摘 要：在環(huán)保工程實(shí)際中，隨著大型袋式除塵器過濾面積的增加或過濾艙室數(shù)量的增加，設(shè)計(jì)人員擔(dān)心各艙室的流量分配會(huì)存在不均的情況。為探討這一問題，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真軟件，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)單臺(tái)總過濾面積6 880 m2的長(zhǎng)袋離線脈沖除塵器流量分布特征進(jìn)行分析，通過關(guān)鍵切面氣流速度分布圖和各艙室過濾煙氣質(zhì)量流量的比較，計(jì)算出除塵器離線分室清灰條件下各艙室煙氣流量的分配狀況，得出各艙室間煙氣流量分配存在明顯的差異性，尤其是靠近進(jìn)氣口兩側(cè)艙室煙氣流量明顯低于平均值，而且中間艙室清灰后過濾風(fēng)量波動(dòng)偏大?；诖?，提出通過設(shè)定合理的運(yùn)行壓差和調(diào)節(jié)離線控制閥的開啟速度，有效實(shí)現(xiàn)氣流均勻分布，減緩過濾風(fēng)量波動(dòng)的影響，為袋式除塵器的改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：袋式除塵器;離線清灰;提升閥;運(yùn)行壓差;氣流分布;過濾風(fēng)量

0? ? 引言

長(zhǎng)袋離線脈沖除塵器（LDBF）是國(guó)內(nèi)較早使用的袋式除塵器結(jié)構(gòu)形式之一，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、電力等領(lǐng)域。長(zhǎng)袋離線脈沖除塵器一般由若干個(gè)大小相等的艙室組成，采用離線分室清灰方式，即依次逐一對(duì)除塵器各艙室進(jìn)行清灰，其清灰頻率主要由時(shí)間和壓差兩種模式控制。

隨著袋式除塵器的大型化，單臺(tái)袋式除塵器的過濾面積也日益大型化，為滿足過濾效率和清灰效果，多采用分割若干艙室的方式，分別進(jìn)行離線清灰。離線袋式除塵設(shè)備，大多為雙列艙室布置，根據(jù)處理風(fēng)量，設(shè)計(jì)不同數(shù)量的艙室，由于艙室數(shù)量的增加，除塵器設(shè)備長(zhǎng)度也會(huì)隨之變長(zhǎng)，以處理200萬工況煙氣量的除塵器為例，過濾面積超過3萬m2，由30個(gè)艙室組成，設(shè)備總長(zhǎng)度超過60 m，設(shè)計(jì)中存在擔(dān)心除塵設(shè)備過長(zhǎng)，各艙室處理風(fēng)量是否均勻，局部過濾風(fēng)速過大，影響濾袋壽命，以及是否會(huì)存在尾部艙室過濾風(fēng)量明顯偏少等諸多問題。

直接對(duì)大型設(shè)備做半工業(yè)試驗(yàn)，缺少與大型除塵設(shè)備相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停S著CFD仿真技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用流體力學(xué)對(duì)流體機(jī)械設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估優(yōu)化成為可能[1-2]，一方面可以預(yù)判設(shè)計(jì)中存在的問題，另一方面大大降低了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，增加了設(shè)備研發(fā)的靈活性和可變性。

另外，袋式除塵器結(jié)構(gòu)龐大[3]，設(shè)備復(fù)雜。長(zhǎng)期以來，利用CFD技術(shù)對(duì)袋式除塵設(shè)備的研究，主要采用減少過濾面積、簡(jiǎn)化濾袋形狀或局部模擬等方式簡(jiǎn)化大型袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算，模型過于簡(jiǎn)化不利于真實(shí)反映大型袋式除塵器的流場(chǎng)特征，本文將利用1：1比例對(duì)LDBF型長(zhǎng)袋離線脈沖除塵器建模，能夠很好地反映計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1? ? 模型及邊界條件

1.1? ? 物理模型

模擬對(duì)象為L(zhǎng)DBF型長(zhǎng)袋離線脈沖除塵器，包括10個(gè)艙室，呈雙列布置（圖1）。煙氣由入口1經(jīng)中間進(jìn)氣煙道，由兩進(jìn)風(fēng)支管（圖2）進(jìn)入各過濾艙室4的濾袋3表面過濾凈化，凈化后的氣體由上箱體經(jīng)凈氣閥口6匯集到出風(fēng)總管，由出口7進(jìn)入風(fēng)機(jī)再經(jīng)排氣筒外排。

本文以除塵器整體按實(shí)體1：1建立計(jì)算模型，尺寸32 000 mm×

24 000 mm×14 000 mm，1 680條濾袋，均勻分布在10個(gè)艙室?？傔^濾面積6 880 m2，濾袋規(guī)格?163×8 000 mm，過濾艙室沿進(jìn)氣方向?yàn)V袋編號(hào)依次為01～05和06～10兩列，如圖3所示。

1.2? ? 數(shù)學(xué)模型

1.2.1? ? 流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

煙氣在袋式除塵器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)可以看作復(fù)雜的三維氣固兩相流動(dòng)[4]。模型采用SIMPLE算法，氣相流動(dòng)采用k-ε紊流模型[5]，顆粒相采用拉格朗日離散相模型（DPM）。顆粒在Lagrangian坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程為：

=FD（u-up）++Fx

式中，F(xiàn)D（u-up）為顆粒單位質(zhì)量曳力;Fx為顆粒加速周圍流體所需要的力。

FD=Fx=（u-up）

式中，u為連續(xù)相速度;up為顆粒速度;μ為流體粘性系數(shù);ρ，ρp分別是空氣與顆粒的密度;Re為顆粒雷諾數(shù)，定義為Re=;阻力系數(shù)CD=α1++，其中α1、α2、α3為常數(shù)，由光滑球顆粒實(shí)驗(yàn)給出;Dp為顆粒直徑，符合rosin-rammler分布，大于粒徑d的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為MD=exp-

n，其中d為中位徑，n為顆粒尺寸分布指數(shù)[6]，中位徑d=20 μm，尺寸分布指數(shù)n=3。

1.2.2? ? 濾袋數(shù)學(xué)模型

濾袋采用多孔跳躍介質(zhì)邊界條件[7]，并忽略流體穿過濾袋時(shí)的內(nèi)部阻力項(xiàng)[8]，得：

ΔP=vδ

式中，μ為流體動(dòng)力粘度（Pa·s）;α為滲透率（m2）;v為垂直于介質(zhì)表面的速度分量（m/s）;δ為濾袋及其表面粉塵層構(gòu)成多孔介質(zhì)濾層厚度（m）。

δ由濾料厚度δf和其表面粉塵厚度δs組成，即δ=δf+δs。其中δs=W/ρ，W為粉塵負(fù)荷（g/m2）;ρ為粉塵堆積密度（g/m3）。

滲透率α由實(shí)驗(yàn)得出，本文濾袋邊界條件僅考慮濾袋表面粉塵負(fù)荷的正常過濾態(tài)和清灰后兩種狀態(tài)。

1.3? ? 初始邊界條件及求解

流體參數(shù)：不可壓縮空氣，溫度150 ℃，密度0.87 kg/m3，動(dòng)力粘度2.15×10-5 Pa·s。進(jìn)口為壓力入口，出口為速度入口邊界條件。

顆粒相參數(shù)：密度1 300 kg/m3;固體壁面取為彈性反射面（reflect），出口設(shè)為逃逸面（escape），濾袋則為收集面（trap）。目標(biāo)收斂殘差10-5。

2? ? 模擬結(jié)果與分析

2.1? ? 清灰前流場(chǎng)特征

如圖4所示，煙氣以15 m/s的速度進(jìn)入中間煙道，通過連接在各艙室的進(jìn)氣彎頭進(jìn)入各艙室，經(jīng)過導(dǎo)流片的分流進(jìn)入濾袋過濾（圖5），然后凈化后的煙氣經(jīng)各艙室控制閥口匯集到凈氣煙道從出口排出，可以看出各閥口的煙氣出流速度沿出口煙道方向依次減少（圖6），各濾袋口出流速度相對(duì)均勻，如圖7所示。

為進(jìn)一步比較各艙室處理風(fēng)量的差異性，引入流量分配系數(shù)，表示每個(gè)艙室實(shí)際處理氣體流量與平均處理氣體流量的比值記作Ki，用下式表示：

Ki=Qi/Qmean（i=1，2，3，…）

式中，Qi為第i排濾袋實(shí)際處理氣體量（kg/s）;Qmean為濾袋平均處理氣體量（kg/s）。

最大不均勻幅值ΔKmax=Kmax-Kmin。

通過模擬新濾袋和正常過濾的兩種不同透氣狀態(tài)，對(duì)比分析兩種狀態(tài)下各艙室過濾風(fēng)量的差異性。

如圖8所示，兩種不同狀態(tài)下均可以看出，各艙室之間過濾分配系數(shù)整體在0.85～1.12，并沿入口至出口方向依次增大，靠近入口兩側(cè)的艙室01和06過濾風(fēng)量明顯低于平均值，而靠近出口的艙室10過濾風(fēng)量最大。

一方面，由于袋式除塵器設(shè)備運(yùn)行阻力主要是濾袋的內(nèi)部阻力[9]，可以認(rèn)為艙室過濾風(fēng)量的多少與艙室進(jìn)口與控制閥出口之間的靜壓差有關(guān)，煙氣以較高的速度用射流的方式進(jìn)入煙道，具有較高的動(dòng)壓，同時(shí)周邊的靜壓偏低，當(dāng)氣流遇到箱體壁或擋板的阻擋后動(dòng)壓減小、靜壓增大，造成了進(jìn)氣煙道內(nèi)靜壓分布沿進(jìn)口方向逐漸增大，出口煙道靜壓分布與進(jìn)口煙道則相反，所以艙室之間進(jìn)口與控制閥口之間的靜壓差沿入口至出口依次增大，也就造成了圖8顯示的各艙室過濾分配系數(shù)分布的差異。

另一方面，根據(jù)氣流總是沿阻力最小的路徑流動(dòng)的原理，隨著過濾的進(jìn)行，原處理風(fēng)量大的濾袋過濾風(fēng)速會(huì)逐漸降低，而處理風(fēng)量小的濾袋過濾風(fēng)速逐漸增大，艙室之間過濾風(fēng)量逐漸趨于平衡。

2.2? ? 離線清灰條件下流場(chǎng)的基本特征

離線清灰時(shí)，被清灰的艙室凈氣出口提升閥關(guān)閉，該艙室離線，切斷煙氣進(jìn)入該艙室。清灰后，凈氣提升閥打開，該艙室恢復(fù)工作。

按照單個(gè)艙室（圖9）和兩個(gè)艙室同時(shí)離線清灰兩種狀態(tài)分析各艙室流量分配系數(shù)。01、03、10單獨(dú)清灰和01、10同時(shí)清灰的流量分配系數(shù)如圖10所示，可以看出對(duì)比離線前，不論是單個(gè)還是兩個(gè)艙室離線后，艙室過濾風(fēng)量均為零，其他艙室流量分配系數(shù)均同步增大，風(fēng)量被平均分配到各艙室，但靠近入口兩側(cè)的艙室01和06流量分配系數(shù)仍然最小，在0.85～1.2，但整體過濾風(fēng)量較為均衡。

分別選取艙室03、05、06、08、10離線清灰，當(dāng)對(duì)應(yīng)控制閥完全打開時(shí)，各艙室流量分配情況如圖11所示?？梢钥闯鰧?duì)比離線前，清灰后的艙室流量分配系數(shù)增大比較明顯，其他艙室同步減小，但靠近出口的艙室05和10流量分配系數(shù)增加最大，艙室01和06流量增加較小。

通過對(duì)比分析上述幾種情況各艙室流量分配系數(shù)的變化可以看出，不論哪種情況，除塵器末端即靠近出口兩側(cè)的流量分配系數(shù)最大，而靠近入口兩側(cè)流量分配系數(shù)最小，而且清灰后流量系數(shù)的波動(dòng)也類似。

3? ? 結(jié)論及建議

（1）LDBF型長(zhǎng)袋離線脈沖除塵器正常過濾狀態(tài)或離線清灰下，各艙室濾袋過濾風(fēng)量相對(duì)均勻，也沒有出現(xiàn)設(shè)計(jì)人員所擔(dān)心的除塵器長(zhǎng)度過長(zhǎng)導(dǎo)致尾部艙室過濾風(fēng)量偏小的情況。事實(shí)恰恰相反，靠近入口兩側(cè)的艙室過濾風(fēng)量明顯小于平均值?？稍诳拷肟谔師煹纼?nèi)增加適當(dāng)導(dǎo)流裝置，均衡各艙室流量分配。

（2）單個(gè)或兩個(gè)艙室離線清灰狀態(tài)下，其余各艙室濾袋過濾風(fēng)量增加幅度相當(dāng)。

（3）離線清灰后的艙室，由于濾袋透氣強(qiáng)度增加，再次過濾時(shí)過濾風(fēng)量出現(xiàn)明顯增加。建議根據(jù)艙室位置的差異分別設(shè)置離線控制閥的不同啟閉速度和順序。

（4）為避免清灰前后流量分配的不均勻系數(shù)增大，可在系統(tǒng)允許的前提下適當(dāng)延長(zhǎng)清灰周期和提高運(yùn)行壓差。

[參考文獻(xiàn)]

[1] DEDERING M，STAUSBERG W，ILIEV O，et al.On new Challenges for CFD Simulation in Filtration[C]// Proceedings of World Filtration Congr-

ess，Leipzig，2008：45.

[2] 黨小慶，施勇，馬廣大.電-袋復(fù)合除塵器性能對(duì)比工業(yè)試驗(yàn)研究[C]//全國(guó)袋式除塵技術(shù)研討會(huì)論文集，2009：77-80.

[3] 王以飛.大型袋式除塵器流場(chǎng)的模擬分析與應(yīng)用[D].上海：東華大學(xué)，2010.

[4] CHEN Y S，HSIAU S S.Influence of filtration super-

ficial velocity on cake compression and cake formation[J].Chemical Engineering and Processing： Process Intensification，2009，48（5）：988-996.

[5] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6] WEIR G J，WHITE S P.Surface deposition from fluid flow in a porous medium[J].Transport in porous Media，1996，25（1）：79-96.

[7] KAVOURAS A，KRAMMER G.A model analysis on the reasons for unstable operation of jet-pulsed filters[J]. Powder Technology，2005，154（1）：24-32.

[8] SIMON X，CHAZELET S，THOMASA D，et al.Experimental study of pulse-jet cleaning of bag filters supported by rigid rings[J].Powder Technology，2007，172（2）：67-81.

[9] WANG Y F，LIU L，SHEN H G.Simulation of Large-scale Bag Filter[C]// 2010 4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering（CBBE）， 2010：7299-7302.

收稿日期：2020-04-15

作者簡(jiǎn)介：王以飛（1982—），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：流體分離技術(shù)與專業(yè)設(shè)備。