下进风袋式除尘器内部流场的数值模拟

采用计算流体力学软件Fluent，通过数值模拟的方法对下进风袋式除尘器的内部流场进行了研究，发现原设计方案存在气流分布不均匀、设备阻力过大等问题，提出了在进气通道内添加导流板的改进措施．结果表明:在四种不同的工况下，改进后的袋室除尘器内部气流分布更均匀，进出口压力差减小，除尘器各部分均能起到良好的除尘作用，从而有效地减少了滤袋的磨损，提高了除尘效率和运行的稳定性，为袋式除尘器的结构优化设计提供了依据。

在我国，电力行业是煤炭消耗的最大部门，也是工业粉尘的主要排放部门。随着国家环保治理力度不断加大，对火电厂烟囱出口烟尘排放浓度要求日益提高，要求治理整改的期限也越发紧迫。作为电力行业应用最广泛的的除尘设备之一，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。

袋式是袋式除尘器的执行部分，袋室内的气流分布直接影响到除尘器的工作性能和使用寿命，气流不均易造成袋室内的布袋的破损，影响到袋室内其他滤袋的除尘效率。袋式除尘设备内部气固两相流动十分复杂，直接对袋式除尘器流场测试非常困难，因而一般选取CFD技术作为数值模拟的主要分析手段。

近年来，国内外学者针对这方面进行了许多研究。FraunhoferITWM［20］提出计算流体力学模拟过滤过程的算法。

Croom［20］提出了一些对进气口和导流板进行优化的改进措施，有一定的借鉴意义。德国INTENSIVFILTER公司［23，24］拥有自己专门的CFD部门利用CFX软件对方案前期预估以及袋式除尘器结构进行改进，在除尘器进口段通过加导流片改善内部气流组织，得到良好效果。

徐文亮等［11］分析了挡板除尘器流场状况，主要分析了前挡板长度和除尘器入口速度两因素对除尘性能的影响，提出了最佳挡板长度，并说明了降低入口速度对除尘器性能优化是有利的。郑辉等［13］用数值模拟软件对除尘设备进气烟箱放置气流分布板前后气固多相流的分布情况进行了数值模拟，提出了放置气流分布板后的气流分布情况明显优于未放置之前，气流分布较为均匀。

国内外一些袋式除尘企业已开始采用CFD技术，对除尘系统中流场进行定性研究，掌握流场分布规律，比较各种模型的优点和不足，了解各种袋室结构因素对气流分配的影响。笔者通过采用Fluent软件对改造前后袋室内的气流分布情况进行了对比分析，得到了改善气流分布的方案。

1数值模拟平台的建立

1．1几何模型及网络划分

研究选取的是下进风袋式除尘器，图1几何模型分为上箱体、中箱体、下箱体(灰仓)、进气口、排气口等几个部分。

模型基本参数为上箱体的长1600mm、宽2200mm、高6000mm，进风管位于上箱体底面位置，灰仓是高1200mm的倒四棱锥，灰斗侧面与水平面呈60°，滤袋直径130mm、长6000mm，滤袋为10排7列，间距是200mm×200mm，共70个滤袋，除尘器总过滤面积1807m2。

由于该除尘器是轴对称图形，因此在Fluent中可采用对称边界条件，建模只取其中一半作计算区域。模型的网格划分采用:上箱体的上表面和滤袋出口面的面网格采用三角形网格，滤袋及上箱体的体网格采用三角棱柱形网格，中箱体的体网格采用三棱柱形网格，除尘器的入口采用正六面体网格，下箱体的体网格采用四棱柱台形网格，见图2。

图2除尘器的几何模型及网格划分

按顺序将滤袋编号，靠近对称面的滤袋编为第1排，远离对称面的滤袋编为第5排，中间2排滤袋依次为第2排、第3排和第4排，每排滤袋在远离进风口侧的编为第1列，依次往后，共分7列，见图3。

1．2数学模型

假定袋室内部流体是等温不可压缩、作定长流动，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

1．3数值计算方法和边界条件

由于袋式除尘器内部结构复杂，为利于建立模型及计算方便，做如下假设:

(1)将进入袋室内细小颗粒和气体的混合物看作是一种均匀介质。

(2)分别在一定的粉尘厚度的情况下，对内部气流的分配作近似的模拟分析。

(3)建立模型时，只考虑袋室入口至袋式除尘器的花板处为止，不计其他部件的影响。

(4)由于袋式除尘器中滤袋数量庞大，因此，只取袋式除尘器中有限数量的滤袋进行模拟。

(5)由于模型的几何结构具有对称性，因此在模拟中可以取整个模型的一半作为计算区域。

由以上假设，本文采用标准的k－ε方程湍流模型、稳态3D分离隐式解算器，压力－速度耦合采用SIMPLE算法，对流项选取二阶迎风离散格式，在近壁区采用壁面函数法。滤袋采用多孔跳跃模型，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:

2数值模拟结果及分析

本模型是下进风式袋式除尘器，灰斗没有任何的气流均布装置，进气口面积较小，进气速度较高。

图4为入口风速7．11m/s，过滤速度1m/min工况的下进风式袋式除尘器流场速度云图。由图4中(a)—(e)中可以看到:在气流进入除尘器灰仓后，一小部分气流沿着除尘器上箱体前端墙体高速上升，造成这部分空间间歇速度过大，对靠近墙体滤袋的下部带来冲刷。

又由于在除尘器中被过滤下来的颗粒物向下运动，当颗粒物下降到气流射流处，又会被射流重新带回到上箱体，这样不仅加重了滤袋的负荷，而且以较大的速度冲刷滤袋，同时也使在靠近墙体的滤袋的气流量较大，靠近对称面的滤袋的气流量较小。

图4下进风式袋式除尘器Y轴方向不同截面的速度云图

图5下进风式袋式除尘器Z轴方向不同截面的速度云图

从5图中可以看出在布袋的底部附近(Z=0mm面)气流极不均匀，靠近墙体滤袋附近的气流流量比较大，不仅气流间歇速度过大，超过了设计值，而且气流的含尘体积浓度也很高，对滤袋造成严重冲刷，这样必然会降低滤袋的使用寿命。

由图5分析可以看出:入口处气流流速比较大，气流间歇速度过大，含尘体积浓度也很高，靠近墙体滤袋附近的气流流量比较大，一部分烟气进入袋室沿滤袋高度上升，烟气在遇到滤袋的阻挡后，一部分烟气沿滤袋间隙上升，一部分直接进入滤袋过滤。滤袋出口端速度较大且气流极不均匀，对滤袋造成冲刷，使滤袋内部所受压力不均，极易导致滤袋破碎。

3除尘器改进模型及模拟结果

3．1除尘器改进方法

针对现有的袋室进气口区域气流不均导致滤袋易破损的缺点，对袋式除尘器的结构进行优化设计，在除尘器的入口处安装了几块逐渐下降的导流板，以改变气体流动方向，得到几乎均匀的上升气流。

导流板排列形式不同，除尘器内气流分布也不同。根据除尘器滤袋的列数(n)，如图6所示，在除尘器的入口处安装了7块导流板。

为平分进气口的气流，根据经验公式(7)可得导流板板高:

式中:Hi为第i个导流板的高度，m;i=1，…，6;H为进气口的高度;n为滤袋的列数。

3．2改进后模型的流场分布

图7、图8为添加导流板后过滤速度为1m/min时除尘器不同截面的速度分布结果．由图5可以看出，在进风口截面添加导流板后，除尘器袋室内的回流区域进一步缩小，流场也更趋于均匀，尤其是袋室前后两部气流分布有了明显的改善．

图7改进后下进风式袋式除尘器Y轴方向不同截面的速度云图

图8改进后下进风式袋式除尘器Z轴方向不同截面的速度云图

为了能更加直观地显示袋式除尘器改进后流场的改善程度，在袋室内不同位置取面积相等的截面，分别计算这些截面改进前后的平均速度，结果示于图9。

图9为除尘器内部气流各滤袋不同工况条件下的改进模型前后气流平均速度分布对比，从图中可以看出:总体上，随着过滤速度的提高，除尘器内部各滤袋平均气流速度的不均匀程度呈增大的趋势。

图(a)－(d)．为过滤速度为0．5m/min，1m/min，1．5m/min和2m/min4种工况的除尘器内部气流分布平均速度改进前后对比，由图(a)(d)可知，在除尘器入口附近加导流板后，高速气流进入袋式除尘器后，气流受导流板的影响，气流的主流方向下移，在导流板的作用下分7股气流均匀地进入上箱体。

分流后气流速度相对较小，气流在进入除尘器后不会对滤袋带来严重冲刷，并且除尘器内气流分布也比较均匀。由于气流被分流，气流对后墙体的冲击变小，气流一直贴着除尘器下箱体的后墙体运动，回流速度也比原型的速度小，使得除尘器下箱体内气流分布均匀。在除尘器的不同截面，除尘器上箱体中气流间歇速度都小于设计值，没有对滤袋带来冲刷，整个除尘器内气流分布均匀。

4结论

(1)在原型中，气流高速冲刷灰斗墙体，一部分气流在灰斗内流动形成回流，使沉积的粉尘再次卷入气流进入袋室，从而加重了滤袋负荷;另一部分气流沿除尘器后墙体高速上升，冲刷滤袋，造成袋室后端的滤袋容易破损;

(2)在进口处添加导流板，可以对除尘器入口处的射流分流，使袋室内气流分布更均匀，有效减少对部分滤袋的集中冲击，从而提高了滤袋的使用寿命及除尘效率;

(3)采用计算机模拟方法能够很好地反映出除尘器内部气流的流动状况，为袋式除尘器气流分布、结构优化设计提供了依据。