牛兵兵， 樊越勝， 李哲然， 田國記，張 鑫， 劉 婷， 武書恒

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710055； 2.中冶焦耐(大連)工程技術(shù)有限公司， 遼寧 大連 116085)

1 概述

濾筒除塵器于20世紀(jì)70年代出現(xiàn)在日本和一些歐美國家，是在袋式除塵器的基礎(chǔ)上研制出的一種除塵器，具有效率高、除塵阻力低、占地面積小、節(jié)能效果好、維修方便、投資省等優(yōu)點[1-2]。

濾筒除塵器的脈沖噴吹清灰方式主要依靠圓形噴嘴形成的圓形射流脈沖噴吹清灰，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但存在噴吹氣流分布不均、偏心及清灰不徹底、不均勻等問題[3-6]。與傳統(tǒng)的圓形射流相比，環(huán)形射流呈環(huán)狀向四周均勻擴(kuò)散，具有誘導(dǎo)混合性強(qiáng)的特點，能夠誘導(dǎo)卷吸更多的二次空氣，提高了引射效率，減少一次空氣流量，節(jié)能效果突出[7-11]。本文對環(huán)形射流脈沖噴吹的清灰性能進(jìn)行模擬研究，并與圓形射流脈沖噴吹清灰方式進(jìn)行比較。

2 濾筒除塵器脈沖噴吹清灰流程

濾筒除塵器的結(jié)構(gòu)見圖1。在除塵工況下，含塵氣體由濾筒外壁(不含底面)進(jìn)入濾筒內(nèi)，過濾后變?yōu)榍鍧崥怏w，經(jīng)凈氣室排出除塵器。在清灰工況下，脈沖噴吹氣流(空氣)經(jīng)噴吹管、噴嘴后，吹入濾筒內(nèi)部，在噴吹氣流脈動噴吹的作用下，濾筒外壁粘附的灰塵脫落并落入集塵箱中。

圖1 濾筒除塵器的結(jié)構(gòu)

3 幾何模型

以單個濾筒為對象，忽略相關(guān)儀表構(gòu)件，僅保存噴嘴、花板、濾筒、凈氣室、含塵氣體空間建立幾何模型。分別采用環(huán)形射流噴嘴、圓形射流噴嘴的幾何模型見圖2。環(huán)形射流噴嘴的尺寸見圖3，圖中數(shù)值相應(yīng)的單位為mm。圓形射流噴嘴為圓柱形，內(nèi)直徑為10.6 mm，高40 mm。濾筒直徑為280 mm，高為660 mm。噴吹距離(噴嘴出口與花板的間距)為200 mm。計算域為直徑500 mm、高1 200 mm的圓柱體。濾筒底面距計算域底面的距離為100 mm。

圖2 分別采用環(huán)形射流噴嘴、圓形射流噴嘴的幾何模型

圖3 環(huán)形射流噴嘴的尺寸

4 模型設(shè)置及驗證

使用FLUENT進(jìn)行模擬，采用二維非穩(wěn)態(tài)、可壓縮流動的Realizablek-ε湍流模型及SIMPLE算法，計算域的頂面為壓力進(jìn)口(pressure-inlet)，底面為壓力出口(pressure-outlet)，壓力均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。計算域壁面、花板、濾筒底面、噴嘴外壁均設(shè)置為固體壁面邊界條件(wall)，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。濾筒的壁面設(shè)置為多孔跳躍介質(zhì)(porous-jump)[12]。噴吹時間設(shè)置為100 ms。噴嘴出口設(shè)為壓力入口，噴吹壓力為0.3 MPa。

將模擬結(jié)果(環(huán)形射流)與文獻(xiàn)[7]相近條件下的有限空間環(huán)形射流的實驗結(jié)果進(jìn)行對比。對于有限空間軸線上相同位置的速度分布，模擬結(jié)果的變化與實驗結(jié)果基本一致，這說明本文采用的湍流模型、邊界條件等合理。

5 模擬結(jié)果及分析

采用環(huán)形射流方式、圓形射流方式的計算域速度云圖分別見圖4、5。由圖4可知，10 ms時，環(huán)形射流由噴嘴噴出，一次氣流在噴嘴外充分發(fā)展并誘導(dǎo)卷吸大量凈氣室內(nèi)的二次氣流，一次氣流和被誘導(dǎo)卷吸的二次氣流進(jìn)入濾筒。在20～30 ms，隨著一次氣流、二次氣流進(jìn)入濾筒，濾筒中原有的空氣被擠出，可認(rèn)為開始清灰。由于噴吹氣流不穩(wěn)定，其動壓無法轉(zhuǎn)化為靜壓，此時為非有效清灰氣流。在30～60 ms，噴吹氣流逐漸膨脹并向流場中心靠攏，中心速度場變得均勻，濾筒內(nèi)部的噴吹壓力逐漸趨于穩(wěn)定，噴吹氣流的動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，形成有效的清灰氣流。在60～100 ms，凈氣室內(nèi)的速度場趨于穩(wěn)定，一次氣流的誘導(dǎo)卷吸作用已經(jīng)減弱，進(jìn)入濾筒的氣流充分膨脹，噴吹氣流均勻穩(wěn)定地從濾筒壁流出，將動壓充分轉(zhuǎn)化為靜壓進(jìn)行有效清灰。

圖4 采用環(huán)形射流方式的計算域速度云圖

由圖5可知，與環(huán)形射流相比，圓形射流的卷吸作用很弱，進(jìn)入濾筒的氣流基本為從噴嘴噴吹的一次氣流。氣流對稱性差，易出現(xiàn)氣流偏心的現(xiàn)象，造成濾筒一側(cè)氣流速度高，清灰過度，而另一側(cè)清灰效果差。氣流作用范圍小(濾筒徑向方向)，氣流沿濾筒軸線直接噴吹到濾筒底部，沒有沿著濾筒壁面貼附向前運(yùn)動，清灰效果亞于環(huán)形射流。

圖5 采用圓形射流方式的計算域速度云圖

采用環(huán)形射流方式的計算域流場(30 ms)見圖6。由圖6可知，流場中存在對稱的高速渦流。當(dāng)噴吹氣流進(jìn)入凈氣室后，計算域壁面、花板使噴吹外邊界層周圍的流線彎曲、卷起，導(dǎo)致凈氣室內(nèi)形成反向旋轉(zhuǎn)的對稱高速渦流，對凈氣室內(nèi)氣流的誘導(dǎo)卷吸和噴吹氣流的發(fā)展起著重要作用。在濾筒入口的流場中心處，兩個渦流影響到進(jìn)入濾筒的噴吹氣流，將噴吹氣流均勻地分配到濾筒壁面，避免了氣流偏心導(dǎo)致的清灰不均勻。

圖6 采用環(huán)形射流方式的計算域流場(30 ms)

采用環(huán)形射流方式、圓形射流方式的壓力場云圖(20 ms)見圖7。由圖7可知，采用環(huán)形射流方式時，濾筒入口的負(fù)壓區(qū)面積遠(yuǎn)小于圓形射流方式，濾筒軸向的壓力變化更為緩慢，沿濾筒徑向的壓力分布更為均勻。說明環(huán)形射流方式的清灰均勻性更好。

圖7 采用環(huán)形射流方式、圓形射流方式的壓力場云圖(20 ms)

6 結(jié)論

與環(huán)形射流相比，圓形射流的卷吸作用很弱，進(jìn)入濾筒的氣流基本為從噴嘴噴吹的一次氣流。氣流對稱性差，易出現(xiàn)氣流偏心現(xiàn)象，造成濾筒一側(cè)氣流速度高，清灰過度，而另一側(cè)清灰效果差。氣流作用范圍小(濾筒徑向方向)，氣流沿濾筒軸線直接噴吹到濾筒底部，沒有沿著濾筒壁面貼附向前運(yùn)動。采用環(huán)形射流方式時，濾筒入口的負(fù)壓區(qū)面積遠(yuǎn)小于圓形射流方式，濾筒軸向的壓力變化更為緩慢，沿濾筒徑向的壓力分布更為均勻。環(huán)形射流方式的清灰均勻性更好。