布袋除尘器扩容流场均匀性研究与应用

布袋除尘器扩容流场均匀性研究与应用

卓振阳，陆新，李洪峰

江苏永钢集团有限公司     中国江苏215628

摘要：针对某300 MW循环流化床锅炉因燃料调整导致的烟气含尘量显著上升问题，机组布袋除尘器在实际运行中面临系统阻力加大的挑战。为解决这一问题，我们提出了除尘器一仓室扩容的改造计划。为验证此方案的可行性与效果，我们利用CFD（计算流体动力学）研究方法与FLUENT软件对除尘器进行了详尽的建模分析。通过分析，我们提出了在灰斗处增设进风导流板的方案，旨在优化除尘器内部的流场分布，降低风速过高导致的滤袋磨损风险。此研究不仅验证了改造项目的可靠性，也为后续的技术改造提供了坚实的理论依据。

关键词：300 MW流化床锅炉；布袋除尘器；扩容改造；导流板设计

1布袋除尘器的CFD研究

1.1 CFD研究方法简介

在当今计算机技术日新月异的背景下，CFD（计算流体动力学）已成为解决流体流动、热交换、分子输运等现象问题的有力工具。这一技术不仅拓宽了研究视野，也提高了解决问题的效率和准确性。在能源领域，利用计算机数值模拟技术已成为国内外研究者普遍采纳的研究手段。

FLUENT软件，作为CFD领域的重要工具，基于“CFD计算机软件群”的概念，针对不同类型的物理流动现象，采用最适合的数值解法，并结合不同领域的计算软件，从而确保了研究的全面性和深度。

1.2 CFD模型对象

本次CFD研究的模型对象全面涵盖了布袋除尘器的所有关键流体力学元件。这包括进出口烟道、进出口风门、除尘器壳体、灰斗、净气室以及布袋排等。通过对这些元件的细致建模，我们能够更加准确地模拟和分析除尘器内部的流体流动情况，为后续的优化改造提供有力支持。

1.3 模型假设与简化

在进行CFD模拟计算时，为了简化计算过程并确保模拟的可行性，我们基于实际运行工况对系统进行了以下假设和简化：将烟气视为不可压缩的牛顿流体，以简化流体动力学特性的分析。假设除尘器进口处的烟气速度分布是均匀的，这有助于更准确地模拟流体的初始状态。鉴于除尘器结构的对称性，我们只对单侧进行了模拟，以减少计算量同时保持结果的准确性。 将布袋视为多孔介质，以模拟其在实际运行中的过滤效果。在CFD模型中安装了导流板等关键组件，以模拟其对流场的影响。忽略了对流场影响较小的构件，以进一步简化模型并提高计算效率。

1.4 网格划分与边界条件

在模拟过程中，我们利用前处理软件GAMBIT对布袋除尘器进行了详细的三维建模。为确保模拟的准确性，我们采用了不同类型的网格对三维模型进行了精细划分。具体地：对于布袋及布袋周边的流道，我们采用了扫略方式划分网格，以更准确地模拟流体在这些区域的流动情况。下部的灰斗部分，我们采用了映射方式划分网格，以确保网格的均匀性和准确性。

对于其余部分，我们则采用了自由方式划分网格，以适应复杂多变的流场情况。这样的网格划分策略既保证了模拟的精度，又兼顾了计算效率。

2 模型数值分析

2.1 原除尘器内部流场解析

在原除尘器的设计中，我们注意到其采用灰斗侧面进气的方式，但在灰斗内部并未设置相应的导流装置。当气流从进口风门进入时，会形成一股强劲且高速向上的气流。这种高速气流直接冲击并冲刷进风口附近的滤袋区域，这种冲击不仅阻碍了粉尘的自然沉降过程，还极易引发二次扬尘现象。更为严重的是，这种持续的高速气流对滤袋底部构成了直接的冲击和磨损，长期下来容易导致滤袋破损，从而严重影响滤袋的使用寿命，并对整个布袋除尘器的正常运行构成威胁。

流场与风速分析：由于除尘器采用对称布置，两侧流量分布均匀，我们仅对单侧出口风门的流量进行了统计。数据中可以看出，靠近进口烟道入口的仓室1流量显著较大。在布袋过滤风速保持一致的情况下，仓室1通过的烟气量明显高于其他仓室。

基于现有除尘器的尺寸和风量计算，目前布袋除尘器的滤袋过滤风速为1.4 m/s。在布袋尺寸确定的前提下，选择合适的过滤风速和压力至关重要。过小的风速会导致布袋内烟气分布不均，从而降低除尘器的除尘性能；而过大的风速虽然能改善袋内烟气的分布均匀性，但也会增加除尘器的过滤阻力。一般来说，过滤风速在1.0～1.5 m/min范围内时，流场和压力分布较为均匀。然而，仓室1对应的出口风门流速过高，这不仅增加了系统的阻力，使得风门开启变得困难，还会对滤袋造成过度磨损，从而缩短其使用寿命，并增加除尘器的阻力。因此，针对仓室1的流速过高问题，我们需要进一步采取措施进行优化。

2.2 除尘器扩容与导流板优化布置为确保布袋除尘器各仓室单元的气量均匀分布，实现气流组织的合理化，并有效实施大颗粒粉尘预分离措施，我们对进口烟道、仓室及局部结构进行了精心布置，并增加了必要的导流装置。这些改进措施旨在保证布袋除尘器能够高效且稳定地运行。

基于模型数值分析的结果，我们特别关注了除尘器入口烟气气流方向对布袋的冲刷问题以及向上气流导致的粉尘扬析现象。为了解决这些问题，我们决定增大仓室1的出口风门面积，使其与其他风门的出口风速保持基本一致。同时，在灰斗中增设了导流板，以进一步均衡气流的分布。

每个灰斗都设置了6片导流板，它们沿进风方向在灰斗内部呈等距布置，与进风口之间的水平夹角为30°。为了确保导流板的强度和耐用性，我们选用了耐磨的锰钢材料，并在其两侧和中间设置了加强肋。

此外，为了降低除尘器的过滤风速并减少运行阻力，我们对原仓室1进行了扩容，并增加了1008个滤袋。同时，针对新增的滤袋部分，我们单独设置了一个除尘器出口风门。这些改进措施将有助于提高除尘器的性能，并延长其使用寿命。

2.3 改造后除尘器内部流场优化分析

经过除尘器的扩容改造，并结合FLUENT软件的计算分析，我们对增设了导流板并扩大了过滤面积后的除尘器内部流场进行了重新建模与分析。结果表明，增设的导流板成功地将烟气流动方向由向上引导为向下，并且通过导流板的作用，使气流能够均匀分布至除尘器下部的整个空间。这一改进确保了每个布袋能够均匀受力，从而有效降低了中部区域滤袋底部的冲刷磨损问题。

此外，当入口烟气中的大颗粒粉尘接触到导流装置时，它们会在惯性和向下气流的引导下直接落入灰斗中，这一变化显著降低了滤袋的工作负荷，进一步提高了除尘器的除尘效率和运行稳定性。

结束语

本次改造方案的核心在于通过新增滤袋与原有布袋除尘器仓室的联通，形成更高效的仓室结构。这一举措旨在降低滤袋的过滤风速，进而减少除尘器的运行阻力。经过详细的数据模型和流场分析，我们得出以下结论：首先，为确保布袋除尘器各仓室单元的气量均匀分布和气流组织的合理性，同时实施大颗粒粉尘预分离措施，需对进口烟道和仓室进行合理布局，并在局部增设导流装置，以保障除尘器的高效稳定运行。其次，从理论角度来看，除尘器的扩容提效是可行的。新增仓室不仅有效降低了滤袋的烟气流速，还实现了各仓室烟气流量的均衡。进出口烟道和风门的设计均经过精心规划，确保了各仓室流量的均衡，同时进出口风门的流速设计也达到了理想状态。最后，通过在灰斗中增设导流装置，我们成功地将部分气流方向引导为向下，这不仅有利于大颗粒粉尘的沉降，还有助于滤袋清灰时粉尘的沉降。因此，本次除尘器扩容提效项目的设计规范标准明确、工艺路线可靠，不存在技术风险，具备实施条件。

参考文献：

[1] 汪家琼，刘根凡，邓翔.FLUENT 软件在布袋除尘器挡板和导流板设计中的应用[J].石油化工设备，2008，38（5）：71-73.

[2] 胡满银，郁金星，孙喜娟，等.外滤式袋式除尘器滤袋内流场的数值模拟[J].电力科学及工程，2007，23（1）：37-40.