基于相似理论的袋式除尘器流场实验研究

基于相似理论的袋式除尘器流场实验研究

袋式分离器具有效率高、抗煤适应性强、设备运行稳定可靠、维护简单、能处理高浓度灰尘等优点，广泛应用于发电装置。然而，在实际使用中，也发现了一些问题，主要体现在以下几个方面：由于袋的总使用寿命短、破袋率高、运营后期的过滤阻力高等。在分析原因时,清灰装置的位置、清灰压力的大小、烟气温度的高低及滤料选用是否恰当等等往往是重点考虑的因素,而对于除尘器内气流分布是否均匀往往关注不足。袋式除尘器气流分布均匀与否是影响其整体表现的重要因素。如果袋式除尘器内气流分布不均匀,会造成不同过滤单元的过滤负荷不同,使得负荷相对较高的单元内滤袋的表面冲刷磨损加剧,滤袋过滤阻力上升加快,清灰频率提高,从而加速滤袋的破损,降低滤袋的使用寿命,影响袋式除尘器的整体表现。相比于电除尘器,我国对于袋式除尘器气流分布的物理模型实验研究相对较少。我国电力行业标准中规定,对每一台新设计的电除尘器及其前后烟道必须做气流分布模拟实验,而对于袋式除尘器则没有相应的规定,这也在客观上造成了在一些实际工程中袋式除尘器内部气流分布状况不佳,影响了滤袋的寿命和除尘器的运行效果,增加了电厂的运行和维护成本。因此,针对实际工程进行袋式除尘器气流分布模型实验,研究和优化袋式除尘器的气流分布,对于提高滤袋寿命,保证袋式除尘器高效稳定运行具有重要意义。1实验装置及流程本项研究以某新建燃煤电厂袋式除尘器工程为研究对象。该工程为1台炉配2台双室袋式除尘器,共4个过滤室。由于锅炉出口至除尘器入口场地狭窄,因此需在位于边侧的过滤室进口喇叭前端直接连接弯管段。为了考察和优化该过滤室的气流分布情况,为实际工程提供气流分布措施的设计依据,本项研究以单台除尘器位于边侧的过滤室为原型,以1∶7的比例建立了物理模型实验装置,模拟范围从进口喇叭前端弯头至出口喇叭。滤袋规格为Ø130mm×1100mm,共126条,直径及袋间距均保持与实际工程中相同。模型设有发尘装置和清灰系统,可以对两相流条件下系统的气流分布状况进行测试。在进口喇叭内设有2块导流板,并与过滤室内设置的夹道板连为一体,可起到导流作用,在进口喇叭上壁面开有两道卡槽,可方便装设和拆卸不同开孔率(30%和50%)的气流分布板。将A-A进口断面(即测孔所在断面)划分为4个区域,各区域的流量分配设计要求如图1所示。实验过程中,通过热球风速仪测量进口断面各测点风速进而计算出各区域的流量分配比例,并通过增加导流板及改变气流分布板的组合方式等措施对进口断面的流量分配情况进行优化,使其接近于设计要求,从而得出适用于该燃煤电厂袋式除尘器工程的气流分布设计方案。2分析与讨论的结果2.1模型内部流场的测试根据相似理论,在进行物理模型实验时,模型与原型之间必须满足几何相似、运动相似、动力相似及初始条件和边界条件相似等基本条件。在几何相似的前提下,为使模型与原型运动相似和动力相似,需对模型的流动状态进行测试,保证其处于第二自模区内。欧拉准则和雷诺准则分别是表征压力场和流动状态的相似准则,其表达式为:Eu=ΔPρu2Eu=ΔΡρu2(1)Re=udHνRe=udΗν(2)dH=4ASdΗ=4AS(3)式中:ΔP——进出口断面之间的阻力(Pa);ρ——流体密度(kg/m3);u——流体的速度(m/s);ν——流体的运动粘度(m2/s);A——测试断面截面积(m2);dH——测试断面当量直径(m);S——测试断面湿周(m)。根据上述理论对模型在不同运行参数下的流动情况进行了一系列测试,并将得到的结果做成如图2所示的Eu=f(Re)曲线,以判定临界雷诺数。由图2可知,当Re>2.2×105时,Eu不再随着Re的变化而变化,基本为一常数,此时A-A进口断面平均风速u=1.06m/s,系统流量Q=9445m3/h,模型内部流场进入第二自模区。即在进行本实验时,必须使系统流量Q>9445m3/h,才能确保模型与原型运动相似,所得到的实验数据才是有效和可靠的。根据陈国榘等的研究和总结,当模型缩小比例为1/5～1/8时,一般情况下只需满足Re=2×105～2.5×105,即可保证模型内的流场处于第二自模区内。这也进一步验证了上述对于第二自模区的判定结果是准确可靠的。2.2a-a进口断面各测点风速调节风机开度,并用皮托管测量系统流量Q,保证Q>9445m3/h。分别以f1和f2表示位于进口喇叭内2块导流板之间的2层气流分布板的开孔率,在第1次实验中将其均设为50%,用热球风速仪对A-A进口断面各测点风速进行测量,结果如表1所示。进口断面各区域风速大小如图3所示。图中横坐标表示测孔在A-A进口断面所处的位置,沿横坐标正方向分别对应实验装置A-A进口断面上从上到下的各测孔;纵坐标表示各测孔的平均风速大小。由实验结果可以看出,本次实验中Ⅱ区各测孔平均风速远远大于其他3个区域,进口断面流量分配远远偏离设计要求,系统内部偏流严重,气流分布非常不均匀。2.3开孔率对系统偏流的影响为了考察气流分布板开孔率对系统气流分布的影响,将靠近装置烟气入口的第1层气流分布板的开孔率改为30%(即令f1=30%),其他条件保持不变,进行第2次实验,实验结果如表2和图4所示。实验结果表明,改变气流分布板的开孔率并没有使系统偏流现象得到明显的改善,气流分布不均匀的现象依然非常严重。通过对前2次实验结果的分析可以得出如下结论:由于实验装置的进口喇叭前端直接连接弯头,缺少必要的直管段,气流通过弯头进入喇叭口后缺少必要的整流措施,很大一部分由于惯性作用沿弯头的走向进入Ⅱ区,造成Ⅱ区的流量明显偏大,而另一侧的Ⅲ区流量明显偏小,系统偏流严重,气流分布非常不均匀。喇叭口内的导流板及位于导流板中间的2块气流分布板不足以起到均匀气流的作用。因此,在弯头和进口喇叭内增设必要的导流和均流措施是十分必要的。2.4增设回流板及气流分布板针对进口断面偏流严重的问题,保持上述实验条件不变,在弯头内沿弯头走向等距离地增设2块弧形导流板,并在进口喇叭内靠近Ⅱ区一侧的夹道中增设2层开孔率均为30%的气流分布板,增加此夹道内的局部阻力系数,而靠近Ⅲ区一侧的夹道内不作改动,从而调整气流流向,解决进口断面偏流严重的问题,新增导流板及气流分布板位置如图5所示。由表3和图6可知,增设导流板和气流分布板后,进口断面风速的极大值由前2次实验中的超过12m/s降低到了4.4m/s左右。Ⅱ区流量大幅下降,系统偏流严重的问题基本得到了解决,气流分布状况有了明显的改善。但仍需注意的是,进口断面各区域的流量分配比例均不同程度的偏离设计要求,因此需要进一步调整和优化。其中,Ⅰ区的流量分配比例偏高较多是需要特别关注的问题。虽然I区内平均风速较低,且各测点测得的风速也比较平稳,但相对较大的流量势必会增加该区域滤袋的处理负荷,加剧粉尘粒子对滤袋的正面冲刷,加速该区域滤袋的破损。2.5u3000测试结果为了使进口断面各区域的流量分配进一步接近设计要求,降低Ⅰ区的流量比例,将位于进口喇叭导流板之间的第2层气流分布板开孔率换为30%(即令f2=30%),其他条件保持不变,对模型装置的气流分布情况进行进一步的测试,结果如表4和图7所示。实验结果表明,在改变气流分布板的开孔率后,进口断面的风速极大值进一步降低,各区域的流量分配比例基本可以满足设计值的要求,系统的气流分布情况达到了比较均匀和稳定的状态。纵观整个实验过程还有一些问题值得注意:实验过程中,Ⅰ区及Ⅳ区各测点测得的风速一直比较稳定,且风速大小都在比较安全的范围内。风速的极大值一般出现在Ⅱ区或Ⅲ区的第5或第6个测孔处(即图1中主视图所示A-A断面自上而下的第5、第6个测孔),并且在Ⅱ区的最下部测孔(即各风速图中所示Ⅱ区最末端2个点)测得的风速一般也较大。这是因为Ⅱ区和Ⅲ区流通面积较小,且第5、6测孔处于进口喇叭的中心,风速相对较大;而为了防止积灰,每块气流分布板的下沿与进口喇叭的下壁面间都留有一定的空隙,因而阻力较小,风速也相对较大。高风速容易对滤袋造成冲刷,但由于过滤室内布置有夹道板,流经Ⅱ区和Ⅲ区的气流不直接接触滤袋,因此不会造成对滤袋的损伤。3进口喇叭的前车板及夹道板的设置(1)物理模型实验是考察和优化袋式除尘器气流分布均匀性的有效手段,同时也是为袋式除尘器气流均布措施设计提供依据的重要途径。本项研究通过物理模型实验,得出了适用于某燃煤电厂袋式除尘器工程气流分布的设计和优化方案。①在进口喇叭内与喇叭口左右侧壁面平行的方向布置2块导流板,并在进口喇叭前端弯头内沿弯头走向设置2块弧形导流板,起到导流作用。②在进口喇叭内2块导流板之间及靠近进口断面Ⅱ区一侧的夹道内各设置2层气流分布板,开孔率均为30%,而在另一侧的夹道内不布