袋式除尘器内部流场分析

袋式除尘器内部流场分析

袋式分离器具有效率高、运营稳定、结构简单、能够处理高湿度气体的优点。这是使用最广泛的过滤设备之一。滤袋是袋式除尘器的核心部分,直接影响除尘器的除尘效率和寿命。如果除尘器内部流场分布不均,则容易导致滤袋破损。滤袋一旦破损,如不及时处理,会造成更大区域的破损。袋式除尘器内部气流分布比较复杂,除尘器钢结构、进气速度和滤袋布置等都会对其产生较大影响。用实验测试的方法研究气流分布需要大量的仪器设备,研究周期长,成本高,而且不能区分各影响因素的作用。本文利用计算流体动力学对袋式除尘器内部流场进行数值模拟,提出在进气通道内添加气流均布板的改进措施,对改进前后箱体内气流分布情况进行对比分析。1数值模拟平台的构建1.1袋式除尘器的模拟结果由于袋式除尘器内部结构和流场相对比较复杂,为了建模和计算方便,对其作以下假设和简化:(1)假设进入除尘室的烟气中没有大颗粒物质,简化成单相流处理;(2)实际中,袋式除尘器随着处理烟气量的增加和清灰过程的循环,滤袋表面堆积的粉尘量是不断变化的,即滤袋的渗透性是随着过滤时间和清灰频率而变化的,而在此仅做静态模拟,也就是在一定粉尘厚度的情况下,对内部气流的分布做近似模拟分析;(3)滤袋以圆柱面表示,不考虑其在工作中的形变;(4)简化了除尘器的结构,未考虑清灰装置;1.2模型建立和网格划分图1是福建某环保公司的袋式除尘器结构简图,由于结构的对称性,取除尘器的一半作为计算模型,并设为轴对称图形。该除尘器采用侧进风结构形式,钢结构分为上箱体、中箱体、灰斗、进气口和出气口等部分,隔板将半箱体分为6个气室,斜隔板将进出气口分开。气流从进气口进入,向下进入灰斗,绕过隔板下方,进入各个气室,经由滤袋过滤,进入上箱体后从出气口流出。模型的基本参数如下:中箱体是长方体,长7710mm,宽5930mm,高3000mm;上箱体高1670mm;灰斗为高4000mm的倒四棱锥体,底面尺寸1000mm×500mm;滤袋直径44mm,长3000mm。在大容量的三维数值模拟计算中,网格划分是一个重要的问题。本文利用Gambit软件对计算区域划分网格,采用有限容积法对方程计算区域进行离散。采用结构化和非结构化混合网格:进气口、出气口、滤袋周围区域和滤袋都采用结构化网格;灰斗采用非结构化网格。模拟区域划分的总网格数约为100万。1.3滤袋压力方程袋式除尘器内部是复杂的三维湍流流场,为方便计算,假定流体是等温不可压缩,作定常流动,模拟计算选用标准k-ε双方程模型。控制方程为:连续性方程:动量方程:式中:ui、uj为速度分量;xi、xj为坐标分量;ρ为气体密度;p为静压;τij为应力张量;gi为重力加速度分量;Fi包含了其他的模型相关源项,如多孔介质和自定义源项。湍动能k方程:耗散率ε方程:式中:μ是层流流体粘度;μt是湍流流体粘度;Gk是由于平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项;σk和σε分别是与湍流动能k和耗散率ε对应的Prandtl数;C1ε和C2ε为经验常数;本文取σk=1.0,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92,其他参数的取值见参考文献。在模拟中,滤袋多采用多孔跳跃模型,在连续相的动量方程中加入附加的黏性损失项,流体穿过介质的压力降满足Darcy公式:式中:Δp为通过介质的压力损失;α是介质的渗透性;C2为压力跳跃系数;v是垂直于介质表面的速度分量;Δm为薄膜的厚度。1.4阶正常值离散计算利用Fluent软件模拟袋式除尘器内流场的分布,采用标准的k-ε双方程模型,稳态3D的压力基求解器,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,对流项选取二阶迎风离散格式,在近壁区采用标准壁面函数法。袋式除尘器模型的进口选用速度进口边界条件,除尘器的出口选用出流边界条件。利用滤袋这种有限厚度的薄膜性质模拟滤袋过滤,选用多孔跳跃边界条件,对称面采用对称边界条件。由环保公司提供的数据可得出该袋式除尘器模拟计算时输入的边界条件值:入口速度为10m/s,湍流强度为10%,水力直径为1000mm,滤袋的多孔介质边界条件中面的渗透性为3.5e-11,多孔介质的厚度为2mm,压力阶系数为0。2烈碰撞,碰撞后滤袋整体出现重排图2是除尘器原设计模型中内部气流的轨迹线图,图2(a)是从除尘器钢结构对称面看,图2(b)是从图2(a)的反向看。图3是不同截面的速度分布云图。由图可见,气流从进气口进入后,沿着斜隔板向前冲击,与前壁面发生强烈碰撞,碰撞后,气流主要分成两部分。一部分气流直接向近壁面的几个气室发展,造成这几个气室内部的气流相对比较紊乱,并且在这几个气室的滤袋底部形成速度相对较大的射流,造成这些滤袋底部长时间受到高浓度含尘气流的冲刷。同时,这部分气流在形成射流后,直接撞击灰斗的侧壁面,并沿着侧壁面上爬,这些上爬的气流也使近壁面的滤袋受到较严重的冲刷,加剧滤袋的磨损。另一部分与前壁面碰撞的气流,向下沿灰斗的壁面绕流,在灰斗内形成较大的涡流,涡流沿着灰斗的另一个壁面上升,会出现二次扬尘的现象,这些粉尘被气流重新带到滤袋,加重滤袋的负荷,也增大了除尘器内部的流动阻力。第一气室内部的气流相对比较紊乱,部分原因是涡流在灰斗的前壁面处向上爬升进入第一气室。3气流均布板的影响通过对除尘器原型的模拟可以看出,6个气室内部的气流分布较不均匀,因此,需对设备进行改造,优化内部流场。图4是改进后的除尘器结构简图,加装宽度为1.6m、开孔率为22%的气流均布板。图5是除尘器改进模型中内部气流的轨迹线图,由图可见,当气流遇到前壁面而要沿壁面向上部各个气室发展的时候,首先遇到开孔的气流均布板,气流在这里被分流,部分气流通过板上的开孔流出,部分气流在板的阻挡下,沿板的方向流动,接近于气室中间的位置开始向上面的整个空间发展。与原模型相比,由于气流均布板的作用,气流没有形成直接冲击滤袋底部的射流,而是被分流和阻挡。虽然,部分通过均布板开孔的气流以及绕过均布板沿着灰斗壁面向上发展的气流,还是对滤袋底部造成一定的冲击,但是,冲击气流的流量和速度已经有所降低。另一部分向下沿着灰斗绕流的气流,虽然仍然会形成涡流,造成二次扬尘,但是由于气流均布板可以阻挡扬起的部分粉尘,降低二次扬尘带来的不利影响。图6是除尘器改进模型不同截面的速度分布云图,由图可见,整个除尘器内部气流场的均匀性得到改善。加装了气流均布板之后,后几个气室的射流现象得到了改善,同时,有效地避免气流直接冲击滤袋底部。当气流向上部空间发展时,由于气流总是沿着阻力较小的位置流动,因此仍有气体沿侧壁面爬升的现象,在速度云图中也反映了近壁面的速度相对较大的特点。为了使气流能够在接近于或大于气室中间的位置开始向上面的空间发展,应适当选取气流均布板的宽度。4气体流量分配滤袋的流量分配系数Kqi表示每个滤袋实际处理气体流量Qi与平均处理气体流量Qmean的比值,即:式中:n是模型中滤袋的总个数。最大流量不均幅值ΔKqi是指最大流量分配系数Kqimax和最小流量分配系数Kqimin之间的差值,即:当气体流量分配不均匀时,Kqi在1.0附近波动,ΔKqi≠0,其值越大,表明气流均匀性越差。综合流量不均幅值是指所有滤袋的流量分配系数与理想状态下的绝对均匀系数1.0之差的绝对值的平均值,这个参数综合考虑了各个滤袋的流量偏差,评价比较全面,即:限于文章篇幅,图7只显示了第二气室改进前后的气流分配系数,其他5个气室情况类似。可以看出,各滤袋的气流分配系数Kqi在1.0附近波动;加装气流均布板后,各滤袋的气流分配系数的波动幅度减小,即减小,且最大流量分配系数Kqimax减小,气流分布比原型更均匀。图8是6个气室的综合流量不均幅值对比图,由图可知,改进后的综合流量不均幅值较改进前有所降低,气流均匀性增强。5模型结果分析(1)采用计算流体动力学数值模拟方法能够很好的模拟袋式除尘器内流场,使工程人员清晰地了解其内部气流分布情况,这是物理实验难以达到的效果,可以进一步指导除尘器的设计,运行和改进。(2)