濾筒除塵器進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化模擬

鄧斌程罡樊越勝*王英志胡家雷彭凱文珂

1西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

2中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

濾筒除塵器是美國(guó)唐納森公司在袋式除塵器的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型除塵器，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各個(gè)行業(yè)，具有除塵效率高（99.9%以上）、阻力小、體型小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但氣流分布不均勻?qū)Τ龎m效率以及濾筒壽命的影響仍困擾著其正常使用。張相亮等人[3-5]用Fluent模擬了袋式除塵器進(jìn)口對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)分布的影響，對(duì)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了一定的效果，但對(duì)于濾筒除塵器出口方式對(duì)其流場(chǎng)均勻性方面的研究則甚少。本文將研究濾筒除塵器出口方式對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)均勻性的影響。

1 研究模型

1.1 物理模型

本文研究的除塵器為上、中、下三個(gè)箱體組成的下進(jìn)風(fēng)濾筒除塵器。如圖1所示，其中上箱體尺寸長(zhǎng)×寬×高為1200 mm×800 mm×650 mm。中箱體尺寸長(zhǎng)×寬×高為1200 mm×800 mm×1150 mm。下箱體為高800 mm的灰斗。進(jìn)風(fēng)口為矩形尺寸為150 mm×300 mm，其位于下箱體側(cè)端面距箱體底部450 mm處。出風(fēng)口為Ф200 mm的圓形管，其位于與進(jìn)風(fēng)口端面垂直的側(cè)面距頂部200 mm處。除塵器內(nèi)花板豎直方向上分布著6個(gè)濾筒共兩行三列，其中濾筒尺寸長(zhǎng)為600 mm，外徑為Ф320 mm。

圖1 物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

本文為了便于研究，將稀相氣固兩相流簡(jiǎn)化為具有平均流體特征的單相氣相流；不考慮文丘里等脈沖清灰部件對(duì)氣流的影響[6]。模擬氣相流動(dòng)時(shí)選用κ-ε雙方程模型[7-8]。

湍動(dòng)能κ方程：

耗散率ε方程：

式中：Gb為由浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM是由可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；Sk和Sε是用戶(hù)定義的源項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09。σk和 σε是相應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，σk=1.0，σε=1.3。

模擬計(jì)算時(shí)壓力-速度耦合采用SIMPLE算法進(jìn)行求解；對(duì)流項(xiàng)選擇二階迎風(fēng)離散格式[9]。

1.2.2 濾筒數(shù)學(xué)模型

計(jì)算中忽略濾筒褶皺對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的影響，將濾筒數(shù)學(xué)模型設(shè)置為一維的多孔跳躍介質(zhì)模型，其具有良好的魯棒性和收斂性。過(guò)濾介質(zhì)壓力變化采用Darcy 定律[10-11]描述：

式中：△P為濾筒內(nèi)外壓差，Pa；μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)，Pa·s；α 為滲透率，m2；v 為濾筒外圍表面通過(guò)的風(fēng)速，m/s；C2為壓力躍升系數(shù)；△m為濾筒濾料介質(zhì)的厚度，m。

1.3 邊界條件的設(shè)置

為了便于模擬計(jì)算，本模型流體選為空氣，溫度為20℃，密度為 1.205 kg/m3，動(dòng)力粘度為 1.810×10-5Pa·s。

將進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度υ=13 m/s；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口壓力P=-1500 Pa；濾料厚度設(shè)置為5 mm[12]，滲透率則為α=1.4×10-10m2。

2 流場(chǎng)評(píng)價(jià)方法

2.1 流量分配系數(shù)

濾筒的流量分配系數(shù)[13]表示每個(gè)濾筒實(shí)際處理氣體流量與平均處理氣體流量的比值，記作Kqi，公式為：

式中：Qi為單個(gè)濾筒的實(shí)際處理氣體量，m3/s；Qmean為單個(gè)濾筒的平均處理氣體流量，m3/s。

2.2 最大流量不均幅值

最大流量不均幅值是指最大流量分配系數(shù)和最小流量分配系數(shù)的差值，計(jì)作△Kqi。

式中：Kqimax為單個(gè)濾筒的最大流量分配系數(shù)；Kqimin為單個(gè)濾筒最小流量分配系數(shù)；當(dāng)氣體流量分配不均勻時(shí)，Kqi在1.0上下波動(dòng)；△Kqi≠0時(shí)，其值越大表示流場(chǎng)越不均勻，越小則說(shuō)明流場(chǎng)越均勻；當(dāng)△Kqi=0，即Kqi=1時(shí)，表明流量分配絕對(duì)均勻。一般地，當(dāng)處理風(fēng)量的相對(duì)偏差不大于15%時(shí)，便可以認(rèn)為氣體流量分配基本均勻。

2.3 綜合流量不均勻幅值

綜合流量不均幅值是指所有濾筒的流量分配系數(shù)與理想狀態(tài)下的絕對(duì)均勻系數(shù)1.0之差的絕對(duì)值的平均值。這個(gè)參數(shù)綜合考慮了各個(gè)濾筒的流量偏差，評(píng)價(jià)比較全面，記作，即：

式中：N為模型中濾筒的總個(gè)數(shù)。

3 模擬方法與結(jié)果分析

3.1 模擬方法

本文針對(duì)4種不同出口方式進(jìn)行模擬研究，探索不同出口方式對(duì)流場(chǎng)影響規(guī)律，以便優(yōu)化濾筒除塵器結(jié)構(gòu)。如圖2～3分別為模型上箱體出口圖以及濾筒編號(hào)圖。

圖2 模型出口方式

圖3 濾筒編號(hào)圖

3.2 結(jié)果與分析

從圖4看出，4種模型的內(nèi)部流場(chǎng)情況相差不大，氣流在進(jìn)氣箱體內(nèi)沿入口方向形成延伸到后壁面的射流，一部分氣流在灰斗斜面的導(dǎo)流作用下，在射流下部形成了下旋渦，容易造成“二次揚(yáng)塵”，將灰斗中的灰塵重新卷入到射流當(dāng)中，增加了濾筒過(guò)濾負(fù)荷。另一部分氣流碰到后壁面后向上流動(dòng)，碰到花板后氣體動(dòng)壓轉(zhuǎn)換成高靜壓，使得氣體由后壁面向前壁面橫向沖刷，加大了濾筒的沖刷度，一定程度上降低了濾筒的壽命。從圖5可以看出靠近后壁面的濾筒沖刷最嚴(yán)重，并依次向前壁面遞減，主要是由于氣流最先沖刷靠近后壁面的1號(hào)和6號(hào)濾筒，在1號(hào)和6號(hào)濾筒的阻擋下減少了1號(hào)，2號(hào)、3號(hào)及4號(hào)濾筒的沖刷。

由表1可以看出出口方式3模型的濾筒流量分配情況相對(duì)其他3種模型較好，綜合流量不均幅值為0.062，最大流量不均幅值為0.169，流量分配并不均勻；流量分配較為不均勻的模型為出口方式1與出口方式4模型，其綜合流量不均幅值分別為0.121和0.111；最大流量不均幅值分別為0.288和0.329。其主要原因可能是由于出口3與進(jìn)風(fēng)口位于同側(cè)，出口處為靜壓最低處，而除塵器后壁面處?kù)o壓較高，這使得氣流向靠近前壁面3號(hào)和4號(hào)濾筒回流的較多。相反當(dāng)出口位于后壁面時(shí)，低靜壓處與高靜壓處在同一側(cè)面，使得回流到靠近前壁面3號(hào)與4號(hào)較少。出口方式4與進(jìn)口成90°夾角時(shí)，根據(jù)渦旋理論[14]在此種狀況相對(duì)于其他三種狀況更容易產(chǎn)生渦旋，使內(nèi)部流場(chǎng)增加了不確定因素，從表1可以看出，靠近出風(fēng)口一側(cè)的濾筒比另一側(cè)濾筒的流量分配系數(shù)要大一些。

圖4 模型Y=0.1 m截面速度云圖

圖5 濾筒表面速度云圖

由模擬結(jié)果可知，出口方式3模型較其他3種模型流場(chǎng)分布情況要好，但4種不同出口模型模擬流場(chǎng)分布都不均勻，其主要原因是由于進(jìn)風(fēng)口存在明顯的射流，靠近后壁面的濾筒流量分配較大，使得流量分配不均勻的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，最終則會(huì)導(dǎo)致濾筒壽命的減少。

4 濾筒除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬

針對(duì)上述模擬存在明顯射流及流場(chǎng)分布不均的情況，有必要對(duì)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化。張相亮、張廣鵬等人[3-5]針對(duì)下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器，通過(guò)在進(jìn)風(fēng)口附近增加導(dǎo)流板和鈍體及增加進(jìn)風(fēng)口數(shù)量較好的改善了袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布。鑒于在相同過(guò)濾風(fēng)速下，濾筒除塵器較袋式除塵器的通風(fēng)量要大，進(jìn)口射流更加明顯，為了進(jìn)一步優(yōu)化濾筒除塵器內(nèi)部流場(chǎng)，綜合考慮采用等面積的雙進(jìn)風(fēng)口對(duì)濾筒除塵器進(jìn)口進(jìn)行優(yōu)化。其模型如圖6所示。

圖6 雙進(jìn)風(fēng)口模型

采用雙進(jìn)風(fēng)口模型流場(chǎng)分布模擬結(jié)果如表2所示，4種出口方式模型的最大流量不均幅值及綜合流量不均幅值均有較大程度的減小。其中出口方式4模型最大流量不均幅值為0.228，綜合流量不均幅值為0.082，流場(chǎng)分布均勻性較差，但較改進(jìn)前的最大流量不均幅值降低了31%，綜合流量不均幅值降低了26%。其他3種出口方式模型則是比較均勻，出口方式1，方式2和方式3最大流量不均幅值分別較之前降低了63%，58%和33%，綜合流量不均幅值分別較之前降低了68%，56%和47%?？傮w來(lái)說(shuō)，改進(jìn)后相對(duì)改進(jìn)前的流場(chǎng)分布情況得到了較好的改善。其主要原因是采用等面積雙進(jìn)風(fēng)口，使進(jìn)口風(fēng)速很大程度的減小，很好地改善了射流情況，減少了靠近后壁面的濾筒沖刷程度，使除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布更加均勻。

5 結(jié)論

1）4種出口方式的濾筒除塵器內(nèi)部都存在明顯的射流情況，靠近后壁面的濾筒沖刷較為嚴(yán)重。相比較而言，出口3模型流場(chǎng)分布更均勻，其中出口4模型流場(chǎng)分布情況較差。

2）4種出口方式的模型流場(chǎng)分布不均主要是因?yàn)檫M(jìn)口風(fēng)速過(guò)大構(gòu)成的。本文提出雙進(jìn)風(fēng)口的改進(jìn)方案，使4種模型的最大流量不均幅值與綜合流量不均幅值均有很大程度的降低，很好的改善了除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布情況。