布袋除尘器挡板和导流板对气流分布特性的影响研究

时间：2024-07-28

方芸李雲郎景伟

（浙江蓝天求是环保集团有限公司浙江杭州 310012）

布袋除尘器是近年来发展起来的一种高效除尘装置，除尘效率不仅与滤料本身性能有关，还与其内部流场相关。布袋除尘器的内部流场是复杂的三维流场，流场分布的均匀性无法通过计算获知；在实际设计中，除尘器内部结构参数一般通过经验值设定，存在盲目性。近年来，随着流体动力学计算软件FLUENT的出现和应用，逐步采用数值模拟方法研究除尘器内部烟气流动规律，大大减少物理实验的次数。通过FLUENT数值模拟可优化除尘器内部结构，以便得到更均匀的流场分布，为布袋除尘器的优化设计提供可靠依据。本文利用FLUENT对某工程1×410 t/h锅炉的布袋除尘器进行三维流场的数值模拟，考察整个除尘系统的烟气流量分配、速度及压力的内部分布规律，以期为除尘器中导流板的设计和优化提供理论依据，进而优化除尘器内部流场。

1 计算模型

1.1 结构模型及网格划分

数值模拟分析的对象为1×410 t/h锅炉的布袋除尘系统，布袋除尘器设计压力小于1300 Pa，设计温度为200℃，除尘效率大于99.9%。该系统为三室六单元的左右对称结构，共用一个入口烟道和出口烟道，出口、入口烟道由风道隔板隔成上、下两个独立的通道。除尘室单元左右对称，故选取除尘器的左部结构进行模拟，示意图见图1 ，箭头为烟气流动方向。

在烟道入口处设置一组导流板，使烟气均匀分布到各个除尘室入口。在除尘室入口与布袋束之间设置挡板，避免烟气直接冲击布袋造成入口处布袋负荷过重，而其余部位布袋负荷过轻的现象，尽可能使速度场分布均匀。设计中，挡板上部一般高出除尘室入口一段距离，挡板下部比布袋底部长一段距离，但是不进入灰斗部分。

划分网格时，为了减少网格数量并尽可能划分出规则网格，根据流场特性和几何形状的复杂程度，采用split命令将模型分割为多个块，然后进行网格划分。网格数量约为110万个。

图1 除尘器结构示意图

1.2 假设条件

布袋除尘器内部流场复杂，建模时作以下假设：1）假设流体作定常流动；2）整个流动过程为等温过程；3)滤袋为张紧的圆柱体，在工作过程中无变形；4）假定流体为不可压缩。

1.3 物理模型

燃煤烟气中固体粉尘的体积分数很小（小于0.1%），而且其直径较小，因此这些粉尘的跟随性较强，对气相流动的影响基本可以忽略，故采用单一气相模型即可较真实的反映烟气流动及分布状况，并且节约计算资源。湍流模型选用标准κ-ε模型。

1.4 边界条件

布袋除尘器边界条件设置如下：烟气进口速度为14 m/s，温度为140℃；布袋厚度2 mm，设置为多孔介质模型；挡板和花板设置为壁面，流体不能穿过，只能绕流。

1.5 模拟方案

依次设定工况1（不加设任何导流板）和工况2（在烟道入口处设置导流板、在除尘室入口处设置挡板），通过调整工况2中导流板和挡板的位置、高度、角度等，对不同的模拟结果进行对比，确定最终的布置方案，以便为工程设计提供参考依据。

2 结果及分析

2.1 速度分布

通过Fluent后处理计算得到各除尘室的入口质量流率：（1）无导流板的工况依次为 29.36 kg/s、30.27 kg/s和 30.02 kg/s；（2）添加挡板和导流板的工况依次为：29.84 kg/s、29.87 kg/s、29.93 kg/s。从质量流率的计算结果可知，烟道入口导流板的布置对烟气在各除尘室之间的分布有明显的改善。烟气通过入口处导流板的导流和再分配，在各个除尘室之间均匀分布。

2.2 流场分布

图2 -1为单个除尘室内气体流场轨迹分布图。由图可见，除尘室入口没有挡板时，气流进入除尘室后以较快的流速冲击入口正对面的布袋和灰斗底部，并且分布很不均匀。气流主要集中在除尘室入口及其正对面区域，该区域内迹线分布密集，且气体流速较大，造成布袋负荷不均匀，易损坏；气流直接冲击灰斗底部，对已经落入灰斗的粉尘可能因此重新进入集尘箱，增加布袋除尘器的整体负荷，影响其效率和能耗。然而，在除尘室入口合理布置挡板后，上述现象得到明显改善。气流进入除尘室后不会直接冲击布袋和灰斗，且在除尘室内分布较均匀，大大降低布袋的磨损和除尘器的能耗，提高布袋的使用寿命。

图2-1 单个除尘室迹线分布图

2.3 压力分布

图2 -2为除尘室内部截面的气体压力分布图，图中压力值以出口面处压力值为0计算所得的相对压力大小，系统总压降约为1300 Pa。由图可见，除尘器的压力损失主要集中在布袋过滤处，这与实际情况相符；因布袋阻力大，烟气遇到布袋后只有很少一部分能够穿过布袋，大部分的烟气则沿布袋边壁向上，直到花板处。比较两工况可知，添加挡板和导流板后，布袋的压力损失从底部开始均匀分布，这表明布袋的底部过滤作用明显，并且布袋负荷均匀分布。因此，添加挡板和导流板能够优化气流分布。

图2-2 除尘室内截面压力分布图