摘要：針對(duì)傳統(tǒng)電改袋除塵器內(nèi)部煙氣分布不均勻，無法實(shí)現(xiàn)在除塵器運(yùn)行中更換濾袋等問題，提出一種新型電改袋除塵器，并利用CFX軟件對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:與傳統(tǒng)電改袋除塵器相比，新型電改袋除塵器各袋室處理煙氣量基本相同，濾袋底部區(qū)域氣流速度分布均勻，偏流程度小，可有效地防止濾袋磨損和二次揚(yáng)塵。
0引言
鋼鐵行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，根據(jù)鋼鐵工業(yè)和市場(chǎng)分析公司(MEPS)發(fā)布的全球鋼鐵產(chǎn)量報(bào)告，2013年我國(guó)以7.79億t的粗鋼產(chǎn)量位居第一，占全球粗鋼產(chǎn)量的48.5%，同時(shí)鋼鐵行業(yè)粉塵排放量約占我國(guó)工業(yè)粉塵排放總量的25%，其中燒結(jié)工藝作為鋼鐵生產(chǎn)的主要工藝之一，其煙塵排放占總排放的42.3%。燒結(jié)機(jī)尾煙氣具有溫度較高(80～150℃)、濕度較大(3%～5%)及粉塵比電阻偏高(109～1012Ω˙cm)等特點(diǎn)，目前煙塵凈化設(shè)備以電除塵器為主。但是電除塵器存在對(duì)0.1～2μm的細(xì)顆粒物除塵效率低，受粉塵特性變化影響大等局限性，很難達(dá)到GB28662—2012《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的顆粒物排放限值為30mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)要求，因此燒結(jié)機(jī)尾電除塵器亟需改造。目前，國(guó)內(nèi)外電除塵器改造的主要方案有電改電、電袋復(fù)合、電換袋和電改袋。與其他三種方案相比，電改袋方案具有投資低，對(duì)細(xì)顆粒物除塵效率高等優(yōu)勢(shì)。因此，在工業(yè)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。
所謂電改袋，是指保留電除塵器殼體和原有的進(jìn)氣方式，只改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電除塵器到袋式除塵器的改造。以某燒結(jié)廠機(jī)尾電除塵器為例，傳統(tǒng)電改袋除塵器結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)保留電除塵器的進(jìn)氣箱、殼體、出氣箱和灰斗，在殼體內(nèi)設(shè)有袋室和凈氣室。雖然該電改袋除塵器運(yùn)行阻力低，除塵效率高，可以充分利用電除塵器的內(nèi)部空間，但仍然存在以下不足之處:
1)煙氣進(jìn)入袋式除塵器時(shí)的分布狀況是影響除塵效率和濾袋壽命的關(guān)鍵因素之一。內(nèi)部煙氣分布不均勻，易導(dǎo)致各濾袋所受負(fù)荷不同，且易引起濾袋間碰撞磨損，影響濾袋使用壽命，進(jìn)而影響除塵器的除塵性能。
2)無法在除塵器運(yùn)行中更換濾袋。如果其中一個(gè)濾袋破損，檢查或更換濾袋必須在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)。
針對(duì)以上傳統(tǒng)電改袋存在的問題，本文提出一種可實(shí)現(xiàn)離線清灰，在除塵器運(yùn)行中更換濾袋，且氣流分布均勻的電改袋除塵器，并利用CFX軟件對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，為除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)，進(jìn)而指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。
1新型電改袋除塵器結(jié)構(gòu)
為了解決傳統(tǒng)電改袋氣流分布不均勻，無法在除塵器運(yùn)行中在線更換濾袋等問題，以某燒結(jié)廠機(jī)尾電除塵器為例，通過以下改造方案可獲得新型電改袋除塵器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1)拆除電除塵器內(nèi)部的極板、極線、振打裝置、橫梁和高壓電源，保留電除塵器的進(jìn)氣箱、出氣箱、殼體、灰斗及輸灰系統(tǒng)。
2)在原電除塵器的殼體外兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)有煙道，煙道通過斜板分隔為進(jìn)氣煙道和出氣煙道，煙道兩端分別與進(jìn)氣箱、出氣箱連通;進(jìn)氣煙道與袋室通過進(jìn)風(fēng)管連通。
3)在原電除塵器的殼體內(nèi)設(shè)有花板和隔板，將其內(nèi)部空間分隔為12個(gè)獨(dú)立的袋室和12個(gè)獨(dú)立的凈氣室。
4)在進(jìn)風(fēng)管內(nèi)裝設(shè)蝶閥，在出氣煙道上部裝設(shè)提升閥。
除塵器正常運(yùn)行時(shí)，蝶閥和提升閥均開啟，煙氣從除塵器入口進(jìn)入進(jìn)氣箱，流經(jīng)兩側(cè)進(jìn)氣煙道進(jìn)入袋室，實(shí)現(xiàn)煙塵凈化，潔凈氣流則向上進(jìn)入凈氣室，并通過出氣煙道流入出氣箱，排放到除塵器外。當(dāng)需要更換濾袋時(shí)，只需關(guān)閉相應(yīng)袋室對(duì)應(yīng)的蝶閥和提升閥，進(jìn)行清灰或者換袋操作，其他袋室正常運(yùn)行。
2電改袋除塵器數(shù)值模擬
2.1幾何模型及網(wǎng)格劃分
本文結(jié)合某燒結(jié)機(jī)尾電改袋工程實(shí)例，分別根據(jù)圖1和圖2建立傳統(tǒng)電改袋幾何模型和新型電改袋幾何模型:濾袋總數(shù)為2304條，濾袋間距為70mm×90mm，單條濾袋尺寸為160mm×7000mm，設(shè)計(jì)過濾風(fēng)速為0.91m/min，當(dāng)其中一個(gè)袋室關(guān)閉時(shí)，過濾風(fēng)速為0.99m/min，完全滿足袋式除塵器的工作要求。
2.2數(shù)學(xué)模型
袋式除塵器正常工作過程遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律，在CFX計(jì)算時(shí)采用的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。而除塵器內(nèi)氣體流動(dòng)為紊流狀態(tài)，因此必須選取湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。鑒于RNGk-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在模擬湍流流動(dòng)中有更高的可信度和精度，本文從湍流的實(shí)用性考慮，采用RNGk-ε模型來模擬電改袋除塵器流場(chǎng)分布。
2.3邊界條件
入口采用速度入口條件，為滿足煙氣處理量44×104m3/h，入口速度為16.3m/s，出口采用壓力出口邊界條件，壁面為無滑移壁面，濾袋為多孔介質(zhì)模型，整個(gè)過程為等溫過程，模擬中煙氣溫度為100℃，介質(zhì)為不可壓縮空氣。
3結(jié)果分析
通過模擬計(jì)算分別得到傳統(tǒng)電改袋除塵器流場(chǎng)分布圖(見圖3)和新型電改袋除塵器流場(chǎng)分布圖(見圖4、圖5)。其中，圖3分別截取自Y1平面，圖4、圖5分別截取自X2平面和Y2平面，上述平面分別按圖1和圖2所示虛線方向截取。
3.1傳統(tǒng)電改袋除塵器流場(chǎng)分析
由圖3可知:煙氣進(jìn)入傳統(tǒng)電改袋除塵器后，以最高15m/s的速度沖擊過濾單元前端的擋板，受擋板作用，向下進(jìn)入過濾單元，在此過程中，煙氣中的大顆粒物在慣性和重力作用下落入灰斗，可減緩對(duì)濾袋的磨損。煙氣進(jìn)入過濾單元后，大部分以7.5m/s的速度直接沖擊前端灰斗壁，在灰斗壁作用下，一部分煙氣以最高9m/s的速度流入前端灰斗內(nèi)，另一部分煙氣以最高4.5m/s的速度斜向上流向過濾單元中間區(qū)域，同時(shí)在前端過濾單元下部和前端灰斗內(nèi)各形成一個(gè)漩渦，灰斗內(nèi)高速氣流和漩渦的存在極易造成二次揚(yáng)塵，使沉積下來的粉塵再次被帶入到過濾單元。而僅有少部分煙氣以3m/s的速度流向除塵器末端區(qū)域，使得該區(qū)域氣流速度明顯低于中間區(qū)域，導(dǎo)致各濾袋所受負(fù)荷不同，且易引起濾袋間的碰撞磨損。
3.2新型電改袋除塵器流場(chǎng)分析
由圖4可知:與傳統(tǒng)電改袋除塵器相比新型電改袋除塵器各袋室流場(chǎng)分布較為一致，正對(duì)袋室入口處煙氣速度均在10～12m/s，所以，所有過濾單元處理煙氣量基本一致，不存在局部單元處理煙氣量偏高，而引起過濾負(fù)荷不同的問題。
由圖5可知:煙氣沿進(jìn)氣煙道向下經(jīng)進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入袋室后，煙氣以最高12m/s的速度斜向下運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過程中速度逐漸減小至6m/s以下，并逐漸以最高4m/s的速度向上擴(kuò)散，進(jìn)入過濾單元，實(shí)現(xiàn)粉塵的捕集。綜合圖4和圖5:灰斗區(qū)域內(nèi)靠近灰斗上壁面處煙氣速度最高為6m/s，其他大部分區(qū)域煙氣速度小于4m/s，且無漩渦存在，可以有效地防止灰斗二次揚(yáng)塵的發(fā)生;同樣濾袋底部附近區(qū)域煙氣速度分布均勻，均在4m/s以下，基本無偏流現(xiàn)象，能減緩濾袋間碰撞磨損。
4結(jié)論
針對(duì)傳統(tǒng)電改袋除塵器內(nèi)部氣流分布不均勻，無法在運(yùn)行中更換濾袋等問題，本文提出了一種新型電改袋除塵器，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論:
1)在電除塵器殼體外兩側(cè)增設(shè)煙道，在電除塵器殼體內(nèi)增設(shè)花板和隔板，使得各袋室相互獨(dú)立，進(jìn)而有效地控制氣流進(jìn)入袋室，使得在除塵器運(yùn)行時(shí)可以更換濾袋。
2)根據(jù)模擬結(jié)果，在傳統(tǒng)電改袋除塵器濾袋底部區(qū)域存在較大的漩渦，易造成灰斗二次揚(yáng)塵，此外，濾袋底部?jī)啥藚^(qū)域氣流速度低于中間區(qū)域，分布不均勻，影響濾袋過濾負(fù)荷，易加劇濾袋的碰撞磨損。而新型電改袋除塵器濾袋底部區(qū)域和灰斗區(qū)域氣流分布均勻，可有效地避免灰斗二次揚(yáng)塵和濾袋碰撞磨損。
3)該新型電改袋除塵器在實(shí)施時(shí)，可有效利用原有電除塵器結(jié)構(gòu)，改造成本低，具有應(yīng)用前景。