袋式除尘器内部流场数值模拟研究

刘影,周天宇，李刚

（1.安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032；
2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

目前在我国，电力行业是消耗煤炭的最大部门，也是工业粉尘主要排放的部门。随着我国环保力度的加大，对烟囱出口排放的浓度标准越来越高，袋式除尘器也是我国出现最早的除尘器种类之一，作为电力行业应用最广泛的除尘设备之一，对袋式除尘器进行优化改造，提高袋式除尘的除尘效率，具有十分重要的现实意义。其除尘效率不仅与滤袋的材质、性能有关，还与除尘器内部结构有关。袋式除尘器内部流场不均匀，容易破坏滤袋，阻力变高。本文通过流体力学软件对除尘器的流场进行数值模拟，为袋式除尘器的结构优化提供了依据。

1.1 袋式除尘器工作原理

当含尘气流从进风口进入后，有一部分的粉尘由于自重的原因落入灰斗中，还有一部分的气体由于滤料纤维等作用被滤袋阻拦，附在滤袋表面。气流的扰动会使吸附在滤袋上的粉尘脱落。当灰斗内部粉尘积累到一定量的时候，会开启泄压阀，粉尘可以再次回收利用。

1.2 建立几何模型与网格划分

以某项目中袋式除尘器为例，其结构如图1所示。该除尘器主要由进气口、出气口、除尘室、净气室、滤袋、灰斗等组成。进气口的截面为800 mm×400 mm的方形，排气口为直径250mm的圆形开孔，灰斗是倒四棱锥。除尘器中共有6条圆形滤袋，每条滤袋的直径为200mm，长度为1800mm。

图1 袋式除尘器结构示意图

网格的划分是数值模拟的前提，好的网格质量也对应了更加准确的结果。本文利用ICEM进行网格划分，为了保证计算精度，应尽可能减少网格的数量，并采用规则形状的网格。建立模型时，只考虑袋式的进口到天花板，不考虑其他部件对模拟效果的影响。滤袋属性设为多孔介质模型，根据除尘器内部流场及几何模型的特征，采用非结构化网格进行划分。袋式除尘器的有限元模型见图2所示。

图2 有限元模型

1.3 控制方程

本文将入口空气看作为不可压缩流体，利用FLUENT模拟软件模拟袋式除尘器时，连续相计算采用标准k－ε湍流模型，具体的控制方程如下。

①连续性方程:

②动量守恒方程：

③湍动能方程：

④耗散率方程：

1.4 边界条件

袋式除尘器是复杂的三维流场，本文采用的k－ε方程湍流模型，压力－速度耦合采用SIMPLE算法，选取一阶迎风离散格式。滤袋采用多孔介质模型，压力满足Darcy公式。具体边界条件如下表所示。

边界条件

通过数值模拟的计算，获得了袋式除尘器压力，速度分布的云图，利用后处理将云图进一步优化，现采用ZX平面的速度云图进行分析。

2.1 初始模型结构分析

从图3（a）我们可以发现，粉尘通过入口进入到袋式除尘器内部后，由于空间范围变大，粉尘向周围扩散。在扩散的同时，粉尘以较大的速度对最右侧的滤袋进行了冲击，从而对这部分区域的滤袋磨损更加严重，减少了袋式除尘器整体的使用寿命。图3还可以看出粉尘进入到袋式除尘器内部后，入口速度过大之外，在灰斗处也有高速的气流。可以看出灰斗近壁面处速度较大，容易造成二次扬尘，影响除尘的效率，并且又不利于粉尘颗粒的收集，导致该除尘器内部流场的不均匀。

图3（a） Y=0.95截面

从图3可知，入口处气流流速比较大，气流间歇速度过大。正对入口截面的滤袋如图3（b）所示，风速比Y=1.47的截面的风速更大，对滤袋的冲刷更严重。

图3（b） Y=1.47截面

2.2 改变速度后结果分析

考虑到原结构流场的不均匀，通过改变边界条件即进气速度，来对除尘器进行数值模拟，三个速度分别为7m/s、8.5m/s、10m/s，如图4所示。

当入口进气速度增大到10 m/s时，数值模拟的流场速度云图分布见图4（b），与图3以及图4（a）进行比较，发现在除尘器内部，气流获得了更大的水平方向速度，从第一排滤袋到第二排滤袋，气流在整个区域内更加均匀。

图4（a） v=8.5m/s

图4（b） v=10m/s

2.3 改变结构后结果分析

在选取速度为10m/s的基础上，对除尘器内部的结构进行改变，通过增加挡板进行优化，挡板的作用是为了避免入口处烟气直接冲击布袋造成入口处布袋负荷过重，而其他部分负荷太轻，目的就是让流场更均匀。具体的流场图见图5所示。加入挡板后，气流沿着壁面缓慢向下运动，速度也逐渐降低。进入到布袋的流体速度也只有2m/s左右，对滤袋的冲击也相对温和一点，不会造成严重的磨损。加入挡板后，流场均匀性得到了改善，优化后的流场可以减少二次扬尘，减少粉尘气流对滤袋的冲刷。

图5 Y=0.95

①我们能够利用CFD-FLUENT软件进行数值模拟，模拟袋式除尘器的内部流场，探讨内部流场的均匀性，能够有效地反映出内部的流动状态，为袋式除尘器气流分布、结构优化设计提供了依据。

②原始的袋式除尘器内部流场分布不均匀，当含尘气流进入除尘器内部时，对入口侧的滤袋冲刷严重，滤袋的负荷过大，从而会对滤袋造成损坏，进而减少使用寿命。远离入口侧的部分滤袋得不到充分利用，会降低整个除尘器的除尘效率。

③通过改变进气速度，分别比较7m/s、8.5m/s、10m/s时候的流场，发现当进气速度达到10m/s时，流体在水平方向上速度更大，提高了除尘效率。袋式除尘器内部流场会更加均匀。

④通过结构的优化，在入口处增加了挡板，使粉尘的扩散方向发生了改变。大颗粒粉尘直接与挡板碰撞，顺着挡板流入灰斗中，减少了对滤袋的冲刷，提高了除尘效率。