采用計算流體力學(xué)軟件Fluent，通過數(shù)值模擬的方法研究了下吸氣袋式過濾器的內(nèi)部流場，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計方案存在氣流分布不均勻、設(shè)備阻力過大等問題，提出了在吸氣通道內(nèi)添加導(dǎo)流板的改進(jìn)措施。結(jié)果表明，在四種不同的情況下，改進(jìn)的袋式過濾器內(nèi)部的氣流分布更均勻，進(jìn)出口壓力差減小，吸塵器各部分發(fā)揮良好的除塵作用，有效減少了過濾袋的磨損，提高了除塵效率和運行的穩(wěn)定性，為袋式過濾器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

在我國，電力行業(yè)是煤耗的最大單位，也是工業(yè)粉塵的主要排放單位。隨著國家環(huán)境保護(hù)管理力度的提高，火力發(fā)電廠煙囪出口煙塵排放濃度的要求越來越高，頓的期限也越來越緊迫。作為電力行業(yè)應(yīng)用最廣泛的除塵設(shè)備之一，對布袋除塵器進(jìn)行優(yōu)化改造，提高布袋除塵的除塵效率，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

布袋是布袋除塵器的執(zhí)行部分，布袋室內(nèi)的氣流分布直接影響除塵器的工作性能和壽命，氣流不均勻容易損壞布袋室內(nèi)的布袋，影響布袋室內(nèi)其他布袋的除塵效率。袋式除塵設(shè)備內(nèi)部氣固兩相流動非常復(fù)雜，直接測試袋式除塵器流動非常困難，因此一般選擇CFD技術(shù)作為數(shù)值模擬的主要分析手段。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對這方面進(jìn)行了許多研究。FraunhoferITWM［20］提出計算流體力學(xué)模擬過濾過程的算法。

Croom20提出了優(yōu)化進(jìn)氣口和導(dǎo)流板的改進(jìn)措施，具有參考意義。德國INTENSIVFILTER公司23，24自己的CFD部門利用CFX軟件改善了方案的前期估算和布袋吸塵器的結(jié)構(gòu)，在吸塵器的進(jìn)口部分通過添加導(dǎo)流片改善了內(nèi)部氣流組織，取得了良好的效果。

徐文亮等11分析了擋板吸塵器的流動狀況，主要分析了前擋板長度和吸塵器入口速度兩個因素對除塵性能的影響，提出了最佳擋板長度，降低入口速度有利于吸塵器的性能優(yōu)化。鄭輝等13用數(shù)值模擬軟件模擬除塵設(shè)備吸氣煙箱放置氣流分布板前后氣固多相流的分布情況，建議放置氣流分布板后的氣流分布情況明顯優(yōu)于未放置前，氣流分布均勻。

國內(nèi)外部分布袋除塵企業(yè)已經(jīng)開始采用CFD技術(shù)，對除塵系統(tǒng)中的流程進(jìn)行定性研究，掌握流程分布規(guī)律，對比各種模式的優(yōu)缺點，了解各種布袋室結(jié)構(gòu)因素對氣流分配的影響。筆者通過使用Fluent軟件對改造前后袋室內(nèi)的氣流分布情況進(jìn)行了比較分析，得到了改善氣流分布的方案。

1數(shù)值模擬平臺的建立

1.1幾何模型和網(wǎng)絡(luò)劃分

研究選擇的是下進(jìn)風(fēng)袋式吸塵器，圖1幾何模型分為上箱、中箱、下箱(灰倉)、進(jìn)氣口、排氣口等幾個部分。

模型的基本參數(shù)為上箱體長度1600mm、寬度2200mm、高度6000mm，進(jìn)氣管道位于上箱體底面位置，灰倉為高度1200mm的倒四棱錐，灰斗側(cè)面和水平面為60°，濾袋直徑130mm，長度6000mm，濾袋為10排7列，間隔200mm×200mm，共70個濾袋，吸塵器總過濾面積1807m2。

該吸塵器為軸對稱圖形，因此在Fluent中可采用對稱邊界條件，建模只有其中一半作為計算區(qū)域。模型格柵劃分采用：上箱體上表面和濾袋出口面格柵采用三角格柵，濾袋及上箱體體格柵采用三角棱柱格柵，中箱體體格柵采用三角柱格柵，除塵器入口采用正六面體格柵，下箱體體格柵采用四角柱臺格柵，見圖2。

圖2吸塵器的幾何模型和網(wǎng)格區(qū)分

按順序?qū)⑦^濾袋編號，接近對稱面的過濾袋編號為第1列，遠(yuǎn)離對稱面的過濾袋編號為第5列，中間的2列過濾袋依次為第2列、第3列和第4列，每列過濾袋遠(yuǎn)離進(jìn)氣口側(cè)編號為第1列，依次為后，共7列，見圖3。

1.2數(shù)學(xué)模型

假設(shè)袋室內(nèi)流體在等溫下不能壓縮，制定長流動，模擬計算選擇標(biāo)準(zhǔn)k-冷凍雙方程模型控制方程為

連續(xù)方程

1.3數(shù)值計算方法和邊界條件

袋式過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了使模型和計算變得容易，假設(shè)如下:

(1)將進(jìn)入袋室內(nèi)細(xì)粒和氣體的混合物視為均勻介質(zhì)。

(2)分別在一定粉塵厚度的情況下，對內(nèi)部氣流的分配進(jìn)行類似的模擬分析。

(3)建模時，只考慮袋室入口到袋式過濾器的花板，不計其他部件的影響。

(4)由于袋式除塵器中濾袋數(shù)量龐大，因此，只取袋式除塵器中有限數(shù)量的濾袋進(jìn)行模擬。

(5)模型的幾何結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此在模擬中可以將整個模型的一半作為計算區(qū)域。

以上假設(shè)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-冷凍方程顛簸模型，穩(wěn)定的3D分離隱藏解算器，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流項選擇二級迎風(fēng)離散格式，在附近的墻區(qū)采用壁面函數(shù)法。濾袋采用多孔跳動模型，在連續(xù)相的動量方程中添加附加的粘性損失項，流體通過介質(zhì)的壓力下降滿足Darcy公式:

2數(shù)值模擬結(jié)果和分析

本模型為下風(fēng)式袋式過濾器，灰斗無任何氣流均布裝置，進(jìn)氣口面積小，進(jìn)氣速度高。

圖4為入口風(fēng)速7．11m/s，過濾速度1m/min工況的下進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器流場速度云圖。從圖4中(a)-(e)可以看出，氣流進(jìn)入吸塵器的灰倉后，一部分氣流沿吸塵器上箱體前端的墻壁高速上升，這部分空間的間歇速度過大，對靠近墻壁過濾袋的下部造成沖刷。

由于吸塵器過濾的粒子狀物質(zhì)向下移動，粒子狀物質(zhì)下降到氣流射流處時，被射流帶回箱子，不僅過濾袋的負(fù)荷變重，而且過濾袋的速度也變大，接近墻壁的過濾袋的氣流量變大，接近對稱面的過濾袋的氣流量變小。

圖4下進(jìn)風(fēng)袋袋除塵器Y軸方向不同截面的速度云圖

圖5下進(jìn)風(fēng)布袋除塵器Z軸方向不同截面的速度云圖

從5圖中可以看出布袋底部附近(Z=0mm面)氣流極不均勻，靠近墻壁過濾袋附近的氣流量比較大，不僅氣流間歇性過大，超過設(shè)計值，而且氣流含塵量濃度也高，對過濾袋造成嚴(yán)重沖刷，必然會降低過濾袋的壽命。

從圖5分析可以看出：入口處氣流流速比較大，氣流間歇速度過大，含塵體積濃度也比較高，靠近墻體濾袋的氣流流量比較大，有些煙進(jìn)袋室沿濾袋高度上升，煙在遇到濾袋阻擋后，有些煙沿濾袋間隙上升，有些直接進(jìn)入濾袋過濾。濾袋出口端速度大，氣流極不均勻，清洗濾袋，濾袋內(nèi)部壓力不均勻，濾袋容易破碎。

3吸塵器改進(jìn)模型和模擬結(jié)果

3.1吸塵器改進(jìn)方法

對于現(xiàn)有袋室進(jìn)氣口區(qū)域氣流不均，濾袋易損壞的缺點，優(yōu)化吸塵器結(jié)構(gòu)，在吸塵器入口設(shè)置幾塊逐漸下降的導(dǎo)流板，改變氣體流動方向，獲得幾乎均勻的上升氣流。

導(dǎo)流板的排列形式不同，吸塵器內(nèi)的氣流分布也不同。根據(jù)除塵器濾袋的列數(shù)(n)，如圖6所示，在除塵器的入口處安裝了7塊導(dǎo)流板。

為平分進(jìn)氣口的氣流，根據(jù)經(jīng)驗公式(7)可得導(dǎo)流板板高:

式中:Hi為第i個導(dǎo)流板的高度，m;i=1，…，6;H為進(jìn)氣口的高度;n為濾袋的列數(shù)。

3.2改進(jìn)后模型的流場分布

圖7、圖8添加導(dǎo)流板后，過濾速度為1m/min時，吸塵器截面的速度分布結(jié)果。圖5顯示，在進(jìn)氣口截面添加導(dǎo)流板后，吸塵器袋室內(nèi)的回流區(qū)域進(jìn)一步縮小，流場也變得均勻，特別是袋室前后兩個氣流分布明顯改善。

圖7改進(jìn)后，下進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器Y軸方向不同截面的速度云圖

圖8改進(jìn)后，下進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器Z軸方向不同截面的速度顯示出不同的改進(jìn)。

圖9為除塵器內(nèi)部氣流各濾袋不同工況條件下的改進(jìn)模型前后氣流平均速度分布對比，從圖中可以看出:總體上，隨著過濾速度的提高，除塵器內(nèi)部各濾袋平均氣流速度的不均勻程度呈增大的趨勢。

圖(a)－(d)．為過濾速度為0．5m/min，1m/min，1．5m/min和2m/min4種工況的除塵器內(nèi)部氣流分布平均速度改進(jìn)前后對比，由圖(a)(d)可知，在除塵器入口附近加導(dǎo)流板后，高速氣流進(jìn)入袋式除塵器后，氣流受導(dǎo)流板的影響，氣流的主流方向下移，在導(dǎo)流板的作用下分7股氣流均勻地進(jìn)入上箱體。

分流后的氣流速度比較小，進(jìn)入吸塵器后，氣流不會對過濾袋產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷，吸塵器內(nèi)的氣流分布也比較均勻。由于氣流分流，氣流對后壁的沖擊變小，氣流一直貼著吸塵器下箱的后壁運動，回流速度也比原型的速度小，吸塵器下箱內(nèi)的氣流分布均勻。在除塵器的不同截面，除塵器上箱體中氣流間歇速度都小于設(shè)計值，沒有對濾袋帶來沖刷，整個除塵器內(nèi)氣流分布均勻。

4結(jié)論

(1)在原型中，氣流高速沖刷灰斗墻壁，一部分氣流在灰斗內(nèi)流動形成回流，將沉積的粉塵再次卷入氣流進(jìn)入袋室，加重過濾袋負(fù)荷的另一部分氣流沿過濾器后的墻壁高速上升，沖刷過濾袋，袋室后端的過濾袋容易破損

(2)在進(jìn)口處添加導(dǎo)流板，可以使過濾器進(jìn)口處的射流分流更均勻，有效減少過濾袋的集中沖擊，提高過濾袋的壽命和除塵效率

(3)