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                      除尘器

                      FLUENT软件在布袋除尘器挡板和导流板设计中的应用

                      作者:郑州快三投注环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-04-09 13:48:00

                      摘要:利用FLUENT流体动力学计算(CFD)软件,对布袋除尘器的不同模型进行了模拟分析。根据烟气中微粒在除尘室分布的均匀程度来判断结构的优劣,得出了挡板和导流板的优化结构,为布袋除尘器的优化设计提供了依据。

                      关键词:布袋除尘器;流场优化;挡板;导流板;数值模拟

                      布袋除尘器被广泛用于燃煤锅炉烟气净化,其除尘效率不仅与滤料本身性能有关,还与布袋除尘器内部结构及操作工况相关。布袋除尘器内部挡板和导流板可以改变气流分布,使烟气流速均匀化,从而使布袋得到充分有效利用。烟气速度场在布袋除尘器箱体中是否均匀不得而知,更无法通过计算得到。在实际设计中,设计者对导流板添加与否及其尺寸确定往往凭感觉和经验来确定,存在盲目性。通过大量实验来优化设计要浪费大量物力、人力和财力。随着流体动力学计算软件FLUENT的出现和发展,采用数值分析方法研究袋式除尘器内部烟气流动规律成为可能,该方法可以减少模拟实验的次数甚至不需要模拟实验。文中采用FLUENT软件,用数值分析方法对某燃煤锅炉的布袋除尘器进行分析研究。

                      1计算模型

                      1.1结构模型及网格划分

                      布袋除尘器的整体结构模型采用360个圆形滤袋,滤袋直径0.15m,长6m,见图1。

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                      文中分析是在布袋除尘器的主体结构已定的情况下,分别改变挡板的长度和添加烟气入口处导流板进行模拟实验,通过比较分析确定最优模型。

                      烟气入口处导流板的作用是分散入口处烟气,避免出现烟气在中间分布集中、两侧分布稀少的现象。实验通过比较烟气入口处无导流板和增加双八字形导流板结构的效果来确定优化模型。

                      挡板的作用是为了避免入口处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,尽可能使速度场均匀。在通常的设计中,挡板一般比布袋底部长一段距离,但是不进入灰斗部分。

                      本实验中设置的挡板分别比布袋底部长0.5~1.5m。共设3个无导流板模型和2个有导流板模型,3个无导流板模型的挡板长度分别为6.5m、7m和7.5m,2个有导流板模型的挡板长度分别为7m和7.5m。

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                      划分网格时,为了减少网格数量并尽可能划分出规则网格,根据流场和几何形状的复杂程度,采用split命令将一个体分成多个体,分别进行网格划分。布袋及布袋周边流道采用扫略方式划分网格,下部灰斗采用映射方式划分网格,其余部分采用自由方式划分网格。

                      1.2物理模型

                      以往大多采用单纯的气相分析布袋除尘器,为了比较真实地模拟烟气流动状态,文中采用气、固两相流来分析。另外,燃煤烟气中固体体积分数远小于10%,故应选用气、固两相流中的拉格朗日离散相模型。

                      布袋除尘器内流场复杂,在建模时需要作以下假设: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。

                      连续相计算时采用标准k-ε湍流方程:

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                      式中,Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gb为由浮力产生的湍流动能;k是为紊流脉动动能;YM为在可压缩湍流中过渡扩散产生的波动能量,kJ,本文假定流体为不可压缩,其值取0;ρ为流体密度,kg/m3;ε为紊流脉动动能的耗散率;u为流体相速度,m/s;μ为流体动力粘度,Pa·S;C、C、C为常量,C=1.44,C=1.92,C=0.09;σk和σε是k方程和ε方程的湍流Prandtl数。

                      颗粒在流场中的受力比较复杂,主要有粘性阻力、重力、Magnus力、Safman力、Basset力及热泳力。离散相颗粒的轨迹通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解。连续相与离散相之间采用偶合计算,当颗粒穿过每个单元时,通过计算颗粒的动量变化和质量变化来求解连续相传递给离散相的动量和质量值。

                      2结果及分析

                      对布袋除尘器在如下条件下进行模拟分析:烟气质量流量0.9kg/s(平均过滤风速1.0m/min),入口含尘质量浓度40g/m3(标准体积),烟尘平均粒径90μm,除尘器进、出口压差1500Pa。布袋厚度2mm,设置为多孔介质,渗透率为3.5e-11。粒子到达布袋后停止轨迹计算。为了表达直观,计算结果用烟气中微粒的速度-轨迹图来表示,不同的颜色用于区分粒子的速度,见图2。

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                      由图2可见,不同模型中粒子的轨迹-速度图的共同特点是,粒子从烟气入口处进入后,沿着挡板下行,在除尘器灰斗处沿灰斗由下向上发生翻转,部分粒子碰到布袋底部后被捕获,部分粒子在布袋间隙中随气流上行,在布袋的不同高度被吸附。在入口处具有较高的速度,到达除尘室后,随着气流分散,速度下降。在模型1中(图2a),挡板长出布袋底部0.5m,粒子越过挡板后,很快到达布袋底部,具有较大的水平方向速度,极容易与布袋相撞而被吸附。模型2中(图2b),挡板高出布袋底部1m,粒子在除尘室向速度略高,部分粒子到达除尘器顶部。模型3中(图2c),挡板高出布袋1.5m,与灰斗相接,此时粒子轨迹发生了较大的变化,由于粒子在灰斗处翻转位置较低,当粒子到达布袋区时,具有较大的z向速度,大部分粒子沿布袋间隙随气流向上运动,分散到布袋不同高度处,但粒子多集中在入口的对侧,中间布袋区粒子分布稀少。模型4(图2d)在模型2的基础上增加了入口处导流板,气流在入口处被分散后,在除尘室内的粒子流轨迹得到改善,使更多的粒子运行到除尘室上部,均匀分散在整个除尘室空间,从而使布袋的过滤负荷均匀化。模型5(图2e)在模型3的基础上增加了烟气入口处导流板,其结果是除尘区的粒子数量反而下降。

                      3结语

                      在常规的边界条件下对布袋除尘器的不同模型进行了模拟分析,对于文中所述的结构模型,得到的结论为:

                      (1)模型4在粒子流场均匀化方面具有最佳的效果,其结构为挡板长7m,烟气入口处设置导流板。

                      (2)在常规的操作条件下粒子均匀分散在整个除尘室空间,从而使布袋的过滤负荷均匀化,其结果不但可以提高过滤效率,而且有利于提高布袋使用寿命。

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