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袋式除尘器在线清灰流场分布的研究 * 王以飞沈恒根 东华大学环境科学与工程学院， 上海 201620 摘要 采用流体动力学 CFD 软件 Fluent， 通过调节滤袋渗透率和粉尘厚度模拟清灰前后表面粉尘负荷的差异性， 对袋 式除尘器在线清灰条件下的流场进行数值模拟分析， 给出不同清灰条件下花板平面气流速度分布图， 得出滤袋清灰前 由于表面粉尘负荷的影响， 气流分布比较均匀; 清灰时， 被清灰滤袋透气性的增强， 过滤风速明显提高， 其瞬间气流冲 击是造成滤袋破损的主要原因。将模拟结果与实际工程运行情况进行对比， 分析了其可靠性， 为袋式除尘器的改进和 设计提供了理论参考。 关键词 袋式除尘器; 在线清灰; 破损; 过滤风速; 渗透率 STUDY ON AIRFLOW DISTRIBUTION OF ON- LINE CLEANING BAG FILTER Wang YifeiShen Henggen College of Environmental Sciences and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China AbstractIn this paper，through adjusting the distribution of cake area load by changing the permeability and the thickness of filter cake，it is made a simulation analysis of the air distribution of on-line cleaning flow field of a bag-filter by applying the computational fluid dynamics software Fluent，and the filtration velocity distribution in flower plate under the different cake thickness distribution is given. Due to the impact of the cake，before cleaning the velocity distribution is relatively uni; and the permeability of the cleaning bag is enhanced，the instantaneous impact air bag is the main reason for damage. And contrast of simulation result with actual project operation is also made，and its reliability is analyzed. Which can provide a the- oretic basis for improvement and design of the bag filter. Keywordsbag-filter;on-line cleaning;breakage;filtration velocity;permeability * 国家 863 项目 2008AA05Z305 ; 上海市重点学科建设项目 B604 ; 上海市联盟计划 4116 。 0引言 在线清灰是目前国内外燃煤电厂和垃圾焚烧电 厂脉冲袋式除尘器常用的清灰方式。滤袋是袋式除 尘器的核心部件， 滤袋一旦破损， 如不及时处理， 会导 致更大区域的破损， 尤其是对采用在线清灰方式的袋 式除尘器， 危害更大。目前， 对袋式除尘器流场的研 究主要是通过利用 CFD 软件进行数值模拟， 主要集 中在滤袋清灰前气流组织的研究 ［ 1 ～ 3］， 没有考虑滤袋 表面粉尘负荷对气流组织的影响， 认为气流组织的不 均匀是造成滤袋破损的主要原因。 针对工程实际中滤袋出现破损， 破损位置常集中 出现在靠近箱体边壁的整条滤袋、 单条滤袋袋底和袋 口下 0. 1 ～ 0. 5 m 之间的部位， 同时分析了引起除尘 器引风机振动的原因。本文综合考虑滤袋表面粉尘 负荷对气流组织的影响， 分析得出， 清灰前由于滤袋 表面粉尘负荷的影响， 各排滤袋流量比较均匀; 滤袋 清灰后透气性增强， 瞬间过滤风量的增加是造成滤袋 破损的主要原因。清灰前后， 系统阻力波动比较大， 引起系统风量波动是导致引风机振动的主要原因。 1模型及边界条件 1. 1物理模型 本文以某电厂 240 t 循环流化床电站锅炉电袋组 合式除尘器为模拟对象， 除尘器采用侧进风结构形式 图 1 ， 烟气经第一电场预除尘后， 由两侧烟道经阀 孔进入袋室， 净化气体后由上箱体经出口排出。取除 尘器二分之一作为计算模型， 并设为轴对称图形， 尺 寸21 000 mm 12 000 mm 25 000 mm， 滤 袋 尺 寸 160 mm 8 000 mm， 排列方式为 49 排 24 列共 1 176条， 沿进气方向滤袋编号依次为 F1 ～ F49 排和 27 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 R1 ～ R24 列。模型采用 450 万六面体结构化网格 图 2 。 1入口; 2静电场; 3侧烟道; 4滤袋; 5上箱体; 6净气出口; 7灰斗 图 1除尘器模型 图 2网格划分 1. 2数学模型 1. 2. 1流场数学模型 烟气在袋式除尘器内部的运动可以看做复杂的 三维气固两项流动 ［ 4］。模型采用 SIMPLE 算法， 气相 流动采用 RNG k-ε 紊流模型 ［ 5］， 颗粒相采用拉格朗 日离散相模型 DPM 。颗粒在 Lagrangian 坐标系下 的运动方程 式 1 dup dt FD u － up gx ρ p － ρ ρp Fx 1 FD 18μ ρpD 2 p CDRe 24 ; Fx 1 2 ρ ρp d dt u － up 式中 FD u － up 为颗粒单位质量曳力， Fx 为颗粒加 速周围流体所需要的力; u 为连续相速度; up为颗粒 速度; μ 为流体黏性系数; ρ、 ρp分别是空气与颗粒的 密度。 Re 颗粒雷诺数， 定义为 Re ρD p | up－ u | μ 阻力系数 CD α 1 α2 Re α3 Re， 其中 α1 ， α 2 ， α 3为 常数， 由光滑球颗粒实验给出; Dp颗粒直径， 符合 ros- in-rammler 分 布， 大 于 粒 径 d 的 颗 粒 质 量 分 数 为 MD exp－ d 珔 d n ， 其中 d 为中位径 n 为颗粒尺寸 分布指数。中位径 d 20 μm， 尺寸分布指数 n 3。 1. 2. 2滤袋数学模型 滤袋采用多孔跳跃介质边界条件， 多孔跳跃介质 是多孔介质的一维简化模型， 具有良好的鲁棒性和收 敛性 ［ 5］， 主要是用于模拟已知速度或者压力降的薄 膜。一般袋式除尘器设计过滤风速只有 1 m/min 左 右， 压力损失主要表现为黏性损失， 可忽略内部阻力 项 ［ 6］， 得式 2 ΔP μ α vδ 2 式中 μ 为流体动力黏度 Pas; α 为渗透率 m2; v 为 垂直于介质表面的速度分量， m/s; δ 为滤袋及其表面 粉尘层构成多孔介质滤层厚度， m; δ 由滤料厚度 δf 和其表面粉尘厚度 δs组成， 即 δ δf δ s， 其中 δs W /ρ; W 为粉尘负荷， g/m2 ; ρ s为粉尘堆积密度， g/m 3。 其中渗透率 α 和介质厚度 δ 表征过滤介质的透气强 度， 渗透率 α 由试验结果计算得出。试验结果表明， 当粉尘层厚度 δ 一定时， 渗透率 α 几乎不随过滤风速 的变化而改变， 可忽略过滤风速对渗透率的影响。 袋式除尘器工作过程中， 随着过滤 － 清灰 － 过滤 过程的周期性进行， 滤袋表面粉尘负荷也随之周期性 波动。清灰前滤袋表面粉尘层较厚， 滤袋透气性差， 清灰后粉尘层的剥离， 滤袋透气性增强。本文通过调 节各排滤袋的渗透率 α 和滤层厚度 δ 模拟滤袋洁净 态、 清灰前和清灰后的三种状态， 以滤袋被清灰后瞬 间的透气性作为滤袋清灰后的透气状态， 并假设每排 滤袋清灰后的透气性均相同。 1. 3初始边界条件及求解 流体 参 数 不 可 压 缩 空 气， 温 度 120 ℃ ， 密 度 0. 898 kg/m3， 动力黏度 2. 45 10 － 5 Pas。进口为 压力入口边界条件; 出口为速度入口边界条件， 对称 面取为对称边界条件。 颗粒相 密度2 800 kg/m3; 固体壁面取为弹性反 射面 reflect ， 出口设为逃逸面 escape ， 滤袋则为收 37 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 集面 trap 。收敛残差 10 － 5。 滤袋边界条件 滤袋渗透率和滤层厚度模拟参数 见表 1。 表 1滤袋渗透率和滤层厚度的模拟参数 滤袋状态渗透率 α/ 10 － 12 m2厚度 δ/ 10 － 3 m 洁净态36. 082. 78 清灰前1. 88， 2. 08， 3. 033. 97， 3. 79， 3. 42 清灰后4. 093. 24 2模拟结果与分析 2. 1清灰前流场特征 如图 3 ～ 图 7， 右侧为颜色表， 每种颜色表示流体 的一种速度区间， 速度是自下而上依次递增， 左侧模 型中的颜色与左侧颜色表相对应， 其颜色分布表示颜 色所代表的速度分布。 图 3 Y 剖面速度场 图 4 X 剖面速度场 为方便比较各排滤袋过滤风量的差异性， 引入流 量分配系数 图 8 ， 表示每行滤袋实际处理气体流量 图 5 Z 剖面速度场 图 6花板平面速度场 图 7静压分布图 47 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 图 8流量分配系数 与平均处理气体流量的比值记做 Ki， 用式 3 表示 Ki Qi/Qmean i 1， 2， 3， 3 式中 Qi为第 i 排滤袋实际处理气体量， m3/s; Q mean为 滤袋平均处理气体量， m3/s; 其中最大不均匀幅值 ΔK max Kmax－ Kmin。 由图 3 ～ 图 8 清灰前除尘器内部速度场分布， 可 见除袋底以下空间较紊乱， 使袋底长时间受高速含尘 气流的冲刷， 是滤袋破损的原因之一; 袋底以上空间 则比较均匀， 且各排滤袋处理气体量几乎相等， 其最 大不均匀系数 ΔKmax 0. 17， 相比较洁净态 ΔKmax 0. 58， 要小许多， 可见需要考虑滤袋表面粉尘负荷对 流场的影响。 由上述分析， 粉尘负荷可以使各排滤袋气体流量 分配更均匀。实际袋式除尘器工作过程中， 滤袋表面 粉尘层厚度是一个动态变化过程， 含尘烟气从外围自 由空间穿过过滤层， 粉尘被阻留在滤袋表面， 粉尘层 会逐渐增厚， 其透气性逐渐降低。又根据气流总是沿 着阻力最小的路径流动的原理， 随着过滤的进行， 原 处理风量大的滤袋过滤风速会逐渐降低， 而处理风量 小的滤袋过滤风速逐渐增大。可见随着过滤的进行 最大流量不均匀幅值 ΔKmax将趋于零， 本文模拟清灰 前 ΔKmax 0. 17。 2. 2清灰条件下流场的基本特征 取除尘器第 1 ～ 16 排滤袋作为研究对象， 对除尘 器在线清灰流场的特性进行分析。图 9 ～ 图 12 表示 不同清灰条件下各排滤袋流量系数。清灰时， 只对某 排进行喷吹清灰， 此时其 余 各 行 滤 袋 仍 处 于 过 滤 状态。 由图 9 ～ 图 12 可以看出清灰前各排滤袋处理风 量比较均匀。滤袋清灰后透气性增强， 处理风量剧 增， 尤其是只有一排清灰时， 如图 9、 图 10 单排清灰 图 9第 9 排清灰 图 10第 1 排清灰 图 11第 8 和 16 排清灰 图 12第 9 ～ 16 排同时清灰 时， 清灰滤袋处理风量是其他未清灰滤袋的 3 倍 ～ 4 倍; 袋室不同空间位置的滤袋清灰后处理风量变化存 57 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 在差异性， 袋室中间位置略小于四周边壁处滤袋。双 排清灰时， 被清灰滤袋处理风量较单排清灰时略有减 小。多排分区清灰时， 滤袋处理风量主要集中于被清 灰滤袋， 且靠近袋室边壁处滤袋处理风量最大。 图 13、 图 14 说明不同清灰状态下滤袋袋口出流 风速的大小， 可以表征该排每条滤袋处理气体量。可 以看出袋室内滤袋间袋口速度最大值与最小值相差 可达 10 倍 ［ 9］， 这与对大型袋式除尘器滤袋测试结果 一致。 滤袋处理的风量大， 说明穿过滤袋的气流速度也 大， 高速气流穿过滤袋 ［ 7- 8］， 容易引起细小颗粒穿透滤 袋， 造成滤袋破损。 图 13清灰滤袋袋口速度 图 14未清灰滤袋袋口速度 单排清灰时， 外排滤袋 i 1 和 i 16 清灰后处 理风量明显大于内排滤袋 i 9 ， 说明单排清灰后， 外排滤袋较内排滤袋更容易破损。对于外排滤袋 i 16 ， 双排清灰较单排清灰 Ki 16 2. 14 减小到 Ki 16 1. 80， 多排 i 9 ～ 16 清灰时 Ki 16则减小到 1. 54。可见双排和多排同时清灰可以减小外排滤袋 的瞬间气流冲击， 有效延长滤袋寿命。鉴于多排同时 清灰的策略会造成气包压力不足、 输灰负荷过于集中 等问题， 所以建议采用外排和内排跳跃式清灰， 并实 现跨排、 跨灰斗、 跨气包的清灰策略是相对合理的。 2. 3分区清灰对系统的影响 图 15、 图 16 表示分仓室清灰， 除尘器分 A、 B、 C 三个过滤仓室， 以 A 区前 1 ～ 12 排滤袋清灰为例， 在 假定系统风量不变的情况下， 清灰后 A 区占袋室总 数四分之一的滤袋要负担 68 的负荷， 除尘器系统 阻力也由清灰前的1 500 Pa降低到 880 Pa。实际上 系统阻力的减小， 风量也会随之增加， 系统风量的剧 烈波动容易导致引风机振动等不稳定工况。 图 151 ～ 12 排清灰时速度场 图 161 ～ 12 排清灰 R12 列袋口速度 2. 4过滤风速分布的基本特征 根据达西公式中 v 为垂直于介质表面的速度分 量， 自定义函数 filtervel v2 x v2 槡 y 60 表示过滤风 速大小， 单位 m/min。 由图 17， 图 18 看出， 清灰前和清灰后过滤风速 均是沿滤袋长度方向逐渐增大， 靠近袋口处过滤风速 较大， 尤其是滤袋袋口下 0. 1 ～ 0. 5 m 之间位置的过 滤风速较大。 袋式除尘器内沿滤袋高度方向气流总体是向上 部流动的， 因滤袋阻力大， 气流遇到滤袋后只有一部 67 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 分气流穿过滤袋， 其余的气流则沿滤袋边壁上升， 直 到花板处。由图 7 所示袋室空间静压分布图， 沿滤袋 高度方向静压逐渐增大， 可看做进入滤袋的气体是在 滤袋内外静压差的作用下挤入滤袋。花板下方静压 最大， 造成该区域内气流高速穿过滤袋， 是造成滤袋 下部破损的主要原因。 图 17第 16 排滤袋速度分布图 图 18袋口下 0. 3 ～ 0. 5 局部放大图 3结论及建议 1 对比在线清灰前后流场的分布， 清灰前， 由于 粉尘层的作用， 气流组织趋于均匀， 滤袋处理气体量 趋于相等; 被清灰滤袋瞬间过滤风量剧增， 造成高速 气流穿过滤袋， 是造成滤袋破损的主要原因之一。 2 工程中存在滤袋破损位置集中出现在靠近箱 体边壁的整条滤袋， 和单条滤袋袋底和袋口下 0. 1 ～ 0. 5 m 之间的部位， 这与计算结果吻合， 说明计算结 果具有一定的可靠性。 3 袋式除尘器工作过程中由于粉尘层的影响， 不同位置、 不同时段的滤袋过滤风速存在差异性， 清 灰前后过滤风速波动较大的滤袋， 适当延长其清灰时 间间隔， 或采用外排和内排滤袋同时清灰的清灰策 略， 可以有效的保护滤袋。 4 除尘器工作过程中， 滤袋透气性是一个动态 变化过程， 本文只是建立在滤袋透气性不变的瞬间过 程， 对清灰 － 过滤 － 清灰整个过程的动态变化特性有 待进一步研究。 参考文献 ［1 ］ 郑辉， 芮晓明， 常连生. 袋式除尘设备气流分布的数值模拟 ［J］ . 现代电力， 2005 6 46- 48. ［2 ］ 张景霞. 袋式除尘器气流组织的数值模拟分析［J］ . 中国环保 产业， 2007 12 27- 29. ［3 ］ 赵友军， 付海明. 袋式除尘器内部流场分布试验测试及数值模 拟研究［D］ . 上海 东华大学， 2008. ［4 ］ 高晖， 郭烈锦. 除尘器袋室结构改进及内部气固两相流动特性 分析［J］ . 西安交通大学学报， 2000， 34 5 50- 53. ［5 ］ 王福军. 计算流体动力学分析 CFD 软件原理与应用［M］ . 北京 清华大学出版社， 2003. ［6 ］ Graham J Weir，Stephen P White. Surface deposition from fluid flow in a porous medium［J］ . Transport in Porous Media，1996， 25 79- 96. ［7 ］ Andreas Kavouras. A model analysis on the reasons for unstable operation of jet-pulsed filters［J］ . Powder Technology，2005，154 24- 32. ［8 ］ Xavier Simon，Sandrine Chazelet. Experimental study of pulse-jet cleaning of bag filters supported by rigid rings［J］ . Powder Tech- nology，2007，17267- 81. ［9 ］ 陈国榘，胡建民. 除尘器测试技术［M］ . 北京水力电力出版 社，1988 157. 作者通信处王以飞201620上海市松江区人民北路 2999 号 东华大学环境科学与工程学院 E- mailwangyifei0921 163. com 2009 － 05 － 31 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 71 页 ［7 ］ David C W. Turbulence Modeling for CFD［M］ . CaliforniaDSW Industries，Inc，1994. ［8 ］ 陶文铨. 数值传热学［M］ . 西安 西安交通大学出版社， 1988 260- 275. 作者通信处邓佳佳401336重庆市南岸区江峡路 11 号中电投 远达环保工程有限公司技术中心 E- maila2883524 126. com 2009 － 05 － 22 收稿 77 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期