下进风内滤式袋式除尘器流场的模拟与优化

李珊红1!（'湖南大学环境科学与工程学院，湖南 长沙410082；2.环境生物与控制教育部重点实验室（湖南大学），湖南长沙410082）摘要为优化袋式除尘器内部流场、提高除尘效率，以实验室规模的下进风内滤式袋式除尘器为原型，利用计算流体动力学

（CFD）技术模拟其内流场并进行优化（将进口管改为渐扩型进口管、进口处增设多孔板、滤袋进口处增设3块导流挡板），再现颗粒

相运动轨迹，采用均方根值法及流量分配系数法对流场均匀性校验。结果显示:优化后进口射流和灰斗处的涡流消失，内部流场均 匀性得到改善，其均方根为0.095,颗粒相在滤袋中分布均匀。关键词内滤式袋式除尘器数值模拟流场优化设计D0110.15985/j.cnki. 1001-3865.2020.03.016Simulation and optimal of the flow field of below-inlet-wind internal bag filter ZHANG Zhe1 , LI Caiting1,2 , LIShanhong1\"2.(1.Col ege of Env'ronmental Sc'ence and Eng'neer'ng\"Hunan Un'vers'ty\"Changsha Hunan 410082； 2.KeyLaboratoryofEnv'ronmentalB'ologyandPolut'onControl (HunanUn'vers'ty),Changsha Hunan410082)Abstract: To improve the flow field and collection efficiency of the internal bag filter, a model of laboratoryscalebelow-inlet-windinternalbagfilterwasbuilttosimulatetheflowfielddistributionandparticletrajectoriesbased

on the Computational Fluid Dynamics (CFD). A series of measures were used to optimize the flow field, such as

changingtheinletpipe,addingaperforatedplateand3guideplates.Theflowfielduniformitywasdeterminedbythe RMS methodandtheairdistributioncoeficientmethods.Theresultsshowedthatthevorticesattheinletjetandthe

ash hopper disappeared,and the flow field uniformity was improved.TheRMS was 0.095 and the particle phase was moreuniforminthebagfilter.Keywords: internal bag filter； numerical simulation； flow field； optimal design随着国家对烟尘、SO2和NO’排放标准提高，对 烟气污染物控制技术提出了更高的要求。目前，除

了模拟研究。侯文龙等）13*通过改改进气口等措施

优化了内滤式袋式除尘器内部流场，提高了运行稳 定性。与外滤式袋式除尘器不同，内滤式袋式除尘 器滤袋内不需要支撑骨架，节约成本,含尘气流进入

尘技术主要有机械、电、湿式、袋式等除尘方式。其

中，袋式除尘作为高效的除尘装置，性能稳定，可捕

集多种性质的粉尘，甚至使烟气排放质量浓度低至 滤袋后，由内向外运动，颗粒被捕集在滤袋内表面。 本研究利用CFD技术对下进风内滤式袋式除尘器

5 mg/m3,达到超低排放的要求）13**。

由于袋式除尘器内部流场复杂，其内部气固两

内部气固两相流进行模拟,优化其内流场，提高除尘

相流主要是通过计算流体动力学（CFD）技术进行研 效率，为袋式除尘器优化设计提供理论依据。究张广朋等间通过在袋式除尘器入口处增设 导流板以减小进出口压差来优化内部流场，减少滤

1下进风内滤式袋式除尘器建模1.1 三维建模及网格划分为研究袋式除尘器性能，对下进风内滤式袋式 除尘器进行模拟，其几何模型如图1所示。除尘器

袋磨损。AROUSSI等9采用CFD技术模拟粉尘 运动轨迹,并进行了试验验证。党小庆等）10*对除尘

器流量分配等进行了模拟，提出了其内部流量合理

分配的优化方法。丁倩倩等3模拟滤袋长度对除 尘器流场分布的影响，得出了在相同过滤风速下长

主体由进口、箱体、袋室、灰斗、出口等组成。其中, 箱体660 mmX460 mmX750 mm0共6个滤袋，滤 袋长630 mm、直径140 mm#烟气进、出口为圆形, 直径140 mm#灰斗为倒四棱锥形，棱锥面与水平

滤袋除尘器内流场分布均匀的规律。李珊红等）12* 对翼形上上风长袋脉冲袋式除尘器内气流分布进行

第一作者:张哲，男，1993年生，硕士研究生，研究方向为重气气染控制数值模拟」通讯作作#*国家重点研发计划对目（No.2016YFC0204100）；湖南省重点研发计划对目（No.2018SK2032、No.2018SK2033） #• 344 .张 哲等 下进风内滤式袋式除尘器流场的模拟与优化面夹角70。。烟气从除尘器的下部进入箱体，经过滤 究模拟过滤风速为1.0 m/min,出口压力为-1 000

袋的过滤、拦截、扩散、碰撞和重力等作用，粉尘被捕

Pa,滤袋渗透率为7.0X10-12 m2 ,厚度为3.00 mm。

颗粒相为工业用活性焦脱硫脱硝塔出口粉尘，其堆 积密度、真密度分别为0.497 5,1.806 6 g/cm3。利

集在滤袋上，净化后的气体由出口排出。用激光粒度仪(LS-POP(9))测得粉尘粒径分布，得

到粉尘样本中累计粒度分布达10%、25%、50%、

75%,90%时所对应的粒径分别为为0.59、1.34、

本研究利用SolidWorks软件对下进风内滤式

袋式除尘器进行三维建模，再利用ICE'前处理软 件划分成结构网格擞量为660 000个。1.2数值计算模型由于过滤速度低，假定内部流动为不可压缩的

牛顿流体［14］，不考虑清灰过程。压力-速度耦合采用

SI'PLE算法，对流相选用二阶迎风离散格式，近壁

面采用标准壁面函数。湍流流场采用realizable k$

双方程模型)15*,其内的流动遵循质量、动量和能量 守恒定律。滤袋采用多孔跳跃边界，其压力损失主要为黏 性损失，忽略内部阻力项，即：△P = *,a

(1)式中：)P为压力损失，Pa*为流体黏度，Pa + s；a

为渗透率，m2&为垂直滤袋表面速度分量，m/s；& 为滤料厚度，m。当过滤风速一定时,滤料厚度与渗透率表征过滤 介质的透气强度。当过滤风速为1.0 m/min时,不同渗 透率及滤料厚度下除尘器的压力损失见表1［1619］。表1除尘器的压力损失Table1 Pressurelossoffilters状态a/(10 12 m2),/mm压力损失/Pa洁净态36.02.7831.9未清灰2.53.97667.0清灰后7.03.24194.41.3 边界条件假定气相为空气，模型边界条件采用速度进口

和压力出口边界。当过滤风速过小，会增加总过滤 面积，一次投资费用增加；若过滤风速过大，除尘器 的压力损失增大，能耗增加，且影响滤袋寿命。本研

2.72、4.76、7.17 #m。2模拟与优化2.1 除尘器模型流场分布以除尘器的箱体建立坐标系，出口下端为原点， 箱体的长、宽、高分别为p^y 轴，即箱体的p为

0〜660 mm、y 为 0 〜460 mm、q 为一170 〜580

mm。原除尘器在过滤风速为1.0 m/min时，选取典

型截面(除尘器灰斗截面(y = 230 mm)、滤袋下截面

(q = 420 mm))观察速度分布。由图2(a)可知，气

流以较大速度进入除尘器后，在进口处形成射流。 气流在穿过滤袋时会产生压力损失，故会向压力损 失小的灰斗方向运动，与灰斗壁面发生强烈冲击。气 流在灰斗处形成涡流，不仅增加了粉尘在除尘器内部

的停留时间，阻止了颗粒直接进入滤袋，而且还容易 出现二次扬尘现象，增加流动阻力。由图2(b)可知, 高速的气流使滤袋底部受到长时间的冲刷，滤袋间隙

速度波动范围较大，一方面加剧滤袋的磨损，影响其 使用寿命,另一方面也容易引起局部颗粒堆积，导致

滤袋内外压差变化大，降低除尘效率。研究发现，原

除尘器局部流速过高，导致其内气流分布不均匀。速度

速度/(m •「)/(mf7.07.00.70.40.70.30.40.20.3(a)尹=230 mm0.10.2(b) z=420 mm0.1图2原除尘器不同截面速度云图Fig.2 Velocity contours at different view section of

theoriginalfilters2.2 布袋除尘器优化为改善原除尘器流场分布，提出优化方案。方案

1是在原除尘器进口处增设开孔率50%、孔径30 mm

的多孔板，不同截面的速度云图如图3所示。流体进 入除尘器后，由于多孔板的存在，气流被分流，灰斗处 的涡流减小，滤袋截面流场比原来均匀。然而，部分

通过多孔板的流体仍然以较大的速度与灰斗壁面发

生冲击，袋室仍存在流场分布不均的情况。• 345 •环境污染与防治 第42 卷 第3 期 2020 年3 月速度

/(m • s_1)速度击，而且还可以阻挡烟尘，降低二次扬尘带来的不利 影响。颗粒相在气流的携带下，被较均匀地分配到 各滤袋，有利于提高除尘效率。综上所述，优化后除

尘器内粉尘在滤袋中分布均匀，保证了孔隙率变化

(a)尹=230 mm稳定。图3方案1不同截面速度云图Fig.3 VelocitycontoursatdiEerentviewsection

underprogrammeNo.1方案1箱体内局部流速仍然过大，流场分布不够均匀，因此进一步提出方案2。在方案1的基础 上,将进口管改为渐扩型进口管，箱体中增设3块导

流挡板。根据式（2）计算导流挡板高度（h,mm）。此外，渐扩型进口管与水平面夹角为9。。方案2不同截面速度云图如图4所示。渐扩型管道扩大了进

口截面，流速减小，射流基本消失，对滤袋底部冲击 减小。灰斗底部的涡流消失，避免了二次扬尘。增设导流挡板后，滤袋间隙速度趋于均匀，气流被较均 匀分配到各滤袋。方案2的优化措施可有效改善滤

袋流速分布不均的状况，减少滤袋负荷，有利于提高除尘效率。对比除尘器优化前后，通过增加导流挡板及多孔板，压力损失由原除尘器的267.0 Pa增大

到288.4 Pa,约增加8% #式中：d为导流挡板序号；H为第口高度，mm；f为滤袋列数。速度速度/(m • s_1)ii7.04.4■ 0.3(b) z=420 mm图4方案2不同截面速度云图Fig.4 VelocitycontoursatdiEerentviewsection

underprogrammeNo.22.3 颗粒相运动轨迹颗粒相在下箱体中运动轨迹如图5所示。含尘

烟气进入除尘器后，颗粒相在气流的携带下 注要分 成两部分：（1）由于壁面附近气流较大，沿灰斗侧壁

面向上发展，多数颗粒流向了靠近灰斗内侧的滤袋；

（2）颗粒与壁面碰撞后，沿灰斗壁面向下绕流，形成

较大的涡流，颗粒沿着涡流向下运动，然后在灰斗近 壁面处向上发展，流向靠近进口处的滤袋内。与原

除尘器相比，方案2的颗粒相运动轨迹分布更均匀，

由于渐扩型进口管、多孔板的存在，颗粒流速降低， 对滤袋底部冲击减小。增设导流挡板后，颗粒与导 流挡板发生碰撞，动量减小，不仅减小了对滤袋的冲• 346 •（a）原除尘器下箱体

（b）方案2下箱体颗粒运动轨迹颗粒运动轨迹图5颗粒相运动轨迹Fig.5 Particletrajectories3流场均匀性判定流场均匀性常用均方根$）值法来判定，即:式中：为滤袋编号；\"为总滤袋个数；q,为滤袋i进口流量，kg/s；g为滤袋进口平均流量，kg/s。滤袋内气流分布评价采用流量分配系数（Kq,） 法™，即：心=洽Q, （4）mean式中：Q,为滤袋，实际处理烟气体积流量，m3/s；

Qz为袋室平均处理烟气体积流量，m3/s。当Kq,在1附近波动时，越接近1表明除尘器内

流场分布越均匀，当最大流量不均幅值（）K ）越 小，说明除尘器中滤袋间的最大与最小流量分配系

数差值越小小卩滤袋内流量分配越均匀。本研究采 用袋室中各滤袋出口烟气体积流量表示滤袋实际处

理风量。当过滤风速为 1.0 m/ min 时 ， 优化前后各滤袋

流量分配系数如图6所示。原除尘器内各滤袋体积

流量不均匀，= 0.280,大于0.25说明气流分布不均 匀。优化后，K q在1附近波动，）K “由0.48降到

0.16 , = 0.095,说明优化后各滤袋内处理风量更均

匀，气流分布更均匀。4模型验证在数值模拟中，数值模型及求解器参数的选择 对模拟结果的准确性有重要影响，因此需要对模型

进行有效性验证。设定进口速度为85 m/s进行试1.41.3-■-原除尘器•方案2報怅「

2•

區©*垢

aa

9

8

6

滤袋编号图6流量分配系数Fig. 6 Airflow distribution coefficient验，测量原除尘器出口断面径向距离上不同位置的

气流速度，并与相同位置上模拟值进行对比，结果如

图7所示。试验值与模拟值在近壁面处误差相对较 大,这种误差的产生主要是由模拟时采用了简化处理

的标准壁面函数。但出口气流速度模拟值与试验值 总体变化规律很接近，均以管道中心为轴基本成对称

分布，结果吻合性较好,因此模拟具有一定可靠性#valuesofvelocitydistributionattheoutlet

ofthefilter对原除尘器进行压力损失试验，控制过滤风速

为0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/min,测得原除尘器的进 出口压力，实测压力损失与原除尘器处理含尘气流 时模拟压力损失进行对比，结果如图8所示。随过

滤风速的增加，原除尘器的压力损失逐渐增大，产生 的能耗也越大，故原除尘器的过滤风速不宜过大。

实测压力损失略大于模拟压力损失，这是由于试验 中接头、管道会产生压力损失;实测与模拟压力损失 吻合性较好,相对误差最大不超过8.6%,模拟可信。5结论在过滤风速为1.0 m/min时，原除尘器进口处张 哲等 下进风内滤式袋式除尘器流场的模拟与优化卑N田

0 [----------------------------------------------------------------0.6 0.8 1.0 1.2 1.4过滤风速/(m - min-1)图8不同过滤速度下除尘器压力损失数值模拟与

试验结果对照Fig.8 Comparison of simulation and experimental results

ofthefilterpressurelossatdiferentvelocities流速较大，射流使得滤袋磨损严重，灰斗处存在涡 流，易引起二次扬尘。经改变进口形状、增设多孔板

和导流挡板后，除尘器进口处射流及灰斗处涡流消 失，箱体内流场分布均匀，对滤袋底部冲刷减小，颗

粒相分配较均匀，保证了孔隙率变化稳定。对比速 度分布及压力损失实测结果，两者吻合性较好。参考文献:)1*郭凯帆，刘净兰，荣彦•袋式除尘器应用现状及研究建材与

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oOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO dj & 守 U & dj & 守 U & 気 倉 鳶dust emissions in Kanpur, India: a note).Transportation* Re-

searchPartD:Transportand Env2ronment，2008，13(6):400- 时间注:小时排放量计算方法参照式⑴，N改为时间，取1 h评改

为某一道路类型上的时均交通量，辆/h；同时假设E全年不变。图5渭南主城区不同道路类型交通扬尘-I

小时排放量日变化特征Fig.5 Diurnal variation characteristics of P'10 hourly

emissionsofdiferentroadtypesin main

urbanareaof Weinan的双峰分布不明显，总体上白天排放量明显高于夜

间。但是高速上夜间排放量较高，这是因为夜间高 速上中重型货车车流量较大#3结论(1) 渭南主城区支路、次干道、省道、主干道、国

道和高速积尘负荷分别为1.79、1.22、1.08、0.94、

0.71,0.05 g/m2 ；洒水2 h后积尘负荷较洒水前平均

下降11.3% #(2) 渭南主城区各道路类型的交通扬尘颗粒物

排放因子大小顺序均为：支路〉省道〉次干道〉国 道〉主干道 > 高速，与不同道路类型积尘负荷分布 特征相似；不同车型的交通扬尘颗粒物排放因子与

平均车重呈正相关关系，表现为：重型货车〉大型客 车〉中型货车〉中型客车〉轻型货车〉小型客车〉 摩托车。(3) 渭南主城区道路交通扬尘P'25和P'10的

年排放量分别为1 149.65、4 751.88 t。城市道路上

交通扬尘颗粒物排放主要来源于小型客车，分担率 达到59.49% ;国省道也主要来源于小型客车，分担

率为41.46% ;高速主要来源于重型货车，分担率为

63.35%。(4) 不同道路类型交通扬尘P'25、P'10小时

排放量的日变化趋势与车流量系数一致，城市道路

早高高峰出现明显的双峰日变化特征，而国省道和 高速双峰日变化特征不明显。参考文献：)1*冯跃武，陈杰•城市扬尘污染防治初探)•*能源与节能，2011,403.*) A'ATO F,FAVEZ O,PANDOLFI ',et al. Traffic induced part2cleresuspens2on2nPar2s:em2ss2onfactorsandsourcecon- .*tributions[J Atmospheric Environment, 2016，129 : 114-124.*)樊守彬，张东旭，田灵娣，等•北京市交通扬尘P'2.5排放清单 •*及空间分布特征)环境科学研究2016 29(1).*)许妍,周启星•天津城市交通道路扬尘排放特征及空间分布研 究)* 冲国环境科学，2012,32(12):21682173.*)刘永红澹鹃铭，刘建昌，等•广东佛山交通扬尘排放特征研究

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