高炉煤气袋式除尘器入口段数值模拟.pdf

高炉煤气袋式除尘器入口段数值模拟 王飞贾彩清黄小亚 中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 400013 摘要 烟气进入袋式除尘器时的分布状况是影响除尘效率和滤袋寿命的关键因素之一。利用 Fluent 软件对高炉煤气 袋式除尘器入口段进行了数值模拟， 分析了除尘器入口段气相速度场和压力场的分布情况， 得到了该段气相流场的分 布规律。模拟结果表明 除尘器入口段的气流分布不够均匀， 有待进一步优化， 模拟结果对装置运行及其优化设计有 一定的理论指导意义。 关键词 数值模拟; 袋式除尘器; Fluent; 优化设计 NUMERICAL SIMULATION OF INLET FIELD IN THE BAG FILTER FOR BLAST FURNACE GAS Wang FeiJia CaiqingHuang Xiaoya CISDI Engineering Co． ，Ltd，Chongqing 400013，China AbstractThe distribution of inlet airflow is one of the key factors influencing the efficiency of dust collection and the service life of the bags． The distribution of inlet flied in the bag filter of blast furnace gas has been numerically simulated with Fluent． Gas velocity field and gas pressure field in bag filter were analyzed，and a general rule for the bag filter was obtained． The simulation results indicated that the distribution of inlet airflow flied was heterogeneous，which should be further optimized， and the simulation results were helpful for practical operation and optimization design of the bag filter． Keywordsnumerical simulation;bag filter;Fluent;optimization design 0引言 袋式除尘器具有运行稳定可靠、 结构简单、 除尘 效率高， 可处理高浓度含尘煤气等优点， 在国内的高 炉煤气除尘领域的应用越来越广泛。影响袋式除尘 器除尘效率和滤袋寿命的因素很多，其中烟气进入 除尘设备时的分布状况是关键因素之一 ［1］。气流分 布均匀， 避免除尘器局部壁面受到严重冲刷， 煤气均 匀的进入各个布袋， 延长布袋使用寿命， 提高除尘 效率。 由于除尘设备内部流动十分复杂，况且高炉煤 气具有爆炸性、 温度高等特点， 导致气相流场以及颗 粒运动和沉积特性的测量很困难。随着计算机技术 水平的不断提高和 CFD 技术的发展， CFD 辅助设计 已成为研究袋式除尘器的一种准确、 经济、 快捷的新 手段 ［2- 3］。本文利用 Fluent 软件对高炉煤气袋式除尘 器入口段的气相流场进行了数值模拟， 模拟结果对装 置运行及其优化设计有一定的理论指导意义 ［2- 4］。 1数值计算 当前模拟侧重于除尘器内气相流动的三维研究， 暂不考虑传质、 传热。本文仅从颗粒运动动力学机理 上加以探讨， 在模拟中用空气代替高炉煤气。 1. 1数学模型 本次模拟的气体流速较低， 且密度、 压强与温度 变化不大， 可视为不可压缩流体。 物理模型选用适用范围广、 经济、 精度合适的标 准 k － ε 模型 ［5- 6］， 该模型认为， 紊流涡黏系数由紊流 动能 k 及动能耗散率 ε 给出式 1 μT Cm ρk 2 /ε 1 式中 Cm为常数; k 为紊能动能; ε 为紊动能耗散率。 在此基础上， 控制方程的通用形式见式 2  ρΦ t  ρuiΦ x i  x i ΓΦ Φ x i SΦ 2 式中 Φ 为通用变量， 分别表示 u， v， w， k， ε 和 T 等求 解变量。ΓΦ为与 Φ 相应的扩散系数， SΦ为 Φ 方程 88 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 的源项。 1. 2网格划分和边界条件 采用结构网格和非结构网格相结合的方式， 入口 段采用非结构网格， 其余部分采用结构网格 ［7- 8］。 合理的边界条件才能准确的计算出流场的解。 本次模拟采用速度入口， 入口速度分布均匀， 速度大 小为12. 4 m/s， 入口水利直径为0. 7 m。出口采用压 力出口。壁面保持默认设置。 2模拟结果及分析 由于假设除尘器内壁绝热， 同时除尘器内不存在 能量的源或汇， 因此不对除尘器温度场进行研究。 2. 1气相速度场 除尘器入口段复杂的速度场严重影响除尘器的 除尘效率和滤袋的使用寿命。图 1 和图 2 是除尘器 入口段竖直面和水平面的气相速度矢量图， 箭头代表 了气体速度矢量， 其长短反映速度相对大小， 其方向 反映速度方向。 图 1竖直面气相速度场分布 图 2水平面气相速度场分布 由图 1 和图 2 可观察到烟气以12. 4 m/s速度垂 直进入除尘器内， 大部分气流还未分散就直接撞击对 面壁面， 随着流动空间的扩大， 除尘器内气流速度降 低约为0. 3 m/s。烟气在壁面和出口的共同作用下在 除尘器左侧分别形成一个顺时针和一个逆时针的漩 涡， 烟气卷吸作用形成强烈的回流区域。 2. 2气相压力场 除尘器内压降变化情况一直为实际工程设计所 关注， 它决定了操作过程中所需消耗的能量及处理气 量。图 3 和图 4 显示了除尘器入口段竖直面和水平 面的气相压力分布情况 由于气流直接冲击到对面的 壁面， 致使气流入口处的水平面成为除尘器内压降构 成的主要区域; 水平面上下区域的压降较小。 图 3竖直面气相压力场分布 图 4水平面气相压力场分布 2. 3气相湍流强度 湍流特性对设备的分离产生较大影响。较高的 湍流强度将导致布袋分离下来的物料重新掺混而使 分离效率降低， 并使总的能量耗散增加。 图 5 和图 6 给出了除尘器入口段竖直面和水平 面的气相湍流强度的分布情况。除尘器入口处上下 各出现一个湍流强度波动最大的区域， 除尘器左侧区 域的湍流强度波动次之， 其余区域湍流强度波动较 小。这是因为在离壁面很近的地方， 流体运动受壁面 阻碍从而抑制了正常的波动， 湍流流动受壁面的影响 明显; 但近壁面的外部区域， 湍流动能受平均流速的 影响， 湍流运动加剧。 98 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 图 5竖直面气相湍流强度分布 图 6水平面气相湍流强度分布 3结论 本文应用 Fluent 软件对高炉煤气袋式除尘器入 口段的气相流场进行了数值模拟， 模拟结果基本反映 了气流在该区域的流动状况。模拟结果表明除尘器 入口段的气流分布不够均匀， 气流对与入口相对的 除尘器避免冲击较大， 气流不能均匀的进入各个滤 袋， 滤袋使用寿命和除尘效率受到一定的影响， 入口 段结构需要进行优化。模拟结果对装置运行及其优 化设计有一定的理论指导意义。 参考文献 ［1］郑辉， 芮晓明， 常连生． 袋式除尘器气流分布的数值模拟［J］． 现代电力， 2005， 22 3 46- 49． ［2］王以飞， 沈恒根． 袋式除尘器在线清灰流场分布的研究［J］． 环 境工程，2010，28 2 72- 76． ［3］赵毅， 华伟， 王亚君， 等． 湿式烟气脱硫塔中折线型档板出武器 分离效率的数值模拟［J］． 动力工程， 2005， 25 2 293- 297． ［4］薛胜伟， 尹侠． 气升式内循环反应器流场及传质特性数值模拟 ［J］． 化学工程，2006，34 5 23- 27． ［5］韩占忠， 王敬， 兰小平． FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用 ［M］． 北京 北京理工大学出版社， 2004 2- 60． ［6］杜云贵， 邓佳佳， 冯冶云， 等． 湿法烟气脱硫塔设计与优化［J］． 环境工程，2010， 28 2 69- 77． ［7］Raynal Ludovic，Harter Isabelle．Studies of gas － liquid flow through reactors internals using VOF simulations［J］．Chemical Engineering Science，2001， 566385- 6391． ［8］蔺秋生． 一种适用于河湖数值计算的网格自动生成方法［J］． 长江科学院报， 2005， 22 4 16- 18． 作者通信处王飞401122重庆市渝北区金渝大道赛迪路中冶赛 迪大厦中冶赛迪工程技术股份有限公司 E- mailFei． Wang cisdi． com． cn 2010 － 07 － 27 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 130 页 TiO2nanotubes［J］． J Mater Chem， 2007， 17 1451- 1457． ［ 16］Mor G K， Varghese O K， Paulose M， et al． A review on highly ordered verticallyorientedTiO2nanotubearraysFabrication， material properties， and solar energy applications［J］． Solar Energy Materials ＆ Solar Cells， 2006， 90 14 2011- 2075． ［ 17］Varghese O K， Gong D， Grimes C A， et al． Hydrogen sensing using titania nanotubes［J］． Sensors and Actuators B， 2003， 93 338- 344． ［ 18］Mor G K， Shankar K， Varghese O K， et al． Photoelectrochemical properties of titania nanotubes ［J］． J Mater Res， 2004， 19 2989- 2996． ［ 19］魏绍东． 纳 米 氧 化 锌 的 现 状 与 发 展［J］． 化 工 中 间 体，2006 11 6- 12． ［ 20］Srimala S， Lee RG， Zainovia L． Roomtemperature anodic deposition and shape control of one-dimensional nanostructured zinc oxide［J］． J All Comp，2008，476 513- 518． ［ 21］Sung Joong Kim，Jinsub Choi． Self-assembled arrays of ZnO stripes by anodization［J］． Electrochem Comm，2008 10 175- 179． ［ 22］Sung Joong Kim，Jaeyoung Lee，Jinsub Choi． Understanding of anodization of zinc in an electrolyte containing fluoride ions［J］． Electrochim Acta，2008，53 7941- 7945． ［ 23］Kuan C Y，Chou J M，Leu I C，et al． ation and field emission property of single-crystalline Zn microtip arrays by anodization［J］． Electrochem Comm，2007 9 2093- 2097． ［ 24］丁世文， 张绍岩，刘淑娟， 等． 直接沉淀法制备纳米 ZnO 及其光 催化性能［J］． 无机化学学报， 2002， 18 10 1015- 1018． ［ 25］Tang Z K，Wong G K L，Yu P，et al． Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnO microcrystallite thin films ［J］． Appl Phys Lett，1998， 72 25 3270- 3272． ［ 26］Michael H H，Samuel M，Henning F，et al． Room-temperature ultraviolet nanowire Nanolasers［J］． Science，2001， 292 1897- 1899． ［ 27］Cao H， Zhao Y G， Ho S T， et al． Random laser action in semiconductor powder［J］． Phys Rev Lett，1999， 82 2278- 2281． ［ 28］张敬超， 谭砂砾， 郑华德， 等． 纳米催化剂及其在 CO 催化氧化 领域的研究进展［J］． 江苏化工， 2003， 31 5 1- 3． ［ 29］张富捐． 纳米催化剂研究进展［J］． 许昌学院学报， 2004，23 5 38- 42． ［ 30］高正中． 实用催化［M］． 北京 化学工业出版社， 1996． 作者通信处张业525000广东茂名市官渡二路广东石油化工学 院化学学院 E- mailzhangye2003 126． com 2010 － 11 － 03 收稿 09 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期