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下进风袋式除尘器灰斗结构的优化

作者:广州新瑞环保     来源:www.xinruiep.com     发布时间:2018-09-18 14:32:25

摘要:采用计算流体动力学软件Fluent对袋式除尘器内部流场进行三维数值模拟,提出3种优化灰斗结构模型,得到除尘器灰斗内部的气流流场分布特征,将其与原灰斗结构的气流分配效果对比。结果表明,原灰斗结构气流进入灰斗后形成一股冲击射流,在选取的监测面上速度最大为8.3m/s,最小仅为0.5m/s,速度分布均方根值高达0.99,速度在监测面上分布极不均匀;3种优化结构中袋室内气流均匀性均比原灰斗结构显著改善,在灰斗内添加导流装置可提高气流分配的均匀性;3种优化结构中,添加竖直导流板的灰斗结构对改善气流分配均匀性最明显,比原灰斗结构流动均匀性提高了41.41%,而考虑射流偏转添加倾斜导流板或翼板的优化结构与竖直导流板相比流动均匀性无显著变化,灰斗内部射流偏转对流场分布的影响可忽略。

关键词:下进风袋式除尘器;气流分配;灰斗;冲击射流;结构优化

下进风袋式除尘器灰斗结构的优化

1前言

袋式除尘器因除尘效率高被广泛应用于工业除尘。按进风方式袋式除尘器可分为下进风、上进风和侧进风3种,其中下进风因结构简单、造价较低、占地面积小等优点而得到推广。现场调研表明,下进风袋式除尘器在实际运行中各滤袋过滤负荷严重不均,含尘气流进入灰斗后形成的冲击射流未能均匀分配至中箱体,造成除尘效率降低、部分滤袋过早磨损等后果,影响滤袋使用寿命。下进风袋式除尘器的灰斗除了收集粉尘,还应起分配含尘气流作用。高晖等通过模拟提出扩大进风管直径和在下箱体中布置钝体的改造措施,前者是降低入射气流速度,后者是引导气流形成均匀的纵掠滤袋流动。改进后,袋室内各滤袋组的过滤速度和滤袋间隙速度均匀分布,袋室阻力可下降约60%。对于扩大进风口的措施,Pereira等用Fluent软件模拟了4种入口位置下除尘器内部的流场分布,结果表明双反向入口位置可在过滤器表面提供最均匀的质量流量分布。李少华等采用模拟方法,在除尘器入口安装7块逐渐下降的导流板,根据经验公式确定导流板高度,从添加导流板前后不同截面的速度分布云图可看出,在导流板的作用下,主流流股被分为7股气流均匀进入上箱体,改善了气流向灰斗后方聚集的现象。对比不同过滤速度下改进模型前后各滤袋平均气流速度分布,添加导流板后,除尘器内部各滤袋平均气流速度的不均匀程度均有所改善。文献针对袋式除尘器气流分布不均匀的问题,通过对比添加不同形式导流板后各流场的均匀性,确定了最佳导流板形式及安装尺寸。

下进风袋式除尘器灰斗中添加导流装置以改善气流不均匀分配的研究表明,目前多采用加装导流板、钝体及各种组合形式的均流装置强制改变气流流动规律,对射流进行分流,弱化进口射流对气流分配的影响,加装导流装置比无导流的装置效果更优,多种给定导流装置对灰斗内气流流动分配均匀性均有影响。目前针对下进风袋式除尘器灰斗的优化研究多采用大量实验对比待选方案,从中选择最优灰斗结构,此方法有较大盲目性,推广性较差,这主要是因为对进入灰斗内的射流流动机理研究尚不充分,流场特性并不清楚,难以提出准确的优化方案,有目的地进行结构优化。

本工作采用理论分析及Fluent软件模拟的方法对下进风袋式除尘器灰斗内三维射流流场特性进行研究,主要分析了入口射流的扩散特征,在此基础上确定了导流装置的形式、结构尺寸及安装位置,最终实现对灰斗结构的优化,以达到气流均匀分配的目的。

2原灰斗结构的数值模拟

2.1原灰斗结构

袋式除尘器物理模型如图1所示,包括上箱体、中箱体、灰斗(下箱体)、进风口、出风口等部分,烟气由进风口2流经灰斗1,进入除尘空间(中箱体),经滤袋过滤后通过袋孔6进入上箱体,经过滤后干净气流由出风口5排出。上箱体尺寸为3080mm×3610mm×550mm,中箱体尺寸为2480mm×3610mm×6150mm,灰斗是高2000mm的倒四棱台,出灰口尺寸为600mm×600mm,进口为1240mm×300mm的矩形。滤袋为15排10列,共150条,滤袋规格160mm×6000mm。

下进风袋式除尘器灰斗结构的优化

2.2物理模型简化

(1)采用单相气体进行模拟,简化工程中的含尘气体物理性质,通过研究袋式除尘器内单相气流的流动规律,为除尘器结构设计提供参考,模拟节省了计算时间,结果不失合理性。

(2)假定流体为定常流动,各项运动参数与时间无关。

(3)实际工程中处理烟气的温度为80℃,除尘器进出口处绝对压强分别为101325和100325Pa。空气在温度80℃、压强101325Pa时,密度为0.9997kg/m3;压强为100325Pa时,密度为0.9898kg/m3,整个流动过程中密度变化很小。空气在流动过程中压力和温度变化很小时,密度变化也很小,可近似看成常数。一般在工程中可将空气按不可压缩流体处理。

(4)对除尘器结构进行简化,不考虑清灰装置。

(5)模拟主要分析灰斗内流场的均匀性,不考虑滤袋的影响,在中箱体顶部设置与滤袋直径相同的圆孔代替滤袋。

2.3模型选择

用Fluent软件模拟,选用Realizable k-ε湍流模型,该模型已被有效用于不同类型的流动如射流和混合流的模拟。压力-速度耦合采用SIMPLE算法,对流项采用二阶迎风离散格式。空气作为流体介质。

2.4网格划分

在对下进风袋式除尘器进行网格划分时,将进风口与灰斗作为整体进行网格划分,网格类型选用TGrid非结构网格,剩余空间采用结构网格。综合考虑计算量与计算精度,最终确定节点间距为50mm,经验证此时模拟结果随网格数增加产生的误差不超过2%,网格独立性良好。

2.5边界条件

入口条件:入口边界选用速度入口,除尘器实际处理风量约为20000m³/h,根据除尘器进风口尺寸,换算得进口流速为14.96m/s。

出口条件:袋式除尘器的压力损失通常为1000~2000Pa,净化后的烟气经风机送入烟囱排放,为负压除尘。出口边界选用压力出口,取值1000Pa。

固壁条件:固体壁面为无滑移条件,实际中除尘器壳体的材质为钢板,按照工业用材常用固壁当量糙粒高度的取值标准,取当量糙粒高度为0.15mm。

2.6均匀性量化处理

袋底流场的分析取灰斗平面以上75mm处平面为监测面,该平面位于除尘器灰斗上平面与滤袋底部之间的空旷区域,是除尘器灰斗内流场与袋室内流场的交接处。该处的流场既反映灰斗内流场分布,又可影响袋室内流场分布,决定气流能否均匀进入每个滤袋。此处是测试和反映除尘器内气流整体均匀程度的最佳位置。

袋底速度场的分布采用速度相对均方根值δ作为气流速度均匀性的评价指标,该标准的特点是对速度场的不均匀值反应较灵敏,计算公式为

 下进风袋式除尘器灰斗结构的优化

式中,vi 为监测点上的流速(m/s),v 为监测面上的平均流速(m/s),n 为监测面上的监测点数。

为使监测面上监测点布置均匀,布置10×10=100个监测点。由于除尘器结构对称,取对称轴线一侧的50个监测点分析,从除尘器外壁面向对称面依次取5排点,每排10个矩形面,各矩形面中心点为监测点,各矩形面的平均风速为各监测点的风速,监测点分布见图2。

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2.7计算结果及分析

图3为原灰斗结构流场分布,包括除尘器内部流场速度矢量图、监测面速度分布云图及监测面平均速度分布图。从图3(a)可看出气流由入口进入灰斗后,沿主流方向形成一股冲击射流,射流边界越来越宽,一直延续到后壁面;到达壁面后气流开始分散,部分气流沿壁面向上运动。由图3(b)可知,后壁面附近气流速度较大,导致滤袋破损,使用寿命降低。向下气流在灰斗中形成较大漩涡,易造成二次扬尘。由图3(c)可知,气流从入口进入灰斗后,主要集中在后壁面处,最后排测点平均速度为6.86m/s,而中间区域平均速度为0.72m/s,速度相对均方根值高达0.99。从以上分析可知,原袋式除尘器内部流场分布很不均匀,需进行结构优化。

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3结构优化与分析

由图3可知,气流进入灰斗后沿主流方向形成一股冲击射流,一直延续到后壁面,在Z方向(竖直方向)上射流扩散角为9°。基于气流的扩散特性,结合均分射流流股高度的思路,采用在灰斗中添加导流板的方式,用导流板阻挡分流将射流流股高度进行均分,对原灰斗结构进行优化。本工作提出3种优化灰斗结构模型,其中优化结构II添加竖直导流板,优化结构III第3块板倾斜18°,优化结构IV第3块板为直板加翼板。

3.1添加竖直导流板

在灰斗内水平方向等间隔放置3块厚度5mm的导流板,导流板沿横向贯穿灰斗。

导流板高度的确定基于射流的流动规律及均分气流的思路。从图3可看出,气流进入灰斗后,与周围流体进行动量交换,将周围流体卷吸带入射流边界层,导致流股变宽(射流扩散角为9°)。为在竖直方向均分气流,第1块导流板设置在灰斗上平面距射流流股高度的1/4处,如图4所示。由图可知,第1块导流板高度L1为

L1=h+H/4                     (2)

式中,h为灰斗平面到射流上边界高度(m),H为射流上、下边界高度(m)。计算得第1块导流板高度L1=0.23m。

下进风袋式除尘器灰斗结构的优化

在灰斗中添加导流板后,流场发生变化,添加第1块导流板后对流场进行分析,确定在灰斗内水平方向距进口1/2处、灰斗上平面距剩余射流流股高度的1/3处设置第二块导流板。最终确定3块导流板的高度分别为0.23,0.33,0.58m,如图5所示。

下进风袋式除尘器灰斗结构的优化

图6为优化结构II的流场分布,由图6(a)可知,气流进入灰斗后,在导流板的作用下分为4股上升的气流。由图6(b)可看出,X,Y方向气流均匀性提高,监测面速度分布总体比原结构均匀。由图6(c)可知,最大速度减小为5。6m/s,出现在袋室中间区域;最后排监测点平均速度减小为2.4m/s,监测面速度相对均方根值减小了41.4%,有效改善了射流最大后壁面的冲击,流场均匀性提高。

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3.2第3块导流板角度

由于压差作用,气流流经第2块导流板后部分气流沿导流板向上运动,剩余气流被折射为与水平方向夹角18°的自由射流。

考虑射流偏转的影响,提出优化结构III,即将第3块导流板倾斜18°,与来流方向垂直,其流场分布见图7。

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3.3第3块板板型

考虑射流偏转的影响,提出优化结构IV,即第3块板为直板加翼板,其中翼板与来流方向垂直,高度为所在位置流股宽度的1/2,其流场分布规律见图8。

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所得各优化结构监测面的速度均方根见表1。由表可知,优化结构II,III,IV的监测面的速度相对均方根明显降低,流动均匀性比原结构I显著改善。考虑射流偏转的优化结构III和IV比结构II均匀性稍有减弱。

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3.4压降损失影响

袋式除尘器的运行阻力表现为过滤压降pt(Pa)。

pt=pf+pc+pm          (3)

式中,pf为烟气通过干净滤袋时的压降(Pa),pc为烟气通过粉尘层或滤饼的压降(Pa),pm为除尘器设备壳体的机械损失(Pa),与除尘器进风管道、花板、挡板等设计和制造有关。

添加导流板前后,运行阻力变化见表2。从表可知,灰斗中添加导流板会使运行阻力小幅上升,上升率最大不超过5%。

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4结论

采用理论分析及Fluent软件模拟对下进风袋式除尘器灰斗内三维冲击射流流场特性进行研究,基于射流流动规律及均分气流的思想,对射流流股进行均分确定导流板结构尺寸,优化灰斗结构,得到如下结论:

(1)原灰斗结构,气流由入口进入灰斗后,沿主流方向形成一股冲击射流,直冲灰斗壁面,在选定监测面速度相对均方根高达0.99,气流极不均匀。

(2)考虑压差导致的射流偏转,提出优化结构III(第3块导流板倾斜18°)和IV(第3块板为直板加翼板),袋室内气流均匀性比原灰斗结构显著改善,比优化结构II(添加3块导流板)稍有减弱。对除尘器灰斗结构进行优化时,可忽略射流偏转对流场分布的影响。

(3)在灰斗中添加导流装置均会略微增大除尘器的运行阻力。