供热锅炉除尘器的优化设计与降尘效果分析_伊晓倩.pdf

供热锅炉除尘器的优化设计与降尘效果分析伊晓倩（晋能控股煤业集团云岗矿环保科污水处理厂，山西大同037000）摘要：为有效解决当前供热锅炉烟气净化系统中袋式除尘器内部气流组织不稳定导致滤带损坏且运行阻力大的问题，在对袋式除尘器原理及结构进行概述的基础上，基于 CFD 软件构建了供热锅炉除尘器的仿真模型，对其气流组织进行摸底，分析其薄弱环节；根据摸底结构对除尘器的结构进行优化设计，通过优化结果最终确定采用在灰斗处安装挡风板的措施。关键词：供热锅炉烟气净化系统袋式除尘器降尘效果气流组织中图分类号：TM621文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0157-02引言在当前环境保护要求越来越高的背景下，各行各业对设备的要求也越来越严格。供热锅炉为集中供暖的核心设备，为了达到日益严格的环境保护要求，对其烟气净化系统提出了更高的要求1。目前，供热锅炉烟气净化系统主要采用除尘系统对其所排放的烟气进行净化，其可保证供热锅炉所排放烟气的浓度满足 锅炉大气污染物排放 所规定的粉尘排放浓度低于 20 mg/m3的要求2。但是，袋式除尘器在实际应用中存在气流不稳定而导致的滤带破损以及阻力过大的问题。本文将重点对供热锅炉除尘器的结构进行优化设计，并对最终优化后除尘器的降尘效果进行分析。1袋式除尘器供热锅炉作为供热系统的关键设备，为保证所排放的烟气满足 锅炉大气污染物排放 中所规定的相关规范要求，为供热锅炉所配套的烟气净化系统主要包括有除尘系统、脱硝系统、脱硫系统以及相关的换热设备等。目前，与供热锅炉相配套的烟气净化系统主要可分为高尘布置和低尘布置两种方式，在烟气净化系统的作用下所排放出的烟气中二氧化硫的浓度小于 80 mg/m3、氮氧化物的浓度小于 250 mg/m3、颗粒物的浓度小于 20 mg/m3。在实际应用中，供热锅炉烟气净化系统所配套的除尘设备的选型，需要综合考虑供热锅炉所排放烟气中的粉尘浓度、排放标准、烟气量的变化以及烟气温度等指标。综合实践应用数据，对普通旋风除尘器、多管旋风除尘器以及湿式除尘器等设备的除尘效率进行对比，对比结果如表 1 所示。如表 1 所示，袋式除尘器在众多类型的除尘器中且在不同粒度的粉尘去除中性能明显优越。因此选用袋式除尘器在烟气净化系统中广泛应用3。袋式除尘器分为分室袋式除尘器和直通袋式除尘器，重点对当前袋式除尘器在实际应用出现气流不稳定和通风阻力偏大的原因进行分析，并对其结构进行优化，保证除尘效率，对气流组织进行优化。2袋式除尘器摸底研究本章节将基于 CFD 软件对当前袋式除尘器气流分布情况进行模拟分析，为后续除尘器结构的优化设计提供支撑。2.1数值模拟模型搭建根据袋式除尘器的基本结构，采用 Fluent 软件中的 Gambit 模块构建袋式除尘器的三维结构模型4。综合考虑袋式除尘器的三维结构以及数值模拟的需求，将网格节点划分为 710 355 个，网格总数为 1 276 917个。根据袋式除尘器的相关参数对其边界条件进行设置，具体参数如表 2 所示。2.2仿真结果与分析在上述数值模拟仿真模型构建的基础上，分别对袋式除尘器的内部气流线路、滤袋迎风断面速度分布、袋底上升气流速度分布以及除尘器阻力损失等进收稿日期：2022-08-31作者简介：伊晓倩（1995），女，山西朔州人，本科，毕业于中国矿业大学，助理工程师，研究方向为环境保护。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.061除尘器类型粉尘粒度直径50 m以下5 m以下1 m以下普通旋风除尘器94273多管旋风除尘器967327湿式除尘器988538干式电除尘器999785湿式电除尘器999892袋式除尘器999999表 1不同除尘器对不同粒度粉尘的除尘效率对比%参数名称参数指标最大烟气量/（m3 h-1）220 000烟气温度/150过滤风速/（m min-1）0.84入口粉尘浓度/（g Nm-3）35最大排放粉尘浓度/（mg Nm-3）30表 2袋式除尘器数值模拟仿真参数设置优化改造机械管理开发第 38 卷行仿真分析。以除尘器内部气流组织为例，经仿真针对除尘器内部气流组织仿真需求得出了袋式除尘器的内部流线图和内部速度矢量图，如图 1 所示。如图 1 所示，X 方向代表袋式除尘器内部气流的流动方向，Y 方向为袋式除尘器的高度方向，Z 方向为袋式除尘器的宽度方向。分析图 1 中的仿真结果可知：整体上袋式除尘器内部的气流相对平稳，主要在设备的灰斗位置出现了一定程度干扰气流，从而影响了设备整体粉尘的沉降速度，而且存在产生粉尘二次飞扬的可能性，最终影响设备的除尘效率。此外，在袋式除尘器进口管道 90的弯头位置处的气流速度较大，也是导致阻力损失较大的主要原因。3除尘器结构优化设计与效果评估根据对除尘器内部气流组织的摸底结构，本章对除尘器结构进行优化设计，并对优化后袋式除尘器的除尘效果进行综合评估。从理论上讲，除尘器的结构将是影响其内部气流组织的主要因素5；同时，结合袋式除尘器内部气流组织的摸底结果，重点对除尘器的进口喇叭数量、增设灰斗挡风板操作对其结构进行优化设计。3.1增加进口喇叭数量目前，袋式除尘器为单个进口喇叭6。为解决袋式除尘器内部气流组织不稳定的问题，拟增加一个进口喇叭；单口和双口喇叭两种情况下袋式除尘器的性能进行对比，对比结果如表 3 所示。如表 3 所示，虽然双进口喇叭的形式相比于单进口喇叭的形式在滤袋迎风断面气流速度、滤袋侧面气流速度以及阻力损失等方面指标较为优越，但是，在袋底上升气流速度和滤袋单元流量最大偏差两方面的指标较差。因此，双进口喇叭袋式除尘器的方案还需进一步优化7。3.2增设灰斗挡风板在袋式除尘器灰斗位置增加挡风板，对有无灰斗挡风板的气流组织进行对比，对比结果如表 4 所示。通过对比可知，在除尘器内部增加灰斗挡风板后除尘器内部的气流扰动现象得到明显有效的改善。实践表明，对供热锅炉的烟气净化系统中的除尘器增加灰斗挡风板后，不仅有效解决了其内部气流扰动的问题，而且其平均除尘效率可达 99.7%，平均排放烟气中粉尘浓度为 13.5 mg/m3，低于相关标准要求8。4结论本文以 100 t/h 燃煤供热锅炉烟气净化系统中的除尘器为研究对象，重点解决其在实际生产中所存在的气流不稳定而导致的滤袋破裂以及运行阻力过大的问题。1）通过对袋式除尘器内部气流组织仿真分析得出：整体上袋式除尘器内部的气流相对平稳，主要在设备的灰斗位置出现了一定程度的干扰气流，从而影响设备的除尘效率。2）在袋式除尘器灰斗处增加挡风板后，可有效解决其内部气流组织不稳定的问题；而且，优化后袋式除尘器的除尘效率高达 99.7%。参考文献1王勇强，周月桂.金属化合物柔性膜高温除尘器数值模拟及性能优化J.锅炉技术，2020，51（3）：7-9.2黄雅琴，李彩亭，李珊红，等.旋风-布袋复合除尘器优化和除尘效率的数值模拟J.环境工程学报，2020，14（8）：10-11.3王梦雅，刘丽冰，熊桂龙，等.面向袋式除尘器的大数据挖掘 XG-Boost 优化算法研究J.电子测量与仪器学报，2020，32（7）：9-10.4张哲，李彩亭，李珊红.下进风内滤式袋式除尘器流场的模拟与优化J.环境污染与防治，2020，42（3）：5-7.5李坚，王川，吕瑞彤.干法管道喷射碳酸氢钠脱硫除尘一体化装置的优化J.北京工业大学学报，2022，48（1）：10-11.6陈亮亮，陈志炜，刘立，等.烧结机头脱硫配套湿式电除尘器的流场模拟及优化设计J.工业安全与环保，2022，48（4）：4-6.7郗元，舒奕晖，李冰璇，等.袋式除尘器脉冲喷吹过程优化分析J.机械设计与制造，2021，20（7）：22-24.1-1袋式除尘器内部流线图1-2袋式除尘器内部气流速度矢量图图 1袋式除尘器内部气流组织仿真结果对比项目单口喇叭双口喇叭滤袋迎风断面气流速度/（m s-1）1.781.69袋底上升气流速度/（m s-1）1.491.90滤袋侧面气流速度/（m s-1）2.331.95滤袋单元流量最大偏差/%3.217.35阻力损失/Pa370350表 3单口和双口进口喇叭对应袋式除尘器的性能对比对比项目无灰斗挡风板有灰斗挡风板滤袋迎风断面气流速度/（m s-1）1.381.36袋底上升气流速度/（m s-1）1.961.95滤袋侧面气流速度/（m s-1）1.451.34滤袋单元流量最大偏差/%3.314.62阻力损失/Pa325330表 4有无灰斗挡风板除尘器内部气流组织对比1.78e+011.70e+011.61e+011.52e+011.43e+011.34e+011.25e+011.16e+011.07e+019.82e+008.92e+008.03e+007.14e+006.25e+005.35e+004.46e+003.57e+002.68e+001.78e+008.92e-010.00e+00YXZ1.78e+011.70e+011.61e+011.52e+011.43e+011.34e+011.25e+011.16e+011.07e+019.82e+008.92e+008.03e+007.14e+006.25e+005.35e+004.46e+003.57e+002.68e+001.78e+008.92e-010.00e+00YXZ1.93e+011.83e+011.73e+011.64e+011.54e+011.44e+011.35e+011.25e+011.16e+011.06e+019.63e+008.66e+007.70e+006.74e+005.78e+004.81e+003.85e+002.89e+001.93e+009.63e-017.71e-04YXZ1.93e+011.83e+011.73e+011.64e+011.54e+011.44e+011.35e+011.25e+011.16e+011.06e+019.63e+008.66e+007.70e+006.74e+005.78e+004.81e+003.85e+002.89e+001.93e+009.63e-017.71e-04YXZ（下转第 163 页）1582023 年第 2 期与节能，2021（10）：194-195.2郭鹏阁.基于 VSE 软件的矿井通风系统优化研究J.山东煤炭科技，2021，39（3）：103-106.3张志伟.浅析自然风压对矿井通风系统的影响及对策J.山东煤炭科技，2021，39（8）：102-104；117.4韩文娟.合理选择通风设备确保矿井通风系统安全运行J.中国高新科技，2021（13）：88-89.5张啟先.矿井通风系统与安全监控系统存在的问题及对策分析J.科技创新与应用，2022，12（6）：143-145.6苏鹏祥.煤矿矿井通风技术及通风系统优化策略分析J.矿业装备，2022（1）：114-115.7裴治巧，李忠敬.矿井通风基础计算理论在解决通风系统问题中的运用J.内蒙古煤炭经济，2021（18）：154-155.8赵斌.基于 BP 神经网络的矿井通风系统可靠性预测系统J.山西焦煤科技，2021，45（11）：32-34.9邓禾苗，刘杰，张悦，等.基于 AHP-TOPSIS 法的高原矿井通风系统方案优选J.化工矿物与加工，2021，50（9）：1-6.10蒋成龙，杨应迪，黄建达.基于 OpenGL 的矿井三维可视化通风系统构建J.煤矿安全，2022，53（1）：128-133.11吉振东.基于 BP 神经网络算法的矿井通风系统可靠性研究J.能源与节能，2021（4）：155-157.12邓玉彬，周益龙，林永生，等.红岭钨矿矿井通风系统方案优化研究J.湖南有色金属，2021，37（2）：5-7；15.（编辑：李俊慧）Analysis of Ventilation System Optimization and T