CN103077269A - 一种电袋复合除尘器气流均布优化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种电袋复合除尘器气流均布优化设计方法，涉及电袋复合除尘器。通过缩小的物理模型和数值模型实验结果的对比和分析，确定电袋复合除尘器CFD计算中湍流模型、边界条件等参数的选取和设定，为实际工程的全尺寸CFD计算提供依据，确保CFD计算的准确性和可靠性；确定包括提升阀提升高度、提升阀孔径等影响电袋复合除尘器气流均布的有效调节手段；在建模过程中提供合理假设条件和模型简化方法；对提升阀提升高度值、提升阀孔径值在经验值的基础上合理选定一组数值，并用GAMBIT建模软件在一个模型上统一建模，生成一套网格模型并导入Fluent中进行CFD计算。大幅度降低结构设计成本和时间，确保电袋复合除尘器的气流均布性。

Description

一种电袋复合除尘器气流均布优化设计方法

技术领域

本发明涉及电袋复合除尘器，尤其是涉及基于CFD数值计算的一种电袋复合除尘器气流均布优化设计方法。

背景技术

电袋复合除尘器大型化应用中气流流场分布是关键技术问题之一，电袋复合除尘器的性能与其内部的气流组织密切相关，气流的合理分布与否直接影响设备的除尘效率、阻力和滤袋寿命。电袋复合除尘器将电除尘部件（放电极、收尘级等）和袋除尘部件（滤袋、袋笼等）放置在同一壳体内，其内部结构较常规电除尘器和袋式除尘器结构更为复杂，这使得气流在电袋复合除尘器内的流动情况极为复杂。气流在除尘器内不断扩散、转向，其流动比较紊乱，需要对气流进行组织分配。气流分布的目的之一是减少气流冲测、使各个滤袋单元气流分配均匀。含尘气流进入滤袋单元分配不均匀，就会使有些部位滤袋长期受到集中气流冲刷，滤袋单元处理气量不平衡加速滤袋的破损，实际中会发现某些固定部位经常出现滤袋破损的现象，原因就是局部长期受到高流速气流冲刷的结果。更为严重的是在运行期间，即使有一个滤袋破裂，都可能导致粉尘排放浓度迅速升高，而且气流通过滤袋上很小的破洞还会导致该滤袋周围临近滤袋的快速破损。致使除尘效率大大降低，造成灾难性损失。现有的气流分布技术是在除尘器进口烟箱设置气流分布装置，在电场区与滤袋区之间或者滤袋区与滤袋区之间设置导流装置，这些措施仅能改善电场区的气流分布和滤袋区局部气流对滤袋的冲刷，无法调节滤袋区气流的均匀分布，造成滤袋之间过滤负荷相差很大，出现设备阻力增加，滤袋提前破损等问题。而现有的电袋复合除尘器气流分布CFD（计算机流体动力学）计算仅是对上述措施进行模拟。因此，必须找到一种基于CFD的有效的气流组织技术，使得气流在除尘器内能实现均匀的分布，从而提高电袋复合除尘器的综合性能。

中国专利CN201744267U公开一种电袋复合除尘器，包括壳体，壳体的一侧设有烟气进口，壳体的上面设有出烟道，出烟道与位于壳体另一侧的烟气出口连通，出烟道的上面设有旁路烟道和提升阀，壳体的下面设有落灰斗；其要点是壳体内设有金属板集尘电极和过滤布袋，金属板集尘电极和过滤布袋之间设有气流均布隔板，金属板集尘电极的上面设有放电电极，放电电极通过导线升压变压器连接；过滤布袋的上面设有多孔花板和吹风清灰装置。

中国专利CN202506286U公开一种电袋复合除尘器，沿烟气流动方向依次设有电场区、滤袋区，所述滤袋区上方设有与滤袋区相通的净气室，所述滤袋区内设有至少一个滤袋组，每个滤袋组包括若干个滤袋，所述滤袋组与滤袋区的侧壁之间留有烟道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种基于CFD数值计算的一种电袋复合除尘器气流均布优化设计方法。

本发明包括以下步骤：

步骤1、通过缩小的物理模型和数值模型实验结果的对比和分析，确定电袋复合除尘器CFD计算中湍流模型、边界条件等参数的选取和设定，为实际工程的全尺寸CFD计算提供依据，确保CFD计算的准确性和可靠性；

步骤2、确定包括提升阀提升高度、提升阀孔径等影响电袋复合除尘器气流均布的有效调节手段；

步骤3、在建模过程中提供合理假设条件和模型简化方法；对提升阀提升高度值、提升阀孔径值在经验值的基础上合理选定一组数值，并用GAMBIT建模软件在一个模型上统一建模，生成一套网格模型；

步骤4、把网格模型导入Fluent中进行CFD计算，CFD优化设计包括以下步骤：

1.在Fluent中设定提升阀提升高度、提升阀孔径等各结构优化参数为经验值，将其作为预选方案，并进行计算；

2.通过CFD计算获得除尘器的内部气流组织模型，包括袋室间流量偏差、除尘器阻力等，并通过Fluent UDF（自定义函数）和C语言程序获取各滤袋的气体流量，计算其相对均方根值；

3.综合判断各数据指标是否符合电袋复合除尘器气流均布和性能要求，若预选方案不符合要求，在全面分析前一方案气流均布影响因素的基础上，重新设定提升阀提升高度值或提升阀孔径值，并返回步骤2，最后确定最优结构方案。

本发明不仅能准确地模拟电袋复合除尘器实际气流分布情况，而且能够方便准确地得到除尘器内袋室的流量偏差和各滤袋的气体流量相对均方根差，以及除尘器的阻力等除尘器的气流组织参数值，并通过对电袋复合除尘器内部结构的优化和对提升阀提升高度和提升阀孔径的合理选取，从而实现电袋复合除尘器的气流合理分布。

本发明有效地对电袋复合除尘器进行优化设计，大幅度降低了结构设计的成本和时间，确保电袋复合除尘器的气流均布性。

附图说明

图1是电袋复合除尘器结构示意图。在图1中，各标号为：1为提升阀，H为提升阀的提升高度，D为提升阀的孔径。

图2是包含有一组提升阀提升高度和提升阀孔径数据的电袋复合除尘器数值模型及其网格划分。

图3是提升阀部分的局部放大图。

图4是获得的每个滤袋出口的流量及其相对均方根值的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下实施例将结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

1.在CFD模拟中，把滤袋作为多孔介质进行设定，一般将其简化为均匀的多孔介质，在模型中其方程式为：

$\mathrm{\Δ}{P}_i=\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ν}}_i+C\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\left|{\mathrm{\ν}}_i\right|{\mathrm{\ν}}_i$

式中：α——透气系数（m²）；C——内部阻力系数（m^-1）；v_i——垂直于介质表面的速度分量（m/s）。

为了更准确对滤袋的过滤参数进行设定，通过实验测定滤袋所采用的清洁滤料和带灰滤料阻力特性，确定滤料的α（透气系数）、C（内部阻力系数）、h（厚度）等参数值，为CFD计算提供数据参考，保证CFD计算的准确可靠性。

在实施例中，测定滤料厚度为2mm，在常温常压（20℃，0.1MPa，动力粘度μ=1.8×10^-5m²/s）下，过滤速度为0.2m/s时的压降为200Pa，则根据过滤压降公式可得滤料的透气系数α=3.6×10^-11m²。

2.通过缩小的物理模型和数值模型实验结果的对比和分析，确定电袋复合除尘器CFD计算中湍流模型、边界条件等参数的选取和设定，为实际工程的全尺寸CFD计算提供依据，确保CFD计算的准确性和可靠性。

在实施例中，通过缩小的物理模型和数值模型实验结果的对比和分析，确定电袋复合除尘器的入口边界条件设置为速度入口，滤袋表面设置为多孔跳跃边界条件，滤袋底面设置为壁面边界条件，滤袋出口设置成内部面，出口边界条件设为自由出流，壁面采用无滑移边界条件；湍流模型选择RNG k-ε模型，数值格式采用分离式的求解方式，离散格式选用一阶迎风格式。

3.由于电袋复合除尘器内部结构比较复杂，为了利于建立模型和方便计算，必须对其作一些假设和简化，因此，作出以下假设条件：

（1）考虑到除尘器某些内部结构对气流分别影响不大，也为了方便网格划分，不对除尘器内部的管撑和板筋和梁等部件进行建模。

（2）考虑到在电袋复合除尘器的实际运行过程中，电袋除尘器的进口烟箱能拦截大部分粗大颗粒而落入灰斗，只有细小微粒随气流一起进入到电区和袋区空间内，而由于这些细小颗粒具有很好的流动性，所以可将此细小颗粒和气体的混合物看作是一种均匀介质，它们之间没有相对滑移速度，在进行模拟时，可以把这种气固两相流近似简化成具有平均流体特性的单相流处理。

（3）由于模型的几何体的几何结构具有对称性，因此在CFD计算中仅取整个模型的一半作为计算区域，并在GAMBIT建模中设置一对称面的边界条件，这样可以减少计算机的使用资源，减少计算所花费的时间。

4.合理选取提升阀高度H，提升阀孔径D这些结构参数在经验值附近的一组参数值，利用GAMBIT软件对上述结构参数的不同数值在一个模型上进行统一建模，并进行合理分组，分别设置其为“Interior”（内部面）的边界条件，这样能够避免多次建模，提高建模效率。在Fluent计算中，只需由于计算过程都是在同一套网格模型中进行，这同时也为CFD计算数据的可靠性提供保证。

在本实施例中，前中后袋室的提升阀的提升高度的经验值为800mm-800mm-800mm，选取其附近的提升阀高度值1200mm、1000mm、600mm、400mm，分别在前中后袋室进行建模；前中后袋室的提升阀孔径的经验值为1300mm，选取其附近的孔径值1200mm、1400mm，分别在前中后袋室进行建模，并且这些参数值都体现在一个模型上，见图2和3。计算时，只需根据需要选择相应的参数值，设定其边界条件为“wall”（壁面边界条件），并不需要重新建模和网格划分，十分方便。

电袋复合除尘器结构示意图参见图1。

5.在CFD计算过程中，按以下步骤：

1）.把模型导入Fluent软件中，设定求解器、湍流模型、边界条件、离散格式、亚松弛因子等，设定提升阀的提升高度H，提升阀孔径D为经验值，将其对应的边界条件设置成“wall”（壁面边界条件），并将其作为预选方进行计算至收敛。

2）通过CFD计算获得除尘器的内部气流组织模型，包括袋室间流量偏差、除尘器阻力等，并通过Fluent UDF（自定义函数）和C++语言程序获取各滤袋的气体流量，计算其相对均方根值。

3）综合判断各数据指标是否符合电袋复合除尘器气流均布和性能要求，若预选方案不符合要求，在全面分析前一方案气流均布影响因素的基础上，重新设定提升阀提升高度值或提升阀孔径值，并返回步骤2。最后确定最优结构方案。其中，袋室间流量偏差η_i表达式为：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{Q_i/N_i-\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i/N_i)\right)/n}{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i/N_i)\right)/n}\×100\%$

式中：Q_i——某个袋室的流量；N_i——某个袋室的滤袋数；n——袋室数。要求袋室间流量偏差η_i的绝对值小于等于5%。

在本实施例中，按照上述计算流程，计算结果如表1所示。

表1

根据计算结果，最终确定前中后袋室为800mm-800mm-600mm，前袋室孔径为1400mm的结构方案。

6.由于滤袋数量庞大，通常为几万条，要得到每个滤袋出口的流量，通过Fluent的自定义函数（UDF）编程，对DEFINE_PROFILE宏进行编程，利用宏begin_f_loop(f,t)和end_f_loop(f,t)对每个滤袋出口面的网格进行遍历，利用其自带面宏F_CENTROID(x,f，t)获取每个滤袋出口边界各个网格中心的坐标值，利用面宏F_FLUX(f,t)获取每个滤袋出口边界各个网格的流量，生成TXT文件并保存。利用Visual C++编程，该程序对TXT文件中的数据进行遍历，通过判断某网格中心的坐标，对属于同一个滤袋出口边界范围内的网格所对应的流量进行累加，得到每个滤袋出口的流量，并统一输出到Excel文档中进行气流分布的分析，判断其是否达到要求，并计算其滤袋流量的相对均方根系数σ_r值是否小于0.20，其表达式为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{n-1}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{q_i-\stackrel{\‾}{q}}{\stackrel{\‾}{q}}\right)}^2}$

式中：q_i——某条滤袋的出口流量；

——所有滤袋出口的平均流量；n——滤袋数。

在本实施例中，在前中后袋室为800mm-800mm-600mm，前袋室孔径为1400mm的结构方案下，通过导入Fluent的UDF程序得到滤袋出口边界每个网格的流量,前袋室13-24排滤袋出口流量如表2所示。

表2

再通过C语言程序得到每个滤袋出口中心坐标值及其流量，并统一输出到Excel获得前袋室13-24排每个滤袋出口的相对流量均方根值为0.1278，小于0.20，符合要求。其流程图见图4。

综上所述，本发明在CFD模拟中，把滤袋作为多孔介质进行设定，将其简化为均匀的多孔介质，为了更准确对滤袋的过滤参数进行设定，通过实验测定滤袋所采用的清洁滤料和带灰滤料阻力特性，确定滤料的α（透气系数）、C（内部阻力系数）、h（厚度）等参数值。

通过缩小的物理模型和数值模型实验结果的对比和分析，确定电袋复合除尘器CFD计算中湍流模型、边界条件等参数的选取和设定，为实际工程的全尺寸CFD计算提供依据，确保CFD计算的准确性和可靠性。

由于电袋复合除尘器内部结构比较复杂，为了利于建立模型和方便计算，对其作一些假设和简化。

通过提升阀的提升高度高度，提升阀孔径等调节手段保证电袋复合除尘器气流分布的均匀性。

合理选取提升阀的提升高度H，提升阀孔径D这些结构参数在经验值附近的一组参数值，利用GAMBIT软件对上述结构参数的不同数值在一个模型上进行统一建模，分别设置其为“Interior”（内部面）的边界条件，并生成一套网格模型。

将网格模型导入Fluent中进行计算，设定求解器、湍流模型、边界条件、离散格式、亚松弛因子等，确定提升阀的提升高度H，提升阀孔径D，并将其对应的边界条件设置成“wall”（壁面边界条件），设定初始条件并进行计算至收敛，最后进行后处理。

本发明还包括简化电袋复合除尘器结构，不对除尘器内部的管撑和板筋和梁等部件进行建模；在进行CFD模拟时，把这种气固两相流近似简化成具有平均流体特性的单相流处理；由于模型的几何体的几何结构具有对称性，因此在CFD计算中仅取整个模型的一半作为计算区域，并在GAMBIT建模中设置一对称面的边界条件，这样可以减少计算机的使用资源，减少计算所花费的时间。

根据所述CFD计算的方法，还包括以下步骤：

（1）把模型导入CFD软件中，设定各结构优化参数为经验值，将其作为预选方案，并进行计算。

（2）通过CFD计算获得除尘器的内部气流组织模型，包括袋室间流量偏差、除尘器阻力等，并通过Fluent UDF（自定义函数）和C++语言程序获取各滤袋的气体流量，计算其相对均方根值。

（3）综合判断各数据指标是否符合电袋复合除尘器气流均布和性能要求，若预选方案不符合要求，在全面分析前一方案气流均布影响因素的基础上，重新设定提升阀提升高度值或提升阀孔径值，并返回步骤2。最后确定最优结构方案。其中，袋室间流量偏差η_i和每个滤袋出口的流量相对均方根σ_r表达式为：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{Q_i/N_i-\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i/N_i)\right)/n}{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i/N_i)\right)/n}\×100\%$

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{n-1}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{q_i-\stackrel{\‾}{q}}{\stackrel{\‾}{q}}\right)}^2}$

要求袋室间流量偏差η_i的绝对值小于5%；每个滤袋出口的流量相对均方根σ_r小于0.20。

还包括：通过Fluent的自定义函数（UDF）编程，对DEFINE_PROFILE宏进行编程，利用宏begin_f_loop(f,t)和end_f_loop(f,t)对每个滤袋出口面的网格进行遍历，利用其自带面宏F CENTROID(x,f,t)获取每个滤袋出口边界各个网格中心的坐标值，利用面宏F_FLUX(f,t)获取每个滤袋出口边界各个网格的流量，生成TXT文件并保存。利用Visual C++编程，该程序对TXT文件中的数据进行遍历，通过判断某网格中心的坐标，对属于同一个滤袋出口边界范围内的网格所对应的流量进行累加，得到每个滤袋出口的流量，并统一输出到Excel文档中进行气流分布的分析。

Claims (1)

1.一种电袋复合除尘器气流均布优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、通过缩小的物理模型和数值模型实验结果的对比和分析，确定电袋复合除尘器CFD计算中湍流模型、边界条件的选取和设定，为实际工程的全尺寸CFD计算提供依据，确保CFD计算的准确性和可靠性；

步骤2、确定包括提升阀提升高度、提升阀孔径影响电袋复合除尘器气流均布的有效调节手段；

步骤3、在建模过程中提供合理假设条件和模型简化方法；对提升阀提升高度值、提升阀孔径值在经验值的基础上合理选定一组数值，并用GAMBIT建模软件在一个模型上统一建模，生成一套网格模型；

步骤4、把网格模型导入Fluent中进行CFD计算，CFD优化设计包括以下步骤：

1）在Fluent中设定提升阀提升高度、提升阀孔径等各结构优化参数为经验值，将其作为预选方案，并进行计算；

2）通过CFD计算获得除尘器的内部气流组织模型，包括袋室间流量偏差、除尘器阻力等，并通过Fluent UDF（自定义函数）和C语言程序获取各滤袋的气体流量，计算其相对均方根值；

3）综合判断各数据指标是否符合电袋复合除尘器气流均布和性能要求，若预选方案不符合要求，在全面分析前一方案气流均布影响因素的基础上，重新设定提升阀提升高度值或提升阀孔径值，并返回步骤2，最后确定最优结构方案。

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