大唐环境产业集团股份有限公司 北京 100097
摘要：气流分布的均匀性对布袋除尘器的性能起着关键性作用，本文利用CFD对布袋除尘器内部气流分布进行数值计算，优化均流装置结构设计，使结构优化后的布袋除尘器气流分布均匀、阻力降低，用于工程设计的依据。
关键词：布袋除尘器；结构优化；槽形板；数值计算
Structure Optimization of the Bag Filter
Zhang Yanting
（Datang Environment Industry Group Co.，Ltd，Beijing，100097）
Abstract：The uniformity of flow distribution plays a key role on the performance of the bag filter.In this paper，using the CFD to simulate airflow distribution inside the bag filter，optimize flow guide device structure，make the bag filter of optimized structure have more evenly flow distribution，less resistance，as the basis of engineering design.
Key words： Bag Filter Structure Optimization Trough Plate Numerical Simulation
1 前言
随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，环境污染问题得到了国家和各级政府的高度重视，加大环境保护力度已经成为实现经济可持续发展的重要途径，特别是近几年超净排放的提出，对除尘设备的除尘效率及性能要求更高，布袋除尘器以高除尘效率、受煤种变化和灰尘性质影响不大等优点，在电力行业得到广泛应用，且不乏成功的应用案例，在烟尘排放稳定和消减方面起到了积极作用。
辽宁大唐国际沈抚连接带热电厂新建2台350MW国产燃煤超临界汽轮发电机组，可研阶段经过调查分析，结合电厂各设备整体布置情况和满足超低排放标准的要求，最终选用清灰效率高、占地面积较小的直通式低压脉冲行喷吹布袋除尘器。直通式布袋除尘器与常规布袋除尘器进气方式不同，若均流装置设置不合适，易导致布袋除尘器内部气流分布不均匀，故在设计前利用CFD对均流装置进行数值模拟计算，优化结构，应用于实际工程设计，使除尘器内部气流分布均匀，从而可延长除尘器滤袋的使用寿命、阻力降低等性能。
2工程项目及数值计算方法介绍
2.1项目概述
辽宁大唐国际沈抚连接带热电厂位于辽宁省沈阳市浑南区，为大唐国际发电股份有限公司出资建设的大型热电联产项目。根据“以热定电，热电联产，节约能源，改善环境”的国家产业政策，遵循“对规划热源点规模及参数选择时，应遵循选择高参数、大容量、效率高的机组”原则，本期建设2台350MW国产燃煤超临界汽轮发电机组。进入除尘器入口的烟气参数参见表1。
图1 除尘器主视图 图2 除尘器侧视图
2.2软件介绍
计算流体力学（Computational Fluid Dynamic，CFD）是用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程进行求解，从而可预测流场的流动。计算流体力学在最近20年得到了飞速的发展，其计算方法和理论模型及技术不断完善和丰富，并在科研和工程应用中得到了广泛的应用。数值模拟技术的优势在于能够突破实验环境的空间与参数限制，经济高效的解决实际问题。
计算流体力学技术也被称作数值模拟，是一门理论性、技术性和实践性都很强的技术方法。数值模拟技术计算空间离散点上的参数分布代替连续介质参数，将微元体守恒方程转化为离散点上的代数方程进行求解，以获得逼近真实解的数值解。因此，数值模拟技术使得复杂几何结构、大规模的科学计算得以实现，增加了科学研究手段，成为科技、社会发展的巨大推动力，同时，在工业应用领域也成为越来越不可或缺的工具。
2.3三维建模及网格划分
除尘器为对称结构，选用一台除尘器的单列进行三维建模。建模范围包括进口喇叭及均布板、壳体、灰斗、净气室、除尘器出口以及所有滤袋。进口喇叭内部均流板全部按实际布置来进行建模，没有采用多孔介质模型，目的在于更接近于真实值。除尘器本体采用混合网格划分，由于进口喇叭内包含孔板，因此采用非结构化网格，其它区域均为结构化网格，最差整体网格质量0.3，满足计算模拟要求。三维建模图如图3，网格图如图4。
图3 三维建模图 图4 除尘器网格图
经过核算除尘器内雷诺数达到了106，可知内部烟气流动属于高湍流度湍流流动，需要使用湍流模型进行描述，由于除尘器内存在旋转、分离等现象，选用比k-e湍流模型更准确的k-w，这种模型可以保持雷诺应力与真实湍流一致，考虑湍流各向异性等，在计算强旋流、分离流和射流的扩散速度时具有优异表现。对流项的差分格式选用二阶格式精度，并且在计算旋转流动时具有比一阶格式更大准确度。除尘器壁面采用无滑移壁面边界条件，壁面边界层湍流模型采用壁面函数法计算。除尘器进口选用速度进口，出口采用自由出流。
3 常规布袋除尘器数值计算
3.1 常规结构的数值计算
常规布袋除尘器均流装置一般是在进口喇叭内布置两层均流孔板，第一层孔板开孔率为35%，第二层孔板开孔率为45%。为防止烟气直冲滤袋，使烟气进入袋区扩散充分，第一袋区第一排滤袋到进口喇叭出口留有约1000mm距离。两列除尘器中间顶部需要布置气包，使得侧部滤袋到壁板有一定距离，形成一条通道。对布袋区域进行分区，对每一个区域的流量分布进行计算，统计各袋区的流量分配，计算各袋区的流量偏差。布袋区域分区图如图5所示。
图5 布袋除尘器分区图
袋区各分区的流量偏差见表1。从表中数据看出，各布袋分区流量偏差较大，靠近进口方向和出口方向的流量偏大，原因在于1分区和2分区靠近烟气进口方向，一部分烟气从正面直接冲到滤袋迎风面；15分区和16分区处理烟气量偏多是因为大部分烟气从滤袋下部直冲到除尘器后部袋区，图6除尘器内部气体流线图更加直观的表明了这个观点。常规布袋除尘器一般仅在进口喇叭内布置两层均流孔板以达到袋区的气流均布的效果，从计算结果来看，在进口喇叭只布置导流板的布袋除尘器存在局部风速偏高、冲刷滤袋、各袋区流量偏差大的问题。
图6 无导流装置的气体流线图
3.2 结构改进后的计算结果
3.2.1结构改进设想
针对上述问题，对结构进行改进优化，改进后的结构如下：
（1）原有均流孔板开孔率不变，仅侧切一段（袋区有通道一侧），使更多的烟气导流到布袋区域侧面通道；
（2）在进风喇叭口出口迎风面设置槽型板，避免来流方向流速过大对布袋造成冲击；
（3）在侧面1、3袋区和13、15袋区设置槽型板，避免高流速冲击。
把原有均流孔板侧切目的在于使更多的烟气进入袋区侧部通道，减少滤袋下部的烟气量；在布袋迎风面和侧部通道设置槽型板的目的是为了防止高流速的烟气对布袋造成直接冲刷，同时起到均流的作用。增加槽形板后的结构见图7和图8。
图7 槽形板布置三维视图 图8 槽形板布置俯视图
3.2.2结构改进后的计算结果
结构改进后各袋区的流量偏差见表2，和原有结构相比，流量偏差降低很多，最大流量偏差小于5%，说明各袋区流量分配均匀，符合布袋除尘器流量分配均匀的标准。改进后的流线图如图9所示。
图9 改进后的流线图
图9为增加槽形板后的流线立面图，从图上可以看出，布袋底部区域流量最多，这是因为布袋下面空间阻力低，烟气更容易从该位置流动，同时在袋区前布置槽形板，防止烟气直接冲刷前排滤袋。
4 总结
本文利用CFD软件对辽宁大唐国际沈抚连接带热电厂350MW机组用直通式布袋除尘器内部流场进行了模拟，并对结构进行了改进优化，原有结构存在气流分布不合理，部分袋区滤袋存在烟气冲刷现象，导致局部阻力增大，滤袋使用寿命缩短，通过数值模拟的方法对在喇叭出口和侧面通道增加槽形板导流装置后的结构进行计算优化，优化后各袋区风量均匀性，各袋区流量偏差＜5%，同时槽形板也防止烟气直接冲刷前排和侧部通道区滤袋。计算结果表明，优化结构满足布袋除尘器气流分布均匀的要求，可用于工程设计指导。
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论文作者:张彦婷
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/22
标签：除尘器论文; 烟气论文; 数值论文; 结构论文; 布袋除尘器论文; 流量论文; 气流论文; 《建筑学研究前沿》2017年第24期论文;