董陽昊, 梁 珍, 沈恒根
(東華大學 a.環(huán)境科學與工程學院; b.暖通空調(diào)研究所,上海 201620)
近年來,國家環(huán)保局大力整治并淘汰燃煤鍋爐,但現(xiàn)實情況是,部分農(nóng)村及偏遠地區(qū)存在“氣、油、電”等使用不方便的問題,短期內(nèi)無法改變采用燃煤采暖的現(xiàn)狀。因此,通過技術(shù)創(chuàng)新提高燃煤爐具的環(huán)保性能是我國節(jié)能爐具可持續(xù)發(fā)展的新方向[1]。山東省兗礦集團的散煤高效清潔項目團隊設計出一種清潔爐具,利用解耦燃燒原理,通過燃燒生物質(zhì)燃料與清潔煤,實現(xiàn)了煤的高效清潔燃燒。本文研究搭配該清潔爐具使用的內(nèi)濾式袋式除塵器,以減少燃燒污染物排放,從而使該爐具的污染物排放達到“超低排放”的標準。清潔爐具燃燒產(chǎn)生的煙塵黏附性較大,質(zhì)量濃度高達230 mg/m3。粒徑分布為D10、D50、D90和D100的煙塵粒徑分別為0.305、17.200、63.800和209.000 μm,由此可見90%的顆粒物粒徑低于63.800 μm。研究發(fā)現(xiàn),使用脈沖噴吹袋式除塵器難以清除濾袋表面的塵餅[2-3]。研究者[4-5]考慮采用機械振打袋式除塵器,搭配聚四氟乙烯(PTFE)內(nèi)表面覆膜的玻璃纖維濾袋,通過振動清灰減少氣動部件,從而降低成本并提高清灰效率。毛銳等[6]在袋式除塵器內(nèi)部增設一種新型混合式導流板,利用Fluent軟件對其流場進行模擬,結(jié)果表明,增設導流板可有效改進除塵器內(nèi)部流場的均勻性。唐奇[7]基于Fluent軟件模擬上進風式袋式除塵器的內(nèi)部流場,并對除塵器進行氣固兩相的模擬計算,結(jié)果表明,上進風式袋式除塵器可利用粉塵自重進行沉降從而降低濾袋壓降。黃文杰[8]通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),貫通式袋式除塵器內(nèi)粒徑大于20 μm的粉塵在濾袋中心投射時可直接落入下方灰斗,當粉塵粒徑大于40 μm時,沉降效率可達到較高水平,表明貫通式內(nèi)濾袋式除塵器雖結(jié)構(gòu)簡單,但過濾負荷較低,可有效清灰。
本文通過數(shù)值模擬研究不同進、排氣口位置以及添加導流板對除塵器內(nèi)部流場的影響,分析不同結(jié)構(gòu)下除塵器內(nèi)部各濾袋的流量分配均勻性以及表面過濾風速,對內(nèi)濾式袋式除塵器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,以期提高氣流均勻性及過濾效率。
(a) 進、排氣口同側(cè)分布的除塵器模型
(b) 濾袋編號
利用計算流體力學軟件Fluent 16.0對袋式除塵器內(nèi)部的氣流組織進行模擬。不考慮濾袋表面落灰對氣流組織的影響,將除塵器的進氣口設為速度入口,入口風速設為5.0 m/s,除塵器排氣口設為壓力出口,濾袋壁設為多孔跳躍邊界,其滲透率設為5×10-12m2,厚度為3 mm,其余部分均視為無滑移邊壁。在離散相模型中添加入口為顆粒噴射面,濾袋為捕捉邊界,出入口為逃逸邊界,其余壁面為反射邊界。
該除塵器模型的外形較為規(guī)則,對其進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,并運用interface耦合連接[9-10]進行拼接。建立不同結(jié)構(gòu)的除塵器模型并劃分網(wǎng)格后進行對比模擬分析。由于除塵器內(nèi)氣體流動屬于高雷諾數(shù)湍流,采用應用廣泛、計算量適中且精度較高的標準κ-ε型。模型中κ和ε對應的輸運方程[10]如式(1)~(3)所示。
(1)
(2)
(3)
式中:下標i、j代表空間直角坐標系下的方向;Gκ為平均自由速度梯度引起的湍動能κ的產(chǎn)生項;C1、C2、Cμ為經(jīng)驗常數(shù);σκ、σε分別為與湍動能κ和耗散率ε對應的普朗特數(shù);μt為湍流黏度。方程包含Cμ、C1、C2、σκ、σε5個可調(diào)整常數(shù),標準κ-ε模型中Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σκ=1.0,σε=1.3。
為研究網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響,按100萬、200萬、300萬對進、排氣口同側(cè)模型的網(wǎng)格數(shù)量進行劃分(見圖2(a)),并對比3種網(wǎng)格數(shù)量模型中心線上的氣流流速,結(jié)果如圖2(b)所示。由圖2可知,200萬網(wǎng)格模型的模擬準確性較好,模擬速度較快,故采用200萬網(wǎng)格劃分方法對除塵器進行模擬研究。
(a) 局部網(wǎng)格劃分
(b) 不同網(wǎng)格數(shù)下的氣流流速(無關(guān)性驗證)
為驗證模型的可靠性,選取各個濾袋入口平面的平均風速與試驗數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,計算得出模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的平均誤差為7.4%。再提取模型進、排氣口平面的氣流平均流速、濾袋內(nèi)外的壓差與除塵器的實際運行數(shù)據(jù)進行對比。其中:模型的進、排氣口平均流速分別為5.00和4.15 m/s,濾袋內(nèi)外平均壓降為222.58 Pa。使用煙氣流量儀測得實際進、排氣口速度分別為5.50和4.20 m/s,使用壓差計測得上下箱體的壓降為227.00 Pa。計算得出,3項指標的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差依次為9.1%、 1.2%、 1.9%,表明模擬結(jié)果比較符合除塵器的實際運行工況。
圖3 濾袋入口風速模擬與試驗結(jié)果對比Fig.3 Comparison of air velocity simulation and test results for filter bag inlet
2.1.1 進、排氣口位置分析
為分析不同進氣口位置的袋式除塵器內(nèi)部氣流流動情況,提取x=0.58 m處的速度云圖,如圖4所示。由圖4可知:當進、排氣口同側(cè)分布時,結(jié)合流線圖(見圖5(a))可知,除進、排氣口對應位置的濾袋外,其他濾袋只有少量氣流通過,出現(xiàn)“氣流短路”現(xiàn)象;當進、排氣口異側(cè)分布時,氣流流程較長,主氣流經(jīng)進氣口流向排氣口時需經(jīng)過多個濾袋,可通過設置階梯濾料提高過濾效率;當進氣口位于中間時,靠近排氣口一端的濾袋流速和流量均偏大,氣流基本呈對稱分布,大部分濾袋均有氣流通過。此外,3種結(jié)構(gòu)除塵器的進氣口氣流均以較大的流速通過濾袋,對除塵器內(nèi)部部分濾袋的沖刷較為嚴重,易導致濾袋的損壞,同時也會揚起灰斗中的塵粒(即“二次揚塵”),降低除塵器的過濾效率。為減小進氣口氣流流速,并加長除塵器內(nèi)部氣流的流程,本文擬在進氣口下方添加導流結(jié)構(gòu)。
針對絲黑穗病而言,如果要妥善加以防控則需要將農(nóng)作物種子拌于粉銹寧(25%)的藥劑中,確保摻入5%左右的藥劑來完成相應的拌種處理。在某些情形下,技術(shù)人員如果察覺到黑穗病表現(xiàn)為蔓延趨向,那么針對整個植株都要予以拔除處理,最好能夠就地焚燒。及時察覺并且妥善處理黑穗病的舉措有助于防控黑穗病的后期擴散。
(a) 進、排氣口同側(cè)分布,不含導流板(case 1)
(b) 進、排氣口異側(cè)分布,不含導流板(case 2)
2.1.2 添加導流板后結(jié)構(gòu)分析
在除塵器入口與濾袋之間添加一塊350 mm×350 mm的矩形鋼制導流板,以解決2.1.1節(jié)的問題。添加導流板后不同結(jié)構(gòu)的流線圖及速度云圖如圖5和6所示。
(a) 不含導流板,進、排氣口同側(cè)分布
(b) 含導流板,進、排氣口同側(cè)分布
(a) 含導流板,進、排氣口同側(cè)分布(case 4)
(b) 含導流板,進、排氣口異側(cè)分布(case 5)
(c) 含導流板,進氣口位于中間(case 6)
未添加導流板時,除塵器內(nèi)部含塵氣流由進氣口進入上箱體后形成射流,使得部分濾袋內(nèi)部過濾風速增大,過濾負荷加重,并且其他濾袋不能有效作用,同時氣流以較大流速沖擊下箱體灰斗的底板,形成的回流易造成“二次揚塵”,降低過濾效率。添加導流板后:當進氣口位于上箱體中間時,除塵器內(nèi)部氣流因?qū)Я靼遄钃醯淖饔枚a(chǎn)生渦旋,導致氣流流向紊亂以及各濾袋氣流流量分配不均勻;當進、排氣口同側(cè)或異側(cè)分布時,添加導流板均可有效增加氣流的流程、降低含塵氣流的進口流速,從而提高各濾袋內(nèi)部氣流流量的分配均勻性,同時減小氣流對濾袋的沖刷,避免“二次揚塵”,提升過濾效率。
流量分配系數(shù)是單個濾袋含塵氣體處理流量與所有濾袋含塵氣體平均處理流量的比值,是檢驗袋式除塵器氣流組織均勻性的重要指標[11],按式(4)計算。
(4)
式中:Ki為編號i=1, 2, 3, …,n濾袋的流量分配系數(shù),其值越接近1,表明流量分配越均勻;Qi為編號i濾袋的含塵氣體處理流量,m3/s;Qm為平均含塵氣體的處理流量,m3/s。
設置濾袋入口平面為監(jiān)測面,通過模擬軟件計算得出該平面的平均氣體處理流量,從而計算不同結(jié)構(gòu)袋式除塵器中各濾袋的流量分配系數(shù)。由于該袋式除塵器模型前后對稱,F(xiàn)luent計算的結(jié)果也基本對稱。提取編號為1~6(第1排)、7~12(第2排)的濾袋進行流量分配均勻性分析,結(jié)果如圖7所示。
(a) 第1排濾袋
(b) 第2排濾袋
由圖7可知,未添加導流板時:當進氣口位于上箱體中間時,濾袋8、 11流量分配系數(shù)約為1.0,其他濾袋間的流量分配系數(shù)差異較大;當進、排氣口同側(cè)分布時,只有10、 11、 12號濾袋的流量分配系數(shù)達到1.0,其他濾袋的流量分配系數(shù)均低于0.5;當進、排氣口異側(cè)分布時,只有7、 8、 9濾袋流量分配系數(shù)達到1.0;第1、2排濾袋的流量分配非常不均勻,流量分配系數(shù)Ki為0.03~4.55,氣流集中在進氣口對應位置的濾袋上,并且遠離進氣口的濾袋流量分配系數(shù)較小。添加導流板可有效提高遠離進氣口濾袋的流量分配系數(shù):當進、排氣口同側(cè)分布時,第1排濾袋的流量分配系數(shù)可提高至1.0左右,導流板的遮擋雖避免了氣流短路,但導致第2排10、 11、 12濾袋的流量分配系數(shù)降至0.5以下;當進、排氣口異側(cè)分布時,各濾袋流量分配系數(shù)均在1.0左右,氣流分配最為均勻,此時流量分配系數(shù)為0.25~1.50;當進氣口位于上箱體中間時,即使有導流板,流量分配還是較為不均勻,導流板以下的3、 4、 8、 9、 10、 11濾袋流量分配系數(shù)接近0,而其他濾袋的流量分配系數(shù)接近2.0。
(5)
式中:N為濾袋個數(shù)。
根據(jù)式(5)計算得到不同結(jié)構(gòu)除塵器的綜合流量不均勻幅值,如表1所示。由表1可以看出,流量分配最均勻的是進、排氣口異側(cè)分布且添加導流板的case 5,其次為進、排氣口同側(cè)分布且添加導流板的case 4,流量分配最不均勻的為無導流板且進、排氣口同側(cè)分布的case 1。由此可見,不同結(jié)構(gòu)的流量分配均勻性為case 5>case 4>case 6>case 3>case 2>case 1。
表1 綜合流量不均勻幅值
為準確分析濾袋表面風速,將濾袋等面積分為4份,在每兩份相交的位置上設置1條監(jiān)測線[11-12],以其中1個濾袋為例,濾袋表面監(jiān)測線劃分示意圖如圖8所示。
圖8 濾袋表面監(jiān)測線劃分示意圖Fig.8 Schematic diagram of surface monitor lines division of filter bag
濾袋表面的過濾風速在處于較低水平時可有效加強過濾除塵效率,同時可減弱含塵氣流對濾袋的沖刷作用[12]。取編號1~6、 7~12的濾袋進行表面過濾風速分析,計算4條監(jiān)測線上的速度均值,6種不同結(jié)構(gòu)的袋式除塵機組表面平均過濾風速如圖9所示。鑒于case 3的綜合流量分配不均且幅值比case 1和case 2大,case 6的濾袋表面過濾風速方差較大,各濾袋間會因為過濾風速不均導致除塵器的總體過濾效率偏低,故以下分析不再考慮case 3和case 6,提取case 1、 case 2、 case 4、 case 5中第2排濾袋即7~12號濾袋的表面過濾風速進行分析,結(jié)果如圖10所示。
由圖9可知,當進、排氣口異側(cè)分布時,最大過濾風速為1.5 m/min,各個濾袋的過濾風速較為接近,表面過濾風速較小,其他不同進氣口位置的除塵器表面過濾風速稍大,其中7個濾袋的過濾風速超過1.5 m/min,最大達到2.8 m/min,而進、排氣口異側(cè)分布能夠降低濾袋的平均過濾風速,有效提高除塵器內(nèi)部流量分配均勻性。由圖10可知:未添加導流板時,最大過濾風速達到5.7 m/min,其出現(xiàn)在進氣口對應位置的濾袋上,且在濾袋的上半部分,易造成對濾袋的過度沖刷從而降低過濾效率,并且濾袋表面過濾速度整體隨高度增加呈先減后增的趨勢;添加導流板后,最大過濾風速為3.8 m/min,濾袋表面過濾風速呈遞減趨勢,氣流對濾袋的沖刷作用明顯減弱。
不同結(jié)構(gòu)除塵器的平均過濾風速從小到大依次為case 4 (a) 第1排濾袋 (b) 第2排濾袋 (a) case 1 (b) case 2 (c) case 4 (d) case 5 綜合流量分配均勻性以及表面過濾風速,含有導流板且進、排氣口同側(cè)分布的除塵器平均表面過濾風速較低并且穩(wěn)定在1 m/min左右,同時流量分配不均勻幅值較小。設計1∶1機型進行應用測試,測得入口煙氣質(zhì)量濃度為230 mg/m3時,煙氣排放質(zhì)量濃度為5 mg/m3,達到了國家“超低”排放的標準。過濾效率為97.8%,這是由于煙氣中含有部分細微顆粒(0.3 μm)。持續(xù)運行狀態(tài)下設備運行阻力最大為1 300 Pa,振打清灰后可降至500 Pa。由此可見,這種結(jié)構(gòu)的袋式除塵器可有效降低由氣流二次返混造成的氣流不均以及過濾煙氣質(zhì)量濃度過高的問題。 (1) 利用上進風內(nèi)濾式袋式除塵器處理含塵氣體方案較為合理,其過濾性能能夠達到要求,但是當入口風速過大容易對內(nèi)部濾袋造成比較嚴重的沖刷。 (2) 改變除塵器進氣口位置能提高除塵器內(nèi)部氣流分配均勻性,進、排氣口位于除塵器箱體異側(cè)表現(xiàn)最佳,但是在實際設計及使用時,應根據(jù)具體情況進行調(diào)整。 (3) 添加導流板,可減小氣流短路帶來的影響,降低濾袋表面過濾風速,從而減小氣流帶來的沖刷作用,同時可有效減小綜合流量不均勻幅值。 (4) 當進、排氣口同側(cè)分布且添加導流板時,上進風內(nèi)濾式除塵器內(nèi)部氣流組織評價較高,后續(xù)可考慮選用不同的導流結(jié)構(gòu)以使除塵器內(nèi)部氣流組織更為均勻。3 內(nèi)濾式除塵器的應用
4 結(jié) 論