烧结机尾“电改袋”除尘器数值模拟*

宋孝红陈旺生汤静芳

（1．武汉科技大学　武汉430081；2．武汉钢铁（集团）公司　武汉430083）



烧结机尾“电改袋”除尘器数值模拟*

宋孝红1陈旺生1汤静芳2

（1．武汉科技大学武汉430081；2．武汉钢铁（集团）公司武汉430083）

摘要针对现有“电改袋”除尘器不易实现在运行中更换滤袋且内部气流分布不均匀等问题，结合某烧结厂190 m2“电改袋”工程实例，提出一种可以在运行中更换滤袋的分室式“电改袋”除尘器结构，并利用CFX软件模拟其流场。结果表明，烟气由进气烟道进入袋室时速度大小和方向均发生突变，大颗粒粉尘受惯性力和重力作用易被中间灰斗捕集，有效减缓粉尘对滤袋的磨损；滤袋底部附近区域和两侧灰斗内的烟气速度分别小于5 m／s和6 m／s，可有效防止滤袋间的碰撞磨损和灰斗二次扬尘；各袋室的烟气流量分布比较均匀，标准差为0．152。

关键词“电改袋”除尘器流场数值模拟二次扬尘

Numerical Simulation of Bag Filter Transformed From Electrostatic Precipitator of Sintering Machine Tail

SONG Xiaohong1CHEN Wangsheng1TANG Jingfang2
（1．Wuhan University of Science and Technology Wuhan 430081）

Abstract To solve the existing problems of uneasy replacement of filter bags during the dust collector operating，and un-even distribution of internal airflow in the bag filter transformed from electrostatic precipitator（ESP），the structure of sec-tional bag filter transformed from ESP is proposed in this paper，which can replace filter bags during it operating．The exper-imental model is based on the 190 m2ESP project，and CFX software is applied to simulate the flow field．The simulation re-sult indicates that the rate and victor of gas abruptly varies when gas flow enters bag rooms from flue，at the same time，the large particles is easily collected in middle ash hopper under the together function of gravity and inertia force，and the wear of filter bag is effectively slow down．The rate near the bottom of filter bags is less than 5m／s，and the speed in the inner of bilateral dust hopper is less than 6m／s，thus the wear of the filter bag and the secondary dust is effectively controlled．Be-sides，the gas flow is evenly allocated to every bag room，and the standard deviation is 0．152．

Key Words bag filter transformed from ESP flow field numerical simulation secondary dust

0　引言

我国新标准规定烧结机尾颗粒物的排放限值为30 mg／m3［1］。目前烧结机尾烟气净化设备主要是电除尘器，而电除尘器对0．1～2μm的微细颗粒物除尘效率低［2］，很难达到当前的环保要求，亟需改造。

与电除尘器相比，袋式除尘器除尘效率可达到99．99%以上，粉尘排放质量浓度能达到10 mg／m3以下，甚至达到1 mg／m3，而且对PM10，PM5，PM2．5等细微颗粒物有很高的捕集效率［3］，完全能够满足国家相关标准的要求，所以将电除尘器改造为袋式除尘器（即“电改袋”）在工业生产中得到广泛应用。国内有不少研究者对沿垂直气流方向有2排灰斗的电除尘器进行了“电改袋”研究，如党小庆［4］、吴高明［5］、许汉渝［6］等人，而对沿垂直气流方向有3排灰斗的电除尘器“电改袋”研究较少。此外，现有的“电改袋”除尘器仍然存在一些不足：

（1）除尘器运行中不易更换滤袋。在除尘器运行期间，如果袋室内即使一个滤袋破裂，都可能导致粉尘排放浓度升高，除尘效率降低，而更换滤袋工作一般需在停机状态下进行，影响正常的生产［7］。

（2）滤袋底部烟气速度分布不均匀，易引起滤袋间碰撞磨损，影响滤袋使用寿命，进而影响除尘器的除尘性能。

针对“电改袋”除尘器存在的问题，本文结合某烧结厂机尾190 m2“电改袋”工程实例，提出了一种可以在除尘器运行中更换滤袋的分室式“电改袋”除尘器结构，并利用计算流体力学商用软件CFX模拟流场分布，为除尘器结构的设计和优化提供依据，进而指导工程设计。

1烧结机尾“电改袋”除尘器结构

以某烧结厂机尾190 m2电除尘器为例（如图1所示），结合烧结机尾烟尘温度高、磨损性强等特点，本文提出以下“电改袋”方案，其结构如图2所示。

1—两侧灰斗；2—中间灰斗；3—进气箱；4—壳体；5—出气箱图1电除尘器结构示意（单位：mm）

（1）拆除电除尘器的极板、极线、振打装置、横梁和高压电源等，保留电除尘器的进气箱、壳体、出气箱、灰斗和输灰系统以及外部框架、梯子、平台等。

（2）在中间灰斗上侧设有烟道，烟道被斜板分隔为进气烟道和出气烟道，斜板下侧为进气烟道，上侧为出气烟道。

（3）烟道两侧对称地共设12个袋室，在袋室上侧相应地设有12个净气室，每个袋室设有1个袋室入口，每个净气室设有2个净气室出口，袋室和进气烟道通过袋室入口连通，净气室和出气烟道通过净气室出口连通。

（4）在袋室入口处设有入口阀门，通过钢丝绳、铰链及连杆与除尘器壳体外侧的气缸连接，通过气缸可控制阀门的开闭；净气室出口处设有提升阀。当某个袋室需要更换滤袋时，只需关闭相应袋室的入口阀门和相应净气室的提升阀，其他袋室和净气室正常运行。

2数值计算

2．1物理模型

1—斜板；2—出气烟道；3—提升阀；4—净气室出口；5—净气室；6—花板；7—滤袋；8—袋室；9—壳体；10—气缸；11—支撑架；12—铰链；13—入口阀门；14—中间灰斗；15—袋室入口；16—进气烟道；17—两侧灰斗；18—阻流板；19—进气箱；20—出气箱图2“电改袋”除尘器结构示意（单位：mm）

本“电改袋”项目每个袋室内均匀布置336条滤袋，滤袋间距为70 mm×70 mm，单条滤袋尺寸为Φ160 mm×7 000 mm，过滤速度0．83 m／min。

2．2数学模型

“电改袋”除尘器内部流场复杂，在建模时假设［8］：①流体做定常流动；②流体为不可压缩流体；③滤袋为圆柱体，在工作时无变形；④整个流动过程为等温过程，模拟时取温度为100℃。

除尘器正常运行过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，在CFX计算时采用的控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程。而除尘器内气体流动为紊流状态，因此，需选取湍流模型进行数值计算。鉴于湍流模型应用广泛、实用性强，模拟时采用湍流模型进行计算［9］。

2．3网格划分

为了提高计算精度，同时控制网格数量，采用结构性和非结构性混合网格。本模拟中袋室和净气室部分采用结构性网格划分，烟道采用非结构性网格划分，网格数量约为500万个。

2．4边界条件

除尘器入口采用速度入口条件（处理风量65× 104m3／h，入口速度为10．8 m／s），出口采用开放式出口条件，壁面采用无滑移壁面，滤袋采用多孔介质模型，滤袋的渗透率和损失系数根据试验确定［10］。

3结果分析

通过模拟计算得到“电改袋”除尘器流场速度分布图，如图3～图8所示。图3和图4截取自平面1，图5和图6截取自平面2，图7截取自平面3，图8截取自平面4，平面1～平面4分别按图2所示虚线方向截取。

由图3和图4可知，含尘烟气经进气箱以4～16 m／s的速度进入进气烟道，受斜板阻挡向下运动，在此过程中部分烟气直接冲击斜板，在惯性力和重力作用下部分大颗粒物从烟气中分离，进而被中间灰斗捕集。同时，由于斜板的作用，烟气均匀向下运动，有利于烟气均匀分配到各袋室。由图5和图6可知，烟气以最高16 m／s的速度通过进气烟道两侧的袋室入口进入袋室，在经过袋室入口的过程中，烟气速度大小和方向发生突变，大颗粒粉尘在惯性作用下沉降到中间灰斗内，中间灰斗区域烟气速度均在3 m／s以下，且无漩涡存在，能有效防止中间灰斗二次扬尘。该“电改袋”除尘器充分利用了电除尘器中间灰斗，实现粉尘的一次捕集。

图3平面1速度云图

由图5和图6可知，烟气进入袋室后，在袋室入口处形成一个高速区，最高速度为16 m／s，并在两侧灰斗与高速区之间形成漩涡，但漩涡距离灰斗区域距离较远，对下侧灰斗内的流场分布影响较小。此外，滤袋底部附近区域烟气速度均在4 m／s以下，且分布较为均匀，不存在偏流现象，可有效地防止因高速度烟气引起的滤袋摆动、摩擦等问题，减缓了滤袋间的碰撞磨损。靠近灰斗上部壁面处，烟气速度最大为6 m／s，两侧灰斗内大部分区域烟气速度均小于4 m／s，且灰斗内无漩涡存在，可有效防止二次扬尘的发生。

图4平面1速度矢量图

图5平面2速度云图

图6平面2速度矢量图

由图7和图8可知，平面3和平面4的速度分布与平面2具有基本相同的规律。由图7可知，平面3内滤袋底部附近区域和两侧灰斗内的烟气速度分别小于4 m／s和4．5 m／s。由图8可知，平面4内滤袋底部附近区域和两侧灰斗内的烟气速度均小于4 m／s。各袋室流场速度分布基本一致。

图7平面3速度矢量图

图8平面4速度矢量图

另外，根据模拟结果可计算出各袋室的烟气流量，如表1所示。由表1可知，在各袋室中，烟气流量最大为14．43 kg／s，最小为14．06 kg／s，标准差为0．152，可见各袋室烟气流量分布十分均匀。

表1袋室烟气流量分布 kg／s

4　结论

针对现有“电改袋”除尘器不易实现在运行中更换滤袋，且内部气流分布不均匀等问题，提出一种新的“电改袋”除尘器结构，并对其内部流场进行数值模拟，得到如下结论：

（1）在电除尘器壳体内进行合理地分室，使各过滤单元相互独立，并在袋室入口和净气室出口处设有相应的阀门，以实现在除尘器运行中更换滤袋。

（2）根据模拟结果，烟气从进气烟道进入各袋室时，速度大小及方向均发生突变，有利于烟气中的粉尘惯性分离，大颗粒粉尘在惯性力和重力作用下沉降到中间灰斗，有效地降低了进入袋室的烟气中粉尘的浓度。

（3）各袋室滤袋底部区域和灰斗区域流场分布较为均匀，其速度分别小于5 m／s和6 m／s，无较大漩涡存在，可有效地防止滤袋间的碰撞磨损和灰斗二次扬尘的发生。

（4）该“电改袋”除尘器可有效利用原有电除尘器结构，改造成本低，具有较好的应用前景。

参考文献

［1］GB 28662—2012钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准［S］．环境保护部，国家质量监督检验检疫总局，2012．

［2］靳焱，李红喜．袋式除尘器在烧结厂发展前景［J］．才智，2012（12）：39．

［3］王冬军，路春美，李慧敏．脉冲袋式除尘技术进展及其寿命影响因素分析［D］．济南：山东大学，2009．

［4］党小庆，马娥，胡红胜，等．电改袋式除尘器气流分布数值模拟［J］．科技导报，2009，27（5）：56－60．

［5］吴高明，刘汉杰，向晓东，等．武钢炼铁厂－高炉槽下“电改袋”流场模拟与风量分配［C］．宁波：2008年全国炼铁生产技术会议暨炼铁年会文集，2008．

［6］许汉渝．某公司1×300 MW机组1号炉除尘器电改袋项目介绍［J］．工业安全与环保，2011，37（8）：63－64．

［7］柯了英，向晓东．“电改袋”的理论分析及内部流场的数值模拟［D］．武汉：武汉科技大学，2008：3－5．

［8］胡满银，郁金星，孙喜娟，等．外滤式除尘器袋内流场的数值模拟［J］．电力科学与工程，2007，23（1）：37－39．

［9］刘小鑫，陈旺生，李丹天，等．烧结机尾烟尘净化用新型惯性－布袋除尘器研究［J］．矿山机械，2013，41（12）：96－99．

［10］赵友军．袋式除尘器内部流场分布试验测试及数值模拟研究［D］．上海：东华大学，2008：7－22．

收稿日期：（2015－07－30）

作者简介宋孝红，男，1989年出生，硕士研究生，主要研究方向为工业通风与除尘。

*基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA062501）。