CN107497195A - 布袋除尘器内部导流部件优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种布袋除尘器内部导流部件结构优化设计方法，选择布袋除尘器边界条件，借助Fluent软件布袋除尘器内部气固两相流动过程，得到布袋除尘器内烟气和飞灰颗粒的气固两相流动特性，运用Fluent后处理软件处理数值计算结果，分析布袋除尘器内存在的流场均匀性问题，通过采用改变内部导流板的大小形状、位置与布置方式，分析布袋除尘器的气固两相流场；其能更有效地指导对布袋除尘器内导流板的形状与布置方式的设计与优化调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种布袋除尘器优化设计方法，属于袋式除尘技术领域。
背景技术
随着我国电力行业的迅速发展，污染物排放量不断增加，煤炭燃烧已对生态环境造成了严重的危害，静电除尘器对超细飞灰的捕获率较低，约有1％的飞灰进入大气中，这样部分飞灰以粒径小于2.5μm甚至亚微米级超细颗粒为主，表面富集微量重金属元素和有机污染物，对人体健康和生态环境危害很大；而布袋除尘器除尘效率高，可捕集超细颗粒，且排放浓度确保＜30mg/Nm3，这样要达到环保排放标准，布袋除尘器成为排放达标的首选除尘设备。随着国内外火电厂大型燃煤电厂锅炉除尘设备技术发展，布袋除尘器经过多次实践已经投入实际运行中，在国外已有多个成功实例，而国内业已有多台机组成功投运，且运行效果良好。我国布袋除尘器在电力行业的应用刚刚起步，但随着环保要求的提高，火电厂布袋除尘器的应用会越来越广泛。
另外，由于电除尘器的收尘效率受粉尘性质的影响较大，而我国的燃煤成份又千变万化，粉尘性质也各不相同，因此，电厂燃煤锅炉使用电除尘器要达到长期、高效、稳定的除尘要求对有些工厂难以实现。近几年随着国外技术的引进和国内除尘技术的自身发展，布袋除尘器适应性强、除尘效率高、运行可靠的优点逐渐显现出来，这给电厂燃煤锅炉应用布袋除尘器提供了可靠的技术基础。目前国内多家电厂已将电除尘器改造为布袋除尘器，或者直接新建布袋除尘器，结果均取得了满意的效果。
在布袋除尘器的实际应用中，影响布袋除尘器效率的众多因素中，气流是否均匀分配直接影响到布袋除尘器的除尘效率，气流的分配还直接决定各区域的滤袋寿命。因此，尽量使除尘器单元内气流均布，速度均匀。如何设计除尘器内部的气流调节部件的数量、形状尺寸与布置方式，并对其进行优化调整，从而保证其所达到最佳效果目前并没有相关技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种布袋除尘器优化设计方法，可以针对其中的导流设备进行数值模拟分析及优化设计。由此，本发明运用FLUENT软件对布袋除尘器内部的流场进行数值模拟计算，以此来确定气流调节部件的形式和安装位置，使除尘器内气流分布满足均匀性要求。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种布袋除尘器内部导流部件结构优化设计方法，选择布袋除尘器的边界条件，借助Fluent软件模拟布袋除尘器内部气固两相流动过程，得到布袋除尘器内烟气和飞灰颗粒的气固两相流动特性，运用Fluent后处理软件处理数值计算结果，分析布袋除尘器内存在的流场均匀性，通过采用改变内部导流板的大小形状、位置与布置方式，优化布袋除尘器的气固两相流场；其特征在于：
所述的方法步骤为：
根据实际运行布袋除尘器的结构和尺寸，采用Gambit软件建立包含进气烟道、除尘器本体和灰斗的三维物理模型；
通过实验数据、数值模拟或现场测试得到布袋除尘器内部流场进出口的边界条件，确定进出口边界条件；
采用Fluent软件模拟布袋除尘器内部流场流动过程，分析布袋除尘器流场不均匀性；
根据除尘器内部流场的不均匀性，设计布袋除尘器内设置导流板的数量、形状尺寸与布置方式；
首先根据除尘器内袋室对气流均布的需求，在烟道入口侧设置导流板，调整其角度参数变化进行模拟计算和速度矢量场分析，获得多个较优的入口侧导流板角度布置方案；
其次根据除尘器内灰斗对积灰冲刷的需求，在烟道入口对面侧设置导流板，调整其与侧壁距离参数变化进行模拟计算和速度矢量场分析，获得入口对面侧导流板最优的距离方案；
最后在烟道入口侧和对面侧均设置导流板，采用入口对面侧导流板最优的距离方案，依次从多个较优的入口侧导流板角度布置方案中进行模拟计算和速度矢量场分析；
根据模拟结果调整导流板尺寸变化重复进行上述模拟过程，实现优化调整；
确定最优的导流板尺寸、角度和位置结构参数，从而改变优化布袋除尘器内流场，使除尘器单元内气流均布，速度均匀。
本发明的优点是：能更有效地指导布袋除尘器内导流板的形状与布置方式的优化调整，从而提高布袋除尘器的除尘效率，通过气流的分配影响滤袋寿命
附图说明
图1除尘器的结构示意图。
图2除尘器的网格图。
图3无导流速度矢量图
图4入口侧60°导流板速度矢量图
图5入口侧30°导流板速度矢量图
图6入口对面侧30°导流板速度矢量图
图7入口对面侧30°导流板加大与边界距离后速度矢量图
图8综合设置时入口侧30°导流板速度矢量图
图9综合设置时入口侧60°导流板速度矢量图
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的实施案例进行详细的描述。本实施案例在以本技术方法为前提下进行实施，应当理解实施案例是为了说明本发明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施案例。
本发明提供了一种布袋除尘器导流设备结构优化设计方法，所述的方法步骤为：
(1)根据实际运行布袋除尘器的结构和尺寸，采用Gambit软件建立包含进气烟道、除尘器本体和灰斗的三维物理模型，采用非完全非机构的四面体网格生成进行网格划分，网格尺度为50mm，其精度和计算速度都能满足要求。
(2)通过实验、数值模拟或现场实地测试得到布袋除尘器内部流场进出口的边界条件，确定进出口边界条件，烟气密度ρ＝0.93kg/m3；动力粘度μ＝1.816×10-5Pa·S；入口边界设为速度边界条件，入口速度设为5m/s，即电场风速为1m/s，出口边界设为压力边界条件，其他均设为壁面无滑移边界条件。
(3)采用Fluent软件模拟布袋除尘器内部流场流动过程，分析布袋除尘器流场不均匀性。
(4)根据步骤(3)的分析结果，设计与改变布袋除尘器内导流板的数量、形状尺寸与布置方式，改变优化布袋除尘器内流场，使除尘器单元内气流均布，速度均匀。
本实施案例针对的布袋除尘器为某电厂旋转喷吹布袋除尘器，主要技术参数如下：
(1)处理烟气量 1796755.5m3/h
(2)入口烟气温度： 140℃
(3)本体阻力： ＜1300Pa，
(4)过滤风速： ＜1m/min
(5)进口风速 13.2m/s
(6)滤袋寿命： 不小于30000小时
布袋除尘器的结构如图1所示：
入口烟道宽2.3米，出口烟道宽1.7米；整个除尘室高10.8米，宽7.5米，灰斗高度为6米，入口处设有风门。
1、气流分布的数值模拟
1.1使用Gambit软件进行建模
采用非完全非机构的四面体网格生成进行网格划分，如图2所示，网格尺度为50mm，其精度和计算速度都能满足要求。
1.2使用Fluent软件进行模拟
湍流模型选用标准k-ε双方程模型，包括动能k方程和耗散率ε方程。
k方程：
ε方程：
方程从左到右五项分别为：非稳态项、对流项、扩散项、产生项、消失项。其中，k是动能，ε是耗散率，μ是分子粘性。假定流体做定常流动，流体的各项运动参数与事件无关，整个模拟过程为等温过程，流体是不可压缩的。
确定进出口边界条件，烟气密度ρ＝0.93kg/m3；动力粘度μ＝1.816×10-5Pa·S；入口边界设为速度边界条件，入口速度设为5m/s，即电场风速为1m/s，出口边界设为压力边界条件，其他均设为壁面无滑移边界条件。对原始结构模拟计算后的速度矢量场布置如图3。
1.3结果分析
从图3速度场分布可以看出在除尘器内部入口对面的端面附近为气流集中区域，实际运行中也正是此处的布袋磨损严重，因此，必须相应增加气流调节部件以改善除尘器内气流分布状态
2、增加气流调节部件后进行流场数值模拟计算
为了改善除尘器内气流分布状态，在除尘器内部进行增加设置气流调节部件，首先在入口处增设导流板，考虑到角度参数的影响，分别进行了与竖直方向夹角为30°和60°的导流板模型模拟，模拟速度矢量图如图4、5。
从模拟结果可以发现单在入口侧设置导流板，并调整角度并不能完全有效的解决流场均匀的问题。
进一步，在入口对面处设置导流板，考虑入口对面处的气流积灰冲刷问题，采用调整与竖直方向夹角为30°的导流板与边界的距离参数进行模拟模拟速度矢量图如图6、7。
从模拟结果可以发现在入口对面侧单独设置导流板也不能完全很好的解决流场均匀的问题。
综合设置导流板，进一步在入口和入口对面处各加一块厚5mm，长500mm的导流板，并对入口侧考虑30°和60°角度分别进行布置并进行对比。模拟速度矢量图形分别如图8、9。
从三种导流板的增加布置方法的速度矢量图中可以看出，通过在入口侧及入口对面侧添加导流板对流场的改善效果最好，减少了对布袋的直接冲击，改善了气流集中区域。但在底部灰斗由于导流板的设置，使得气流的冲刷作用增大。
3、优化调整设计
(1)数值分析能解决除尘器进口气流的分布问题，可以全面的反映除尘器内部气流流动状况。
(2)通过上述除尘器内部气流调节部件的设置及分析，当在除尘器入口及入口对面侧增设导流板时，除尘器内气流分配比较均匀，其数值模拟结果较为合理，可以大大改善除尘器内部的气流分布状态，提高气流分布的均匀性，从而更有效地提高布袋除尘器的除尘效率。
(3)由于导流板的不同设置对气流的分布影响状况是不同的，为了得到最佳的模拟效果，宜采用多角度，多位置分别进行模拟，根据除尘器内部流场的不均匀性，设计布袋除尘器内设置导流板的数量、形状尺寸与布置方式；
首先根据除尘器内袋室对气流均布的需求，在烟道入口侧设置导流板，调整其角度参数变化进行模拟计算和速度矢量场分析，获得多个较优的入口侧导流板角度布置方案；
其次根据除尘器内灰斗对积灰冲刷的需求，在烟道入口对面侧设置导流板，调整其与侧壁距离参数变化进行模拟计算和速度矢量场分析，获得入口对面侧导流板最优的距离方案；
最后在烟道入口侧和对面侧均设置导流板，采用入口对面侧导流板最优的距离方案，依次从多个较优的入口侧导流板角度布置方案中进行模拟计算和速度矢量场分析；
根据模拟结果调整导流板尺寸变化重复进行上述模拟过程，实现优化调整；
确定最优的导流板尺寸、角度和位置结构参数，从而改变优化布袋除尘器内流场，使除尘器单元内气流均布，速度均匀。
这样才能获得最佳的导流板设计方案，在更多模拟设置方案中，优选导流板宽度可调整范围300-500mm，入口侧导流板的下侧长边与进风口侧的箱体下侧面的垂直距离调整范围为200-800mm，水平距离调整范围为300-500mm；对面侧导流板的下侧长边与后侧的箱体下侧面的垂直距离调整范围为300-500mm，水平距离调整范围为300-500mm。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的解释，并不用于限制本发明，尽管对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种布袋除尘器内部导流部件结构优化设计方法，选择布袋除尘器的边界条件，借助Fluent软件模拟布袋除尘器内部气固两相流动过程，得到布袋除尘器内烟气和飞灰颗粒的气固两相流动特性，运用Fluent后处理软件处理数值计算结果，分析布袋除尘器内存在的流场均匀性，通过采用改变内部导流板的大小形状、位置与布置方式，优化布袋除尘器的气固两相流场；其特征在于：
所述的方法步骤为：
根据实际运行布袋除尘器的结构和尺寸，采用Gambit软件建立包含进气烟道、除尘器本体和灰斗的三维物理模型；
通过实验数据、数值模拟或现场测试得到布袋除尘器内部流场进出口的边界条件，确定进出口边界条件；
采用Fluent软件模拟布袋除尘器内部流场流动过程，分析布袋除尘器流场不均匀性；
根据除尘器内部流场的不均匀性，设计布袋除尘器内设置导流板的数量、形状尺寸与布置方式；
首先根据除尘器内袋室对气流均布的需求，在烟道入口侧设置导流板，调整其角度参数变化进行模拟计算和速度矢量场分析，获得多个较优的入口侧导流板角度布置方案；
其次根据除尘器内灰斗对积灰冲刷的需求，在烟道入口对面侧设置导流板，调整其与侧壁距离参数变化进行模拟计算和速度矢量场分析，获得入口对面侧导流板最优的距离方案；
最后在烟道入口侧和对面侧均设置导流板，采用入口对面侧导流板最优的距离方案，依次从多个较优的入口侧导流板角度布置方案中进行模拟计算和速度矢量场分析；
根据模拟结果调整导流板尺寸变化重复进行上述模拟过程，实现优化调整；
确定最优的导流板尺寸、角度和位置结构参数，从而改变优化布袋除尘器内流场，使除尘器单元内气流均布，速度均匀。
2.根据权利要求1所述的一种布袋除尘器内部导流部件结构优化设计方法，其特征在于，确定进出口边界条件，烟气密度ρ＝0.93kg/m3；动力粘度μ＝1.816×10-5Pa·S；入口边界设为速度边界条件，入口速度设为5m/s，出口边界设为压力边界条件，其他均设为壁面无滑移边界条件。
3.根据权利要求1所述的一种布袋除尘器内部导流部件结构优化设计方法，其特征在于，使用Fluent软件进行模拟时采用如下数学模型，
湍流模型选用标准k-ε双方程模型，包括动能k方程和耗散率ε方程，
k方程：
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方程从左到右的五项分别为：非稳态项、对流项、扩散项、产生项、消失项；其中，k是动能，ε是耗散率，μ是分子粘性。
4.根据权利要求1所述的一种布袋除尘器内部导流部件结构优化设计方法，其特征在于，采用竖直方向夹角为30°-60°的导流板模型模拟，导流板厚5mm，宽度调整范围300-500mm，入口侧导流板的下侧长边与进风口侧的箱体下边的垂直距离为200-800mm，水平距离为300-500mm；对面侧导流板的下侧长边与后侧的箱体下边的垂直距离为300-500mm，水平距离为300-500mm。
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