氣流速度也降低到不足原來的1/3,氣流對灰斗后墻體的沖擊變小.拆除除塵器灰斗內(nèi)的導流板,減小了氣流的流通阻力,氣流在進入灰斗后,其流動方向向上發(fā)生偏轉,流向較為寬闊的袋室空間,灰斗內(nèi)氣流速度很低,有效地避免了由渦流引起的二次揚塵現(xiàn)象,從而減輕了濾袋的負荷.圖4的模擬結果顯示,除塵器袋室內(nèi)的氣流速度均小于2.5 m/s,基本可以滿足袋式除塵器過濾速度的要求.通過與圖2對比,發(fā)現(xiàn)增加進風口后,袋室內(nèi)的回流區(qū)域減小,氣流速度降低,氣流分布得到很大改善,但從z軸截面圖可看出,袋室前后兩部分的氣流分布仍不理想.

圖4 未加導流板時除塵器不同截面的速度分布Fig.4 Velocity distribution at different sections of the dust collector without guide plates

圖5為增加進風口并添加導流板時除塵器不同截面的速度分布結果.由圖5可以看出,在進風口截面添加導流板后,除塵器袋室內(nèi)的回流區(qū)域進一步縮小,流場也更趨于均勻,尤其是袋室前后兩部分的氣流分布有了明顯的改善.

圖5 添加導流板時除塵器不同截面的速度分布Fig.5 Velocity distribution at different sections of the dust collecto r with guide plates

此外,為了能更加直觀地顯示袋式除塵器改進后流場的改善程度,在袋室內(nèi)不同位置取面積相等的截面,分別計算這些截面改進前后的平均速度,結果示于圖6和圖7.

圖6 改進前后 x方向不同截面的平均速度分布Fig.6 A verage velocity distribution of different sections along x direction befo re and after improvement

圖7 改進前后y方向上不同截面的平均速度分布Fig.7 Average velocity distribution of different sections along y direction before and after improvement

從圖6可以看出,在原型中,袋室內(nèi)沿x軸方向各截面平均速度的波動范圍比較大,靠近袋室后壁面的截面平均速度均達到2.5 m/s,導致局部濾袋負荷過大,甚至有的濾袋不能充分發(fā)揮其過濾除塵作用.增加進風口并添加導流板后,袋室各截面的平均風速降低,在一定程度上改善了袋室內(nèi)氣流速度前低后高的不均分布.

從圖7可以看出,改進前后,袋室內(nèi)的氣流分布關于y=0平面都是基本對稱的.在原型中,各截面的平均速度波動較大,y=0截面的氣流平均速度最大,并向左右兩側依次遞減.改進后,截面的最大平均風速出現(xiàn)在左右兩側,各截面的平均速度曲線趨于平緩,氣流分布沿y軸方向基本均勻.

4 結 論

(1)在原型中,氣流在緊湊導流板的作用下高速沖刷灰斗墻體,一部分氣流在灰斗內(nèi)流動形成回流,使沉積的粉塵再次卷入氣流進入袋室,從而加重了濾袋負荷；另一部分氣流沿除塵器后墻體高速上升,沖刷濾袋,造成袋室后端的濾袋容易破損.

(2)未加導流板時,增加一個進氣口后,氣流速度降低,袋室內(nèi)的流場有所改善,但在進口處會產(chǎn)生射流,部分氣流沿濾室墻體上升,在袋室內(nèi)部流動,形成了回流特征,速度場形成前端低、后端高的不均勻分布,造成箱體后端局部負荷較大.

(3)在新增進口處添加導流板,可以對除塵器入口處的射流分流,使袋室內(nèi)氣流分布更均勻,有效減少對部分濾袋的集中沖擊,從而提高了濾袋的使用壽命及除塵效率.

(4)采用計算機模擬方法能夠很好地反映出除塵器內(nèi)部氣流的流動狀況,為袋式除塵器氣流分布、結構優(yōu)化設計提供了依據(jù).

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