长袋离线脉冲除尘器舱室流量分布的研究

摘

要：在环保工程实际中，随着大型袋式除尘器过滤面积的增加或过滤舱室数量的增加，设计人员担心各舱室的流量分配会存在不均的情况。为探讨这一问题，利用计算流体力学（CFD）仿真软件，结合试验数据，对单台总过滤面积6880m2的长袋离线脉冲除尘器流量分布特征进行分析，通过关键切面气流速度分布图和各舱室过滤烟气质量流量的比较，计算出除尘器离线分室清灰条件下各舱室烟气流量的分配状况，得出各舱室间烟气流量分配存在明显的差异性，尤其是靠近进气口两侧舱室烟气流量明显低于平均值，而且中间舱室清灰后过滤风量波动偏大。基于此，提出通过设定合理的运行压差和调节离线控制阀的开启速度，有效实现气流均匀分布，减缓过滤风量波动的影响，为袋式除尘器的改进和设计提供了参考。关键词：袋式除尘器；离线清灰；提升阀；运行压差；气流分布；过滤风量

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引言长袋离线脉冲除尘器（LDBF）是国内较早使用的袋式除尘器结构形式之一，广泛应用于钢铁、水泥、电力等领域。长袋离线脉冲除尘器一般由若干个大小相等的舱室组成，采用离线分室清灰方式，即依次逐一对除尘器各舱室进行清灰，其清灰频率主要由时间和压差两种模式控制。随着袋式除尘器的大型化，单台袋式除尘器的过滤面积也日益大型化，为满足过滤效率和清灰效果，多采用分割若干舱室的方式，分别进行离线清灰。离线袋式除尘设备，大多为双列舱室布置，根据处理风量，设计不同数量的舱室，由于舱室数量的增加，除尘器设备长度也会随之变长，以处理200万工况烟气量的除尘器为例，过滤面积超过3万m2，由30个舱室组成，设备总长度超过60m，设计中存在担心除尘设备过长，各舱室处理风量是否均匀，局部过滤风速过大，影响滤袋寿命，以及是否会存在尾部舱室过滤风量明显偏少等诸多问题。直接对大型设备做半工业试验，缺少与大型除尘设备相应的试验模型，随着CFD仿真技术的发展，应用流体力学对流体机械设备进行设计评估优化成为可能，一方面可以预判设计中存在的问题，另一方面大大降低了时间和经济成本，增加了设备研发的灵活性和可变性。另外，袋式除尘器结构庞大，设备复杂。长期以来，利用CFD技术对袋式除尘设备的研究，主要采用减少过滤面积、简化滤袋形状或局部模拟等方式简化大型袋式除尘器内部流场的计算，模型过于简化不利于真实反映大型袋式除尘器的流场特征，本文将利用1:1比例对LDBF型长袋离线脉冲除尘器建模，能够很好地反映计算结果的准确性和可靠性。

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模型及边界条件1.1

物理模型模拟对象为LDBF型长袋离线脉冲除尘器，包括10个舱室，呈双列布置（图1）。烟气由入口1经中间进气烟道，由两进风支管（图2）进入各过滤舱室4的滤袋3表面过滤净化，净化后的气体由上箱体经净气阀口6汇集到出风总管，由出口7进入风机再经排气筒外排。

本文以除尘器整体按实体1:1建立计算模型，尺寸32000mm×24000mm×14000mm，1680条滤袋，均匀分布在10个舱室。总过滤面积6880m2，滤袋规格φ163×8000mm，过滤舱室沿进气方向滤袋编号依次为01～05和06～10两列，如图3所示。

1.2

数学模型1.2.1

流场数学模型烟气在袋式除尘器内部的运动可以看作复杂的三维气固两相流动。模型采用SIMPLE算法，气相流动采用紊流模型，颗粒相采用拉格朗日离散相模型（DPM）。颗粒在Lagrangian坐标系下的运动方程为：式中，为颗粒单位质量曳力；为颗粒加速周围流体所需要的力。式中，为连续相速度；为颗粒速度；为流体粘性系数；分别是空气与颗粒的密度；为颗粒雷诺数，定义为；阻力系数，其中为常数，由光滑球颗粒实验给出；为颗粒直径，符合rosin-rammler分布，大于粒径的颗粒质量分数为，其中为中位径，为颗粒尺寸分布指数[6]，中位径，尺寸分布指数。1.2.2

滤袋数学模型滤袋采用多孔跳跃介质边界条件，并忽略流体穿过滤袋时的内部阻力项[8]，得：式中，为流体动力粘度（Pa·s）；为渗透率（m2）；为垂直于介质表面的速度分量（m/s）；为滤袋及其表面粉尘层构成多孔介质滤层厚度（m）。由滤料厚度和其表面粉尘厚度组成，即。其中为粉尘负荷（g/m2）；ρ为粉尘堆积密度（g/m3）。渗透率α由实验得出，本文滤袋边界条件仅考虑滤袋表面粉尘负荷的正常过滤态和清灰后两种状态。1.3

初始边界条件及求解流体参数：不可压缩空气，温度150℃，密度0.87kg/m3，动力粘度2.15×10-5

Pa·s。进口为压力入口，出口为速度入口边界条件。颗粒相参数：密度1300kg/m3；固体壁面取为弹性反射面（reflect），出口设为逃逸面（escape），滤袋则为收集面（trap）。目标收敛残差10-5。

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模拟结果与分析2.1

清灰前流场特征如图4所示，烟气以15m/s的速度进入中间烟道，通过连接在各舱室的进气弯头进入各舱室，经过导流片的分流进入滤袋过滤（图5），然后净化后的烟气经各舱室控制阀口汇集到净气烟道从出口排出，可以看出各阀口的烟气出流速度沿出口烟道方向依次减少（图6），各滤袋口出流速度相对均匀，如图7所示。为进一步比较各舱室处理风量的差异性，引入流量分配系数，表示每个舱室实际处理气体流量与平均处理气体流量的比值记作，用下式表示：式中，为第排滤袋实际处理气体量为滤袋平均处理气体量最大不均匀幅值通过模拟新滤袋和正常过滤的两种不同透气状态，对比分析两种状态下各舱室过滤风量的差异性。如图8所示，两种不同状态下均可以看出，各舱室之间过滤分配系数整体在0.85～1.12，并沿入口至出口方向依次增大，靠近入口两侧的舱室01和06过滤风量明显低于平均值，而靠近出口的舱室10过滤风量最大。一方面，由于袋式除尘器设备运行阻力主要是滤袋的内部阻力，可以认为舱室过滤风量的多少与舱室进口与控制阀出口之间的静压差有关，烟气以较高的速度用射流的方式进入烟道，具有较高的动压，同时周边的静压偏低，当气流遇到箱体壁或挡板的阻挡后动压减小、静压增大，造成了进气烟道内静压分布沿进口方向逐渐增大，出口烟道静压分布与进口烟道则相反，所以舱室之间进口与控制阀口之间的静压差沿入口至出口依次增大，也就造成了图8显示的各舱室过滤分配系数分布的差异。另一方面，根据气流总是沿阻力最小的路径流动的原理，随着过滤的进行，原处理风量大的滤袋过滤风速会逐渐降低，而处理风量小的滤袋过滤风速逐渐增大，舱室之间过滤风量逐渐趋于平衡。2.2

离线清灰条件下流场的基本特征离线清灰时，被清灰的舱室净气出口提升阀关闭，该舱室离线，切断烟气进入该舱室。清灰后，净气提升阀打开，该舱室恢复工作。按照单个舱室（图9）和两个舱室同时离线清灰两种状态分析各舱室流量分配系数。01、03、10单独清灰和01、10同时清灰的流量分配系数如图10所示，可以看出对比离线前，不论是单个还是两个舱室离线后，舱室过滤风量均为零，其他舱室流量分配系数均同步增大，风量被平均分配到各舱室，但靠近入口两侧的舱室01和06流量分配系数仍然最小，在0.85～1.2，但整体过滤风量较为均衡，。分别选取舱室03、05、06、08、10离线清灰，当对应控制阀完全打开时，各舱室流量分配情况如图11所示。可以看出对比离线前，清灰后的舱室流量分配系数增大比较明显，其他舱室同步减小，但靠近出口的舱室05和10流量分配系数增加最大，舱室01和06流量增加较小。通过对比分析上述几种情况各舱室流量分配系数的变化可以看出，不论哪种情况，除尘器末端即靠近出口两侧的流量分配系数最大，而靠近入口两侧流量分配系数最小，而且清灰后流量系数的波动也类似。3

结论及建议（1）LDBF型长袋离线脉冲除尘器正常过滤状态或离线清灰下，各舱室滤袋过滤风量相对均匀，也没有出现设计人员所担心的除尘器长度过长导致尾部舱室过滤风量偏小的情况。事实恰恰相反，靠近入口两侧的舱室过滤风量明显小于平均值。可在靠近入口处烟道内增加适