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布袋除尘器袋室结构改进及内部气固两相流动特征分析

作者:广州新瑞环保     来源:www.xinruiep.com     发布时间:2018-09-13 11:15:59

摘要:为了解决某显像管厂DMC180型布袋除尘器尾部滤袋工作寿命过短的问题,提出了扩大进风管直径和在下箱体中布置钝体两项结构改造措施,力图通过改善袋室内部气固两相流场,延长滤袋寿命。使用FLUENT5.0计算流体动力学软件,对原型和改进型布袋除尘器内部气固两相流动进行了数值模拟。结果表明:原型中的旋涡回流流动加速了尾部滤袋的磨损和破坏;改造后,袋室内部形成了由钝体导引的3股主流流动,压力场比较均匀,各滤袋组过滤速度偏差可控制在-10%~20%以内;上箱体中形成了比较均匀的纵掠滤袋流动,绝大部分区域的滤袋间隙速度小于最大允许值;袋室阻力降低了约60%。

关键词:布袋除尘器;气固两相流;数值模拟;流场

布袋除尘器袋室结构改进

布袋除尘器的袋室结构直接影响除尘效率、设备能耗和滤袋寿命,目前的设计方法主要依靠经验数据,尚未形成统一标准。下进风式除尘器不需要上进风式结构中复杂的双层花板,具有结构简单的优点,但是气流分布不均匀是它的主要缺陷。特别是在由于设备安装空间限制或者没有充分考虑流动均匀性要求而设计出的某些结构中,流动不均匀问题可能十分严重,使分离效率降低,运行阻力增加,甚至加速滤袋破坏,形成短路流动。Croom提出了一些改进措施,有一定的借鉴意义。

计算机软硬件性能的巨大进步和以非结构化网格技术为核心的新一代CFD技术的发展,使得对工程实际中存在的具有复杂几何结构和复杂边界条件的流动与传热等问题的数值模拟成为可能,也为布袋除尘器的优化设计提供了新的手段。本文分析了某工业原型布袋除尘器的主要缺陷,提出了两项改进措施,使用FLUENT计算流体动力学商业软件进行了优化设计,对改进结构中的气固两相流动进行了分析。

1物理模型和数值计算方法

1.1原型袋室结构

本文所研究的除尘器袋室分为上、下两个箱体。上箱体为长方体形,长4.5m,宽1.83m,高2.75m;下箱体为倒四棱锥台形,高1.4m,底面长3.7m,宽0.4m。进风管位于下箱体端面中心偏上位置(距底面0.8m),直径0.5m,伸入箱体中0.45m,末端设置叶片向下45°的百叶窗导流装置。上箱体中共设置10组滤袋,每组2排,每排9条滤袋。滤袋为圆柱形,直径φ160mm,长2.5,吊装在上箱体顶部支撑花板上。滤袋出口为净气室,净气室经排风管与引风装置相连。

1.2计算区域的简化处理

计算中将每一个滤袋组简化成两个对称的长方体形滤袋,与实际滤袋组等高,截面尺寸为0.638m*0.284m。过滤介质(包括滤布和表面积灰形成的滤饼)采用Darcy公式描述

布袋除尘器袋室结构改进1

式中:△P是滤袋两侧压差;α、Δm是过滤介质渗透率和厚度;v是过滤速度;μ是流体粘度;c称为过滤介质表观渗透率。简化滤袋组的过滤介质面积不同于实际值,计算得到的过滤速度也将有所不同。从式(1)可以看出,过滤速度与过滤介质表观渗透率成线性关系。为使简化模型尽可能地逼近实际情况,对过滤介质实际表观渗透率。c’作了相应的线性处理

布袋除尘器袋室结构改进2

式中:As和Aa分别表示简化滤袋组和实际滤袋组的过滤介质面积。

另外,根据袋室的对称性,计算区域只取了对称的一半,如图1所示。

布袋除尘器袋室结构改进3

1.3袋室结构改造方案

本文提出了扩大进风管直径和在袋室下箱体中布置钝体两项改进措施,前者是为了降低入射气流速度,后者的目的在于导引气流形成均匀的纵掠滤袋流动。经过多次尝试和调整,确定了如图2所示的袋室结构改进方案。

布袋除尘器袋室结构改进

1.4数值方法和边界条件

气相流动模拟采用k-ε紊流模型。进风口为速度边界条件,气流以向下45°方向入射。滤袋出口为压力边界条件,压力值取为0Pa。对称面取为对称边界条件。固体壁面为无滑移条件。采用双向耦合拉格朗日方法计算了颗粒轨迹。颗粒相总的质量流率Win取为0.02kg/s。颗粒相在固体壁面取为弹性反射条件,在过滤介质表面和出口取为穿透条件。

1.5计算工况

本文所研究除尘器的工业原型用于收集某显像管厂低玻喷涂工艺尾气中的氧化铅粉尘,过滤介质是208工业涤纶布,采用脉冲喷吹清灰方式。考虑到实际运行条件的变化和将研究结果推广到其他应用场合,本文在比较宽广的范围内,模拟了不同处理风量和过滤介质渗透率条件下的气固两相流动,工况参数见表1。对工况3的气相流场和颗粒运动轨迹进行了分析,并得出了不同工况下各滤袋组过滤速度和颗粒沉积率的分布规律。

布袋除尘器袋室结构改进

2原型与改进型袋室的流动特征分析

2.1气相流场的基本特征

图3a是原型袋室的流体运动轨迹图,气体由进风管以倾斜向下45°射入袋室空间后,在主流上方形成了一个比较大的回流区,几乎完全占据了下箱体中部空间,抑制流体向上运动。在回流区的“压迫”下,主流沿下箱体底面流向后端,在后端壁附近折转向上流向后端滤袋组,部分流体从滤袋间隙流向前端,使袋室内部流动在总体上形成了回流特征。进一步分析原型袋室的模拟结果,发现上箱体前端压力较低,后端压力较高。

可以看出,原型袋室的内部流动并不满足除尘器设计的两项假设,即袋室压力场均匀和流体纵向掠过滤袋。后端滤袋组的实际过滤速度超过设计平均值2倍以上。由于滤袋横向间隙总面积不足纵向间隙的1/4,因此实际间隙速度将大大超过设计值。在这样的恶劣条件下一方面滤袋间隙速度过高,使滤袋表面沉积的颗粒被再次挟带到气流中,滤袋表面难以形成对过滤细小颗粒起重要作用的滤饼,另一方面过滤速度过高,使细小颗粒更容易穿透过滤介质,降低了分离效率。高速横掠气流诱发滤袋振动,加速滤袋根部磨损,再加上滤袋内积灰的坠拉作用,更容易使滤袋发生破坏。在工业原型除尘器检修中发现,后端滤袋内大量积灰,部分滤袋根部破损,形成了短路流动,总体分离效率只有50%~70%,远远低于设计要求,符合数值计算结果所表明的特征,说明本文所提出的模型、数值计算方法及计算结果是合理的。

图3b是改进型袋室的流体运动轨迹图。在钝体导引作用下,气流被分为3股主流,分别流向前端、中部和后端的滤袋组。从进风口起的第1个钝体将主流一分为二,其中少部分折转向上流向前端滤袋组,其余大部分从钝体下方流向第2个钝体,在此又被一分为二,其中大部分从钝体上方流向中部滤袋组,少部分从钝体下方沿着下箱体底部流向后端,再折转向上流向后端滤袋组。第2、第3个钝体用于抑制前方钝体后部的回流,进一步“托起”主流流向中部滤袋组。

布袋除尘器袋室结构改进

图4是改进型袋室的对称面压力等值线图。在第1、第2钝体的下方,由于动静压转换形成了局部高压区,其后方形成了局部低压区,上箱体中的压力分布比较均匀,可以推知,各滤袋组的过滤速度也比较均匀。上箱体中的流体以纵掠滤袋流动为主,这对于降低滤袋间隙速度是有利的。图5是改进型袋室上箱体到对称面不同距离的平行截面上的速度分布,除了中部下沿和后端壁附近局部区域流速略高以外,速度分布比较均匀,绝大部分区域流速小于1m/s,即小于文献中给出的滤袋间隙速度的最大允许值。

布袋除尘器袋室结构改进

布袋除尘器袋室结构改进

2.2各滤袋组的气体流量分布规律

图6比较了原型和改进型袋室在不同过滤介质渗透率的条件下,各滤袋组无量纲气体流量Q’fi(以平行截面的平均流量进行无量纲化)的分布规律。图6b显示,对于改进型袋室的各种工况,都呈现前端1#、2#滤袋组流量较小,后端9#滤袋组流量较大的分布规律,而且过滤介质渗透率越大,流量偏差越大。同原型相比,流量分布均匀性大大改善,流量偏差控制在-10%~20%以内,完全可以满足要求。这是经改造后,压力场均匀性得到改善的结果。不同处理风量下的结果表明,处理风量越大,流量偏差越大。

布袋除尘器袋室结构改进

2.3颗粒运动轨迹

图7是改进型袋室内颗粒的运动轨迹,与流体轨迹相似。计算结果表明,第1、第2钝体前端颗粒的雷诺数较大,说明当两相流动剧烈转向时,颗粒与气相具有较大的速度差。当两相流绕过第1、第2钝体后,颗粒的雷诺数较小,颗粒能够较好地跟随气相流动。

布袋除尘器袋室结构改进

2.4各滤袋组的颗粒沉积量分布规律

图8给出了不同过滤介质表观渗透率、各滤袋组无量纲颗粒沉积率W’fi(以平均沉积率进行无量纲化)的分布规律3对于各种工况,沉积率在中后部形成峰值,可达平均值的2至倍3倍。过滤介质表观渗透率对各滤袋组的颗粒沉积率分布影响不大。沉积率峰值是由3股主流中最强的中部主流直接冲击造成的。考虑到简化滤袋组与实际的差别,实际颗粒沉积率分布的均匀性可能更好一些。在不同处理风量下,颗粒沉积率具有类似分布。

布袋除尘器袋室结构改进

2.5袋室阻力

除尘器的运行阻力是工程实际中关心的一个重要参数。图9比较了改造后袋室和原型袋室在不同过滤介质表观渗透率和处理风量条件下的总压损失Pt。改造后不仅工作负荷的均匀性优于原有结构,而且袋室阻力也大大降低,减阻幅度约为60%。可以预期,除尘器的运行能耗将大大减低,也为进一步采用分离效率更高的低表观渗透率过滤介质提供了可能。袋室改造后,避免了局部过高的过滤速度和滤袋间隙速度造成的附加压力损失,同时消除了袋室内的大范围回流流动,减小了紊流耗散,这是除尘器运行阻力得以降低的两个主要原因。

布袋除尘器袋室结构改进

3结论

(1)工业原型下进风布袋除尘器的袋室内部流动在总体上形成了回流特征。上箱体压力场形成前端低、后端高的不均匀分布,使后端滤袋的过滤速度过高。上箱体中形成了横掠滤袋流动,使后端滤袋间隙速度过高。过滤速度和滤袋间隙速度超过设计允许值,是除尘器实际运行中尾部滤袋容易磨损失效的主要原因。

(2)通过采用扩大进风管直径和布置钝体两项措施,将原型袋室内的大范围旋涡回流流动改变为由钝体导引的。股主流流动,得到了均匀分布的压力场,上箱体中形成了较为均匀的纵掠滤袋流动。

(3)袋室内各滤袋组的过滤速度和滤袋间隙速度均匀分布,可以保证运行中各滤袋组处于均匀一致的正常工作状态,有利于提高分离效率和延长滤袋工作寿命,袋室阻力可降低约60%。采取上述技术改造措施,能够实现安全、高效和节能的气固分离,实现粉尘的有效回收和达标排放。