261袋式除尘器气流组织的数值模拟与分析

1袋式除尘器气流组织的数值模拟分析张景霞1沈恒根1方爱民2李瑾2（1东华大学环境科学与工程学院，上海；2国电环保研究院，南京）摘要：采用流体动力学CFD软件对袋式除尘器中单元模块的除尘空间气流组织进行数值模拟分析，给出了不同位置的布袋不同高度上气流速度图，将模拟结果与实际工程运行情况对比，分析其可靠性，为袋式除尘器的改进和设计提供理论依据。关键词：袋式除尘器数值模拟气流组织流场Numericalsimulationonairdistributioninbag-filterZhangJingXia1,ShenHengGen1,FangAiMin2,LiJin2(1Collageenvironmentofscienceandengineering,DongHuaUniversity;Shanghai2Theresearchinstituteofelectricpowerenvironmentalprotection,Nanjing)Abstract:WiththecomputationalfluiddynamicssoftwareCFD,theairdistributionofflowfieldofbag-filterweresimulated，theplotoffiltervelocitydistributionindifferentpositionofthebag-filteranddifferentheightonabagweregot.Theresultofnumericalsimulationisreliabilityincontrastwiththefactcondition.Alloftheseofferareferencetothedesignandimprovementofbagfilter.Keywords:bag-filter,numericalsimulation,airdistribution,flowfield袋式除尘器，由于气流不均，造成箱体内某个位置的布袋和布袋的某个位置的破损，一条布袋破有破损，如不及时处理，该区域的气流流动阻力变低，造成更大区域滤袋的破损。为研究袋式除尘器滤袋失效机理，进一步指导除尘器的设计、运行和改进，本文将对袋式除尘器某工程实际运行条件下的内部气流进行数值模拟。此工程自电除尘器改造为袋式除尘器后，经过近3年使用，布袋出现破损，破损位置在进风口的前3排的整条布袋，每条布袋袋口下200～500mm之间部位，每一行的最后一条或两条布袋，本文主要采用CFD数值模拟方法分析布袋破损原因。1CFD模拟计算方法袋式除尘器箱体内部流场是复杂的三维流场，采用的控制方程有：连续性方程、动量方程,湍流模型选用标准k-e双方程模型，包括湍动能k方程和耗散率e方程[2]。假定流体作定常流动，流体的各项运2动参数与时间无关,整个模拟过程为等温过程，流体是不可压缩的。1.1袋式除尘器结构和设计参数实际工程中袋式除尘器有两个室，每个室有3个过滤单元，每个单元布袋的布置为16×22，中箱体6.5m，下箱体2.7m，进风口为2.2m×1.8m,进风口距过滤室4.5m。袋式除尘器的设计烟气量：400000m3/h；烟气温度：140～165℃，布袋袋式除尘器的过滤面积为6900m2，采用Φ160×6500，共2112条，设计过滤风速为0.96m/m；滤料材质采用HBT-2梯度滤料。1.2建立物理模型图1除尘器平面图如图1建立的除尘器单元有176×2条布袋，布置为8×22×2，迎风面8条布袋，单条布袋尺寸ф160×6500mm，布袋距边壁箱体距离0.40m，袋底距灰斗2.70m，过滤风量是6667m3/h,设计的过滤风速是0.96m/min，进风口的尺寸是0.90×2.20m。将模型设置成轴对称图形。1.3模型的边界条件和初始条件气体采用160℃时的空气，密度为0.815kg/m3,动力粘性系数2.45×10-5pas[3]，除尘器进口管道断面采用速度进口边界条件，假定进风口的速度均匀，则入口速度是9.35m/s。出口管道断面采用压力出口边界条件，滤袋采用多孔跳跃边界条件，该边界条件主要是用于模拟已知速度或者压降特征的薄膜，它本质上是单元区域的多孔介质模型的简化。（1）进出口边界的湍流参数在入口和出口边界流域的流动，Fluent需要指定输运标量的值。在湍流指定方法（TurbulenceSpecificationMethod）下拉菜单中选择IntensityandHydraulicDiameter以设定湍流强度I（TurbulenceIntensity）和水力直径（HydraulicDiameter）。8/1Re16.0IuRe式中：Re为雷诺数；为水力直径，m；(2)多孔介质边界条件薄膜介质是具有有限厚度的，通过它的压力变化定义为达西（Darcy）定律和附加内部损失项的结合：3mvCvKp2221式中：是层流流体粘性，Pas；2C为压力跳跃系数，v是垂直于介质表面的速度分量，m/s；m为薄膜的厚度，m[4]。2模拟结果与分析2.1箱体内流场的基本特征速度（平面图2从y轴正方向看整个过滤单元箱体内的气流组织如图2，气流以9.35m/s的速度从进风口进入袋室，由于布袋阻力大，气流遇到布袋，一部分气流向下方空间流动，一部分向四周空间和袋隙间流动，整个袋室内的前几排和第一个过滤单元的袋底的气流速度相对大。图3过滤单元箱体内布袋边壁气流速度分布图图4花板下200mm处气流速度分布图如图3，过滤单元的颜色梯度代表速度的大小，由上而下依次减小，箱体内花板下200mm～800mm处气流速度和布袋的迎风面的气流速度约为3.00m/s，其速度大于箱体内其它部位，布袋下半部分的气流速度约0.30m/s,由此看出箱体内的气流分布，最大气流速度约是最小气流速度10倍，过滤室内的气流自由流动，自由分配，箱体内尾部风量大于其它部位，此处的布袋所承担的风量负荷也同比例增加，而过滤4单元内部，气流速度相对小。如图4，箱体内花板下200mm处平面气流速度分布，左边为进口方向，图中的颜色分布明显表示，迎风面前三排布袋内的气流速度约为3.80m/s，过滤单元外围布袋内的风速约为3.50m/s，过滤单元内部其布袋内的气流速度约为2.60m/s,布袋内部气流速度大说明布袋的过滤风量大，而箱体内过滤单元中间的布袋过滤速度小，由于气流分布的不均匀，同样材质的布袋其寿命不同。2.2单条布袋的过滤风速分析如表1所示布袋除尘器箱体内不同位置的布袋在不同高度处的平均空间速度，从图中可以看出箱体内的气流总体是向上部流动的，因布袋阻力大，气流遇到布袋只有很少一部分气流穿过布袋，大部分气流沿布袋边壁上升，直到花板处，随着风量的增加，布袋内外的压差增大，气流在此压差下过滤风速增大，这也是造成布袋口破损的主要原因。另外箱体内迎风面的前两排的布袋的的上部空间速度明显高于其它部位，这是因为此处正对着进风口，受气流的直接冲刷而造成的。布袋0～800mm之间被气流有一定的冲刷，因为袋底封闭，气流从下部上升时只能从袋间隙上升，气流速度也随着上升，随着气流的上升，有一部分气流穿透布袋，一部分气流沿布袋边壁上升，气流表1布袋除尘器箱体内不同位置布袋的平均空间速度先有所下降，再上升。3结论（1）因工程中存在整个过滤室的袋口下部200～800mm之间，前3排的整条布袋破损现象，这和计算出的结果吻合，说明计算的结果具有一定的可靠性。（2）迎风面的前3排的布袋过滤风速分布不均，花板下200～800mm之间的部位气流速度偏大，单条滤袋由上而下（距气流排出口），气流过滤速度逐渐减小。（3）气流从进风口进入箱体的速度是9.35m/s，布袋的阻力较大，气流沿袋底的空间和布袋之间的空隙向箱体后流动，因为速度比较大，对前几排布袋的袋底和两侧冲刷严重，气流向前流动的同时沿布袋空隙向上流动，所以箱体后的布袋在花板以下700m之间的过滤风速稍大，布袋500mm～700mm之间的过滤风速相对小，布袋0～800m之间被气流有一定的冲刷。（4）此模型只计算一个除尘器袋室的1/3，模型在进风口侧未加均流板，所以计算结果和实际工程中气流速度的大小有所出入，而箱体内的气流的走向和分布情况大致事相同的。（5）对于每行的第16条布袋的破损，主要原因是因为喷吹的影响，和箱体内气流的均匀性关系不大。布袋除尘器箱体内不同位置布袋的平均空间速度图00.511.522.533.5200100015002000250030003500400045005000550060006500布袋高度（单位mm)布袋边壁空间速度（m/s)前两排布袋1单元第1列布袋2单元第1列布袋最后一排布袋内部布袋5参考文献[1]高晖,郭烈锦,下进风袋式除尘器内部气固两相流动数值模拟.化工工程，2001年第29卷第5期[2]韩占忠，王敬，兰小平.流体工程仿真计算实例与应用北京理工大学出版社，2005[3]陶文铨．数值传热学[M]．西安交大出版社，1999[4]王福军.计算流体动力学分析.清华大学出版社，2004