采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了下吸氣袋式過(guò)濾器的內(nèi)部流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案存在氣流分布不均勻、設(shè)備阻力過(guò)大等問(wèn)題，提出了在吸氣通道內(nèi)添加導(dǎo)流板的改進(jìn)措施。結(jié)果表明，在四種不同的情況下，改進(jìn)的袋式過(guò)濾器內(nèi)部的氣流分布更均勻，進(jìn)出口壓力差減小，吸塵器各部分發(fā)揮良好的除塵作用，有效減少了過(guò)濾袋的磨損，提高了除塵效率和運(yùn)行的穩(wěn)定性，為袋式過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

在我國(guó)，電力行業(yè)是煤耗的最大單位，也是工業(yè)粉塵的主要排放單位。隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)管理力度的提高，火力發(fā)電廠煙囪出口煙塵排放濃度的要求越來(lái)越高，頓的期限也越來(lái)越緊迫。作為電力行業(yè)應(yīng)用最廣泛的除塵設(shè)備之一，對(duì)布袋除塵器進(jìn)行優(yōu)化改造，提高布袋除塵的除塵效率，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

布袋是布袋除塵器的執(zhí)行部分，布袋室內(nèi)的氣流分布直接影響除塵器的工作性能和壽命，氣流不均勻容易損壞布袋室內(nèi)的布袋，影響布袋室內(nèi)其他布袋的除塵效率。袋式除塵設(shè)備內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)非常復(fù)雜，直接測(cè)試袋式除塵器流動(dòng)非常困難，因此一般選擇CFD技術(shù)作為數(shù)值模擬的主要分析手段。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這方面進(jìn)行了許多研究。FraunhoferITWM［20］提出計(jì)算流體力學(xué)模擬過(guò)濾過(guò)程的算法。

Croom20提出了優(yōu)化進(jìn)氣口和導(dǎo)流板的改進(jìn)措施，具有參考意義。德國(guó)INTENSIVFILTER公司23，24自己的CFD部門利用CFX軟件改善了方案的前期估算和布袋吸塵器的結(jié)構(gòu)，在吸塵器的進(jìn)口部分通過(guò)添加導(dǎo)流片改善了內(nèi)部氣流組織，取得了良好的效果。

徐文亮等11分析了擋板吸塵器的流動(dòng)狀況，主要分析了前擋板長(zhǎng)度和吸塵器入口速度兩個(gè)因素對(duì)除塵性能的影響，提出了最佳擋板長(zhǎng)度，降低入口速度有利于吸塵器的性能優(yōu)化。鄭輝等13用數(shù)值模擬軟件模擬除塵設(shè)備吸氣煙箱放置氣流分布板前后氣固多相流的分布情況，建議放置氣流分布板后的氣流分布情況明顯優(yōu)于未放置前，氣流分布均勻。

國(guó)內(nèi)外部分布袋除塵企業(yè)已經(jīng)開始采用CFD技術(shù)，對(duì)除塵系統(tǒng)中的流程進(jìn)行定性研究，掌握流程分布規(guī)律，對(duì)比各種模式的優(yōu)缺點(diǎn)，了解各種布袋室結(jié)構(gòu)因素對(duì)氣流分配的影響。筆者通過(guò)使用Fluent軟件對(duì)改造前后袋室內(nèi)的氣流分布情況進(jìn)行了比較分析，得到了改善氣流分布的方案。

1數(shù)值模擬平臺(tái)的建立

1.1幾何模型和網(wǎng)絡(luò)劃分

研究選擇的是下進(jìn)風(fēng)袋式吸塵器，圖1幾何模型分為上箱、中箱、下箱(灰倉(cāng))、進(jìn)氣口、排氣口等幾個(gè)部分。

模型的基本參數(shù)為上箱體長(zhǎng)度1600mm、寬度2200mm、高度6000mm，進(jìn)氣管道位于上箱體底面位置，灰倉(cāng)為高度1200mm的倒四棱錐，灰斗側(cè)面和水平面為60°，濾袋直徑130mm，長(zhǎng)度6000mm，濾袋為10排7列，間隔200mm×200mm，共70個(gè)濾袋，吸塵器總過(guò)濾面積1807m2。

該吸塵器為軸對(duì)稱圖形，因此在Fluent中可采用對(duì)稱邊界條件，建模只有其中一半作為計(jì)算區(qū)域。模型格柵劃分采用：上箱體上表面和濾袋出口面格柵采用三角格柵，濾袋及上箱體體格柵采用三角棱柱格柵，中箱體體格柵采用三角柱格柵，除塵器入口采用正六面體格柵，下箱體體格柵采用四角柱臺(tái)格柵，見圖2。

圖2吸塵器的幾何模型和網(wǎng)格區(qū)分

按順序?qū)⑦^(guò)濾袋編號(hào)，接近對(duì)稱面的過(guò)濾袋編號(hào)為第1列，遠(yuǎn)離對(duì)稱面的過(guò)濾袋編號(hào)為第5列，中間的2列過(guò)濾袋依次為第2列、第3列和第4列，每列過(guò)濾袋遠(yuǎn)離進(jìn)氣口側(cè)編號(hào)為第1列，依次為后，共7列，見圖3。

1.2數(shù)學(xué)模型

假設(shè)袋室內(nèi)流體在等溫下不能壓縮，制定長(zhǎng)流動(dòng)，模擬計(jì)算選擇標(biāo)準(zhǔn)k-冷凍雙方程模型控制方程為

連續(xù)方程

1.3數(shù)值計(jì)算方法和邊界條件

袋式過(guò)濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了使模型和計(jì)算變得容易，假設(shè)如下:

(1)將進(jìn)入袋室內(nèi)細(xì)粒和氣體的混合物視為均勻介質(zhì)。

(2)分別在一定粉塵厚度的情況下，對(duì)內(nèi)部氣流的分配進(jìn)行類似的模擬分析。

(3)建模時(shí)，只考慮袋室入口到袋式過(guò)濾器的花板，不計(jì)其他部件的影響。

(4)由于袋式除塵器中濾袋數(shù)量龐大，因此，只取袋式除塵器中有限數(shù)量的濾袋進(jìn)行模擬。

(5)模型的幾何結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，因此在模擬中可以將整個(gè)模型的一半作為計(jì)算區(qū)域。

以上假設(shè)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-冷凍方程顛簸模型，穩(wěn)定的3D分離隱藏解算器，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)選擇二級(jí)迎風(fēng)離散格式，在附近的墻區(qū)采用壁面函數(shù)法。濾袋采用多孔跳動(dòng)模型，在連續(xù)相的動(dòng)量方程中添加附加的粘性損失項(xiàng)，流體通過(guò)介質(zhì)的壓力下降滿足Darcy公式:

2數(shù)值模擬結(jié)果和分析

本模型為下風(fēng)式袋式過(guò)濾器，灰斗無(wú)任何氣流均布裝置，進(jìn)氣口面積小，進(jìn)氣速度高。

圖4為入口風(fēng)速7．11m/s，過(guò)濾速度1m/min工況的下進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器流場(chǎng)速度云圖。從圖4中(a)-(e)可以看出，氣流進(jìn)入吸塵器的灰倉(cāng)后，一部分氣流沿吸塵器上箱體前端的墻壁高速上升，這部分空間的間歇速度過(guò)大，對(duì)靠近墻壁過(guò)濾袋的下部造成沖刷。

由于吸塵器過(guò)濾的粒子狀物質(zhì)向下移動(dòng)，粒子狀物質(zhì)下降到氣流射流處時(shí)，被射流帶回箱子，不僅過(guò)濾袋的負(fù)荷變重，而且過(guò)濾袋的速度也變大，接近墻壁的過(guò)濾袋的氣流量變大，接近對(duì)稱面的過(guò)濾袋的氣流量變小。

圖4下進(jìn)風(fēng)袋袋除塵器Y軸方向不同截面的速度云圖

圖5下進(jìn)風(fēng)布袋除塵器Z軸方向不同截面的速度云圖

從5圖中可以看出布袋底部附近(Z=0mm面)氣流極不均勻，靠近墻壁過(guò)濾袋附近的氣流量比較大，不僅氣流間歇性過(guò)大，超過(guò)設(shè)計(jì)值，而且氣流含塵量濃度也高，對(duì)過(guò)濾袋造成嚴(yán)重沖刷，必然會(huì)降低過(guò)濾袋的壽命。

從圖5分析可以看出：入口處氣流流速比較大，氣流間歇速度過(guò)大，含塵體積濃度也比較高，靠近墻體濾袋的氣流流量比較大，有些煙進(jìn)袋室沿濾袋高度上升，煙在遇到濾袋阻擋后，有些煙沿濾袋間隙上升，有些直接進(jìn)入濾袋過(guò)濾。濾袋出口端速度大，氣流極不均勻，清洗濾袋，濾袋內(nèi)部壓力不均勻，濾袋容易破碎。

3吸塵器改進(jìn)模型和模擬結(jié)果

3.1吸塵器改進(jìn)方法

對(duì)于現(xiàn)有袋室進(jìn)氣口區(qū)域氣流不均，濾袋易損壞的缺點(diǎn)，優(yōu)化吸塵器結(jié)構(gòu)，在吸塵器入口設(shè)置幾塊逐漸下降的導(dǎo)流板，改變氣體流動(dòng)方向，獲得幾乎均勻的上升氣流。

導(dǎo)流板的排列形式不同，吸塵器內(nèi)的氣流分布也不同。根據(jù)除塵器濾袋的列數(shù)(n)，如圖6所示，在除塵器的入口處安裝了7塊導(dǎo)流板。

為平分進(jìn)氣口的氣流，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(7)可得導(dǎo)流板板高:

式中:Hi為第i個(gè)導(dǎo)流板的高度，m;i=1，…，6;H為進(jìn)氣口的高度;n為濾袋的列數(shù)。

3.2改進(jìn)后模型的流場(chǎng)分布

圖7、圖8添加導(dǎo)流板后，過(guò)濾速度為1m/min時(shí)，吸塵器截面的速度分布結(jié)果。圖5顯示，在進(jìn)氣口截面添加導(dǎo)流板后，吸塵器袋室內(nèi)的回流區(qū)域進(jìn)一步縮小，流場(chǎng)也變得均勻，特別是袋室前后兩個(gè)氣流分布明顯改善。

圖7改進(jìn)后，下進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器Y軸方向不同截面的速度云圖

圖8改進(jìn)后，下進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器Z軸方向不同截面的速度顯示出不同的改進(jìn)。

圖9為除塵器內(nèi)部氣流各濾袋不同工況條件下的改進(jìn)模型前后氣流平均速度分布對(duì)比，從圖中可以看出:總體上，隨著過(guò)濾速度的提高，除塵器內(nèi)部各濾袋平均氣流速度的不均勻程度呈增大的趨勢(shì)。

圖(a)－(d)．為過(guò)濾速度為0．5m/min，1m/min，1．5m/min和2m/min4種工況的除塵器內(nèi)部氣流分布平均速度改進(jìn)前后對(duì)比，由圖(a)(d)可知，在除塵器入口附近加導(dǎo)流板后，高速氣流進(jìn)入袋式除塵器后，氣流受導(dǎo)流板的影響，氣流的主流方向下移，在導(dǎo)流板的作用下分7股氣流均勻地進(jìn)入上箱體。

分流后的氣流速度比較小，進(jìn)入吸塵器后，氣流不會(huì)對(duì)過(guò)濾袋產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷，吸塵器內(nèi)的氣流分布也比較均勻。由于氣流分流，氣流對(duì)后壁的沖擊變小，氣流一直貼著吸塵器下箱的后壁運(yùn)動(dòng)，回流速度也比原型的速度小，吸塵器下箱內(nèi)的氣流分布均勻。在除塵器的不同截面，除塵器上箱體中氣流間歇速度都小于設(shè)計(jì)值，沒(méi)有對(duì)濾袋帶來(lái)沖刷，整個(gè)除塵器內(nèi)氣流分布均勻。

4結(jié)論

(1)在原型中，氣流高速?zèng)_刷灰斗墻壁，一部分氣流在灰斗內(nèi)流動(dòng)形成回流，將沉積的粉塵再次卷入氣流進(jìn)入袋室，加重過(guò)濾袋負(fù)荷的另一部分氣流沿過(guò)濾器后的墻壁高速上升，沖刷過(guò)濾袋，袋室后端的過(guò)濾袋容易破損

(2)在進(jìn)口處添加導(dǎo)流板，可以使過(guò)濾器進(jìn)口處的射流分流更均勻，有效減少過(guò)濾袋的集中沖擊，提高過(guò)濾袋的壽命和除塵效率

(3)