基于CFD数值模拟分析的布袋除尘器改造_任凯.pdf

103山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）基于 CFD 数值模拟分析的布袋除尘器改造（西安龙净环保科技有限公司，陕西 西安 710000）任 凯，尹 成，任 轩，曹 宁 摘 要 布袋除尘为物理除尘，滤袋的稳定使用是布袋除尘器正常稳定运行的关键因素之一，且袋除尘器阻力也逐步成为布袋除尘器的主要考核指标之一，袋除尘在使用过程中若袋除尘器内流场较差、局部高风速、各个袋室分风不均等会影响到袋收尘的收尘效率及滤袋的使用寿命。本文通过对袋除尘器改造前运行情况分析及改造需求，有针对性的进行设备改造，并通过 CFD 数值模拟进行验证分析，针对其特性进行流场优化设计，确保改造方案的准确性及可行性，降低设备阻力，提高滤袋使用寿命，解决布袋除尘器常见的破袋、阻力大等问题，确保布袋除尘器的正常稳定运行，从根本上解决用户痛点，满足用户需求。关键词 布袋除尘器；CFD 数值模拟；滤袋；碳达峰 中图分类号 X701 文献标识码 A 文章编号 1006-7523（2023）02-0103-05DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.02.017 收稿日期 2022-06-20作者简介 任凯（1986），男，西安龙净环保科技有限公司，高级工程师；尹成（1986），男，西安龙净环保科技有限公司，高级工程师；任轩（1993），男，西安龙净环保科技有限公司，助理工程师；曹宁（1988），男，西安龙净环保科技有限公司，工程师。引 言近年来随着环境问题日益凸显，已对人们的日常生活造成影响，国家逐步对各类环保标准提出了更高的要求，特别是对各类大气污染物排放标准更是严格，目前粉尘超低排放已成趋势，布袋除尘器作为超低排放设备中的主力军已被广大客户认可。布袋除尘为物理除尘，滤袋的稳定使用是布袋除尘器正常稳定运行的关键因素之一1，且袋除尘器阻力也逐步成为布袋除尘器的主要考核指标之一，袋除尘在使用过程中若袋除尘器内流场较差、局部高风速、各个袋室分风不均等会影响到袋收尘的收尘效率及滤袋的使用寿命，严重时甚至造成破袋现象，特别是在国家将“碳达峰、碳中和”纳入经济社会发展全局，要坚定不移走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路的背景下，如何有效解决这些问题，提高滤袋收尘效率、使用寿命、降低系统阻力、降低能源消耗就显得尤为重要。一、工程案例以某布袋除尘器为例，该布袋除尘器包含两台并联的袋除尘器，进出口烟道置于除尘器一侧，袋区进气方式为侧部进气，模型如图 2 所示。根据历史运行数据，该布袋除尘器在运行过程中出现阻力大、风机电耗高、滤袋寿命短、烟尘排放不达标等问题。具体的两台除尘器日常运行阻力在18002200 pa 左右，风机电能消耗大；较高的运行104阻力又造成除尘器滤袋磨损加快，滤袋在滤袋寿命期内频繁发生破袋泄露现象，造成排放超标。图 1 原设备照片图 2 模型图根据原设备图纸及前往现场对原袋除尘器进行检查，发现主要存在以下问题：（1）袋除尘器的进口烟箱与其除尘器烟道不同心且有较大的偏差，如此相当于烟气要进入除尘器需经过三个 90的弯头，如图 3 所示，且为连续弯头，弯头曲率半径较小，势必会造成阻力增加2。进口形式阻力较大，且造成袋区内分风不均，存在高风速区进口烟箱有多个90拐角，阻力大图 3 示意图（2）原除尘器烟气经进口烟道进入袋区时有两处变径，经计算，烟气进入袋区时的风速达到 14.5 m/s，风速较大，阻力较大，且由于变径缘故烟气无法在袋区内得到很好的扩散，而后直接冲刷滤袋，如此将严重影响滤袋使用寿命，进而影响排放。（3）根据原袋除尘器相关数据可知，原袋除尘器滤袋设计过滤风速约 0.91 m/min，若离线清灰时，过滤风速可达到 0.99 m/min，设计过滤风速较高，会造成滤袋阻力较大，影响滤袋使用寿命3。（4）原 袋 除 尘 器 提 升 阀 口 设 计 风 速 为12.95 m/s，风速过大，阻力较大4。1.原除尘器内部流场及改造方案设计为更好的了解原设备存在的问题，以便于后期的改造方案设计，本文通过 CFD 气流仿真技术对原设备进行模拟分析，根据所提供的原设备图纸及管道图纸建立模型对原结构进行 CFD 气流仿真模拟。本文计算湍流模型采用标准 k-e 模型，湍流流场的计算采用有限体积法离散控制方程，算法采用 Simple 算法，对流项采用一阶迎风格式，近壁面采用壁面函数法处理。假定流体是不可压缩的，作定常流动。进口(inlet)为速度进口（velocity-inlet）；出口(outlet)为压力出口（pressure-outlet）；滤袋为多孔跳跃（porous-jump）；其余壳体及导流装置为无滑移壁面（wall）。计算分析结果如下：图 4 流线图基于 CFD 数值模拟分析的布袋除尘器改造105山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）图 5 滤袋表面风速从图4可以看出原设备袋室内烟气流线较差，且各袋室烟气流量偏差较大，导致局部袋室内过滤风速增大，从而使得设备阻力增大；通过图 5可以看出滤袋表面最大风速已达到 8.83 m/s，如此高风速会导致滤袋晃动磨损、高风速烟气长期冲刷导致滤袋破损。表 1 各个检测面压力值 单位：pa模型中压力检测面压力检测值IN11717IN2558IN3346INLET1999OUTLET0由表 1 可以知，原设备各段阻力值如下表：表 2 原设备各段阻力值 单位：pa阻力区间阻力值进口到袋室前（INLET-IN1）282滤袋阻力（IN1-IN2）1159净气室阻力（IN2-IN3）212出口烟道阻力（IN3-OUTLET）346原设备总阻力（INLET-OUTLET）1999经过上述模拟分析可看出，模拟结果基本与该设备改造前出现的问题相吻合。为解决原设备运行时出现的问题，针对性的进行改造方案的设计：（1）改造原设备进气口，改造为喇叭形进口，并在进气口内设置导流装置及分布板，以此来改善原进口形式阻力较大，分风不均等问题，同时分布板在均布气流的同时也可降低进入袋区的风速，避免高风速直接冲刷滤袋从而影响滤袋使用寿命。（2）对原设备进行扩容改造，变更滤料材质，增加滤袋长度，新增两个袋室，扩大收尘面积，降低整体过滤风速，减少滤袋阻力，提高除尘器的收尘效率。（3）去除净气室内提升阀及分室板，形成通畅的一体化净气室，降低烟气在净气室内流速，降低烟气经过净气室的阻力。（4）由于改造需利旧原出口管道，所以针对通畅的一体化净气室与原出口管道之间的变径连接可能出现的阻力大问题，考虑通过调整净气室与出口管道之间变径的高宽比，设计合理的变径管道，降低此处的阻力。下面对改造后设备进行 CFD 流场分析，验证改造方案的可行性。2.改造方案的除尘器内部流场分析依照上述改造方案对原设备进出口管道、进出风形式、设备壳体等进行改造升级，解决原设备阻力大、风机电耗高、滤袋寿命短、烟尘排放不达标等问题。改造方案的设备模型如图 6 所示。图 6 改造方案的模型图以此模型为基础，进行模拟分析，模拟分析结果如下所示。图 7 改造方案的设备速度流线图106图 8 改造方案的设备速度流线图 2由图 7、图 8 可知，由改造方案（1）所述改造其进口形式后，烟气沿烟道从进口喇叭进入设备内部，经过进口喇叭内导流装置及分布板的作用，烟气整体速度流线平稳顺畅，大部分烟气沿进口喇叭底板进入滤袋与灰斗之间的空间进行扩散（图 7 中 A 处），设计改造方案时为避免 A处过风面积较小而引起的高风速，经计算相应的加高了设备壳体及花板位置，增加 A 处的过风面积，减少 A 处高风速区域，图 10 也显示 A 处并无高风速烟气直接冲击第一袋区滤袋，A 处滤袋表面风速约为 1.52 m/s，烟气经过 A 处后可在各个袋区底部进行良好的扩散。图 7 中 B 处为改造方案（3）所述，在去除净气室内提升阀及分室板，形成通畅的一体化净气室后，净气室内的流线整体均匀顺畅，并无烟气整体靠近出气口的现象，且改造后的净气室阻力有了大幅降低。图7中C处、图8中D处所示为改造方案（4）所述位置，由于改造需利旧原出口管道导致的出气口位置的限制，此处可能会因气流突变而导致阻力过大的问题，改造方案设计时通过调整净气室高度来调节此处变径的高宽比，经多次计算、模拟调整，得到合理的变径管道形式，降低此处的阻力。图 9 滤袋表面风速分布图 10 滤袋袋底风速分布从图 9 可知，滤袋表面最大风速点的风速为5.24 m/s，满足滤袋使用需求，主要分布在进气口后第一排滤袋上部，图 10 所示其中滤袋底部最大风速点的风速为4 m/s，并无过大风速点产生，避免了由于气流的过度冲刷导致滤袋表面受损，消除了原设备滤袋磨损过快，滤袋在滤袋寿命期内频繁发生破袋泄露从而造成排放超标现象，改造后滤袋能够满足除尘器长期稳定运行的要求。同时通过对原设备进行扩容改造后，增加滤袋长度及增加袋室，扩大了设备整体过滤面积，滤袋的整体过滤风速得到降低，所以滤袋阻力降低，约为 681 pa，同时滤袋收尘效率也得到提升，即改造方案（2）所述。表 3 改造后各检测面压力值 单位：pa模型中压力检测面压力检测值IN1993IN2312IN3217INLET1157OUTLET0对比表 1 与表 3 可以知，改造前后设备各段阻力值如下表：表 4 改造前后设备各段阻力值 单位：pa阻力区间原设备各段阻力值改造后设备各段阻力值进口到袋室前（INLET-IN1）282164滤袋阻力（IN1-IN2）1159681净气室阻力（IN2-IN3）21295出口烟道阻力（IN3-OUTLET）346217原设备总阻力（INLET-OUTLET）19991157通过对进出口进行压力值检测，由表 4 可知，设备整体的阻力（含进出口管道、滤袋阻力）为基于 CFD 数值模拟分析的布袋除尘器改造107山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）inlet 到 outlet，阻值约为 1157 Pa，比改造前设备总阻力降低约 850 pa，降低了风机能耗，也说明了上述改造方案的准确性、针对性及可行性。通过上述模拟可知，对设备原有问题的针对性的改造升级方案，完全可以解决原设备阻力大、风机电耗高、滤袋寿命短、烟尘排放不达标等问题，解决了用户难题。后续跟踪项目进展，该改造项目按预期的改造方案进行改造投运后，设备阻力约 1100 pa，运行情况良好，与模拟结果相吻合，也说明了气流模拟仿真技术的准确性与可靠性。二、结论（1）针对布袋除尘器高阻力、滤袋使用寿命短等问题，可根据项目实际情况，了解设备的实际结构，从中诊断问题的所在，在改造方案设计时就可以有针对性、有目的性的进行改造升级，同时可通过气流模拟分析验证改造方案的准确性与可行性。（2）改造方案的设计需满足环保排放要求，降低系统阻力，切实解决用户痛点，满足用户需求，在碳达峰的大背景下，同时要对用户节能减排有突破。（3）由气流模拟仿真来指导除尘器的改造方案设计的方法，且通过对改造后的项目运行情况的追踪与数据收集，验证了气流模拟仿真技术在指导方案设计上的可行性与重要性，也验证了气流模拟仿真技术的准确性与可靠性，所以气流模拟仿真技术在环保行业中可为工程设计及优化提供科学指导，在设备的优化设计中具重要的指导作用与意义。（4）流场的优化设计在改造项目中具有极大作用与意义，可解决设备中的流场问题，达到流场均布，降低设备阻力，减少整体设备的能耗的目的。参考文献1 邓鹏.布袋除尘器除尘效果的影响因素及对策 J.资源节约与环保,2018(10):35-36.2 杨俊波,侯庆伟,祁金胜,安强,侯振.引风机前烟道阻力特性分析 J.电站系统工程,2011,27(01):69-70.3 何雪梅.袋除尘器滤袋使用寿命的影响因素分析 J.水泥,2016(07):57-59.4 胡建鹏,许小雷.矿渣粉磨系统低阻力高效除尘器的优化设计 J.新世纪水泥导报,2009,15(03):55-58.Transformation of Bag filter Based on CFD Numerical SimulationREN Kai,Y