袋式除尘器喷吹管设计参数对喷吹气量影响的计算分析.pdf

袋式除尘器喷吹管设计参数对喷吹气量 影响的计算分析 赵美丽周睿沈恒根 东华大学环境科学与工程学院，上海 201620 摘要 针对袋式除尘器的脉冲喷吹气流量不均匀性问题， 利用 CFD 数值模拟建立含有结构参数、 运行参数的脉冲袋式 除尘器的喷吹气流分布模型， 通过正交试验法研究了喷吹压力 P、 喷口个数 N、 喷口口径 D、 喷嘴管长 H、 脉冲时间 T 和 喷口间距 L 对脉冲喷吹气流量不均匀性 σ 的影响程度， 并拟合得到了各参数与 σ 的关系式。在设计压力条件下修正 喷口管径， 获得较好的气流量分布; 对修正后的均匀喷吹管， 得到在不同喷吹压力下其气流量不均匀性的变化情况。 关键词 结构参数; 运行参数; 喷吹气流量; 变脉冲压力 CALCULATION AND ANALYSIS FOR THE IMPACT OF THE INJECTION PIPE DESIGN PARAMETERS ON MASS FLOW RATE IN BAG FILTER Zhao MeiliZhou RuiShen Henggen College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China AbstractThe CFD numerical simulation was used to establish an airflow distribution model in injection pipe of pulse-jet bag filter． The model contains structural parameters and operating parameters． These parameters include the injection pressure P ， the number of nozzle N ， nozzle diameter D ， nozzle length H ， pulse time Tand nozzle spacing L ． Orthogonal test showed that these parameters had different levels of the effects on the unevenness of pulse jet airflow σ ， and the equation for σ calculations was got by fitting． Under design pressure， nozzle diameter was adjusted， resulting in better distribution of mass flow rate;the change in unevenness of airflow of injection pipe with adjusted diameter under different pressure was also calculated． Keywordsstructural parameters;operating parameters;pulse jet mass flow rate;variable pulse pressure 0引言 袋式除尘器脉冲喷吹清灰气流均匀性直接影响 到除尘器运行阻力和滤袋寿命。目前对喷吹气流均 匀性所做的研究主要是分析喷吹管内静压和速度变 化情况 ［1］、 影响袋式除尘器清灰效果的因素探讨［2］， 以及脉冲压力、 脉冲时间、 喷口个数、 变喷口口径的方 法调整气流均匀性 ［3- 4］。这些研究主要是对设计工况 条件下的脉冲喷吹气流进行分析， 如采用设定供气压 力。在实际运行的袋式除尘器中， 由于气包容量、 喷 吹管、 喷嘴的布置方式、 脉冲阀供气方式以及运行过 程中对供气压力的调整， 会造成喷吹气流的实际运行 工况与设计工况有较大的差异。本文重点研究了不 同供气压力工况在喷吹系统各结构参数及运行参数 对喷吹气流量不均匀性的影响。 本文采用正交试验法， 通过建立不同结构布置、 不同运行参数的袋式除尘器脉冲喷吹模型， 借助 CFD 数值模拟， 对脉冲喷吹气流均匀性进行研究分析。 1脉冲喷吹清灰系统模型的建立 1. 1脉冲喷吹过程 袋式除尘器的脉冲清灰系统如图 1 所示。电磁 脉冲阀收到脉冲控制仪发出的控制电信号， 脉冲阀阀 片迅速打开， 压缩气体通过阀孔由气包流入喷吹管 内， 然后由喷吹口喷出， 同时诱导花板上空间内的环 境气体吹入滤袋内， 并在短时间内使滤袋内产生很大 的压力场， 实现清灰。 1. 2物理模型 建立 3D 模型， 脉冲阀选取 3″淹没式脉冲阀， 其 对应喷吹管直径为 78 mm。喷吹管长、 喷口个数、 喷 36 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 图 1脉冲清灰喷吹过程示意 口直径、 喷口间距及喷口短管长度的选取为正交试验 设计表中的 49 组数据。喷吹管左端通过脉冲阀与喷 吹气 包 相 连 接， 从 左 到 右 依 次 对 喷 口 编 号， 使 用 Gambit 建立 3D 模型。 1. 3数学模型 脉冲喷吹清灰系统的管道内气流呈湍流状态， 一 般选用标准的 k-ε 模型对喷吹管进行模拟 ［5］。脉冲 喷吹是一个非稳态的过程， 非稳态湍流流场的计算采 用 SIMPLE 算法。 1. 4喷管脉冲喷吹过程模型的简化 脉冲喷吹气流在滤袋内的流场非常复杂， 为了便 于建立数值计算模型， 对滤袋脉冲喷吹过程模型做如 下简化 1假定定温计算条件， 忽略温度场变化对气流 场的影响。 2研究单排脉冲喷吹管状况， 忽略脉冲喷吹过 程中相邻喷管的影响。 3脉冲气流为可压缩气流。 1. 5生成计算网格及边界条件 设定网格尺度时， 设取较密的网格来增加系统的 准确性。喷吹管的轴向方向网格为 5. 0 mm， 径向方 向为 1. 0 mm， 喷吹口的网格均是 1. 0 mm， 整个模型 均采用结构化网格。 把喷吹管的入口设置设为压力入口 pressure- inlet ， 各喷口出口设为压力出口 pressure-outlet 。 喷口自气流方向依次进行编号以便于分别记录各喷 口喷吹 结 果。背 压 为 一 个 标 准 大 气 压， 温 度 均 取 300 K。流场的初始化是从喷吹气流入口 inlet 入口 开始。时间步长取 1. 0 ms。 2试验因素及水平 采用正交试验法设计试验。本文中对脉冲压力 P、 脉冲时间 T、 喷口直径 D、 喷口个数 N、 喷口间距 L 及喷口短管长度 H 来分析探讨。脉冲喷吹压力常用 0. 20 ～ 0. 60 MPa， 脉冲时间一般是在 80 ～ 200 ms［6］ 之间， 喷口个数不超过 20 个。喷口间距至少为滤袋 直径的一倍半， 常用滤袋半径为 130 mm 和 160 mm， 因此喷口间距选在 200 ～ 280 mm。喷口管径按照开 孔器实际型号及尺寸选取。每个因素取 5 水平， 因素 水平表见表 1。 表 1试验因素水平表 水平 因素 P /MPaT/msD /mmH /mmN /个L/mm 10. 2080162012200 20. 30100173014220 30. 40120194016240 40. 50140215018260 50. 60160236020280 本文主要考虑各结构参数及运行参数主效应作 用对气流质量流量分布均匀性影响情况进行分析。 按照正交试验法， 还需设置空白列 K ， 本文选取七 因素五水 平 正 交 试 验 表 L49 57 ， 得 到 49 种 试 验 工况。 3喷吹气量不均匀性的影响分析 气流均匀性采用均方根值法 ［7］ RMS 评判。其 计算公式为 σ 1 nΣ n i 1 Mi－ M － M [] － 槡 2 1 式中 σ 为气流质量流量均方根值; Mi为各喷口上的 质量流量， kg/s; M 为平均气流质量流量， kg/s; n 为喷 口个数。 采用均方根值法对质量流量的不均匀程度反应 比较灵敏， 其均方根值越大， 表示气流质量流量不均 匀程度越大。 通过数值模拟分析得到 Mi， 按照式 1 得到计算 结果见表 2。 利用方差分析方法， 对试验结果进行分析计算， 结果见表 3。由表 3 中的方差分析结果可以清晰地 看出脉冲喷吹管结构参数及运行参数对气流均匀性 的影响。 由计算结果可知 D、 P、 N 的显著值 Sig． 分别 为 0. 000、 0. 001、 0. 009 P ＜ 0. 01 ， 有极显著影响; H 的显著值为 0. 028 P ＜ 0. 05 ， 有显著性影响; T、 L 的 显著值分别为 0. 053、 0. 302 P ＞ 0. 05 ， 无统计学意 义。说明喷吹压力、 喷口口径、 喷口个数、 喷口短管长 度对气流分布效果影响明显， 而脉冲时间、 喷口间距 的影响效果不明显， 且影响次序依次为 D ＞ P ＞ N ＞ H ＞ T ＞ L。 46 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 表 2计算结果 实验数PTDHNLKσ实验数PTDHNLKσ 10. 3010016201224020. 066260. 3012016301226040. 028 20. 4010016601222040. 029270. 308016301628050. 035 30. 2014021201624040. 026280. 6012016402020050. 054 40. 3016017201228030. 054290. 5014017301422050. 055 50. 2010023401428040. 033300. 3010021302022010. 070 60. 208016201220010. 024310. 5012023301224020. 098 70. 308017502020040. 050320. 308017601824050. 047 80. 408017401424010. 049330. 508019201820040. 074 90. 2012017201420010. 034340. 2010021201426050. 053 100. 3010023301822010. 081350. 2010019501222050. 039 110. 208017501222020. 029360. 4010017301620030. 053 120. 6010016501424030. 039370. 2012017601622020. 035 130. 208016301428020. 026380. 5016016501626010. 039 140. 6010017201826020. 068390. 3016021601420020. 066 150. 2010017301220010. 032400. 5010016601420010. 035 160. 6014019601228010. 065410. 3014017401226010. 037 170. 3010019401620020. 058420. 2016016401822020. 028 180. 3014023501420020. 083430. 208023602026030. 065 190. 308016201422010. 032440. 608021301220020. 089 200. 4012021501828010. 080450. 5010017202028020. 065 210. 4016023201220050. 084460. 3012019201422030. 053 220. 2016019302024010. 048470. 508021401222030. 082 230. 608023201622010. 113480. 2014016301820030. 030 240. 4014016202022020. 044490. 408019301426020. 064 250. 6016017301422040. 060 表 3方差分析表 脉冲气流不均匀性 源Ⅲ型平方和df均方FSig． 校正模型0. 021*240. 00150. 860. 000 截距0. 10810. 10861240. 000 P0. 00540. 00175. 390. 001 D0. 01540. 004214. 80. 000 T0. 00040. 0002. 7200. 053 H0. 00040. 0003. 2710. 028 N0. 00140. 0007. 6690. 009 L0. 00040. 0001. 2890. 302 误差0. 000240. 000 总计0. 16049 校正总计0. 02248 注 * R 2 0. 981 调整 R2 0. 961 。 对表 3 中数据进行拟合， 得出 σ 0． 113D0． 824N0． 145P0． 489H －0． 093 2 式 2 中 16 mm≤ D≤23 mm，12 ≤ N≤20 ， 0. 20 MPa≤P≤0. 60 MPa， 20 mm≤H≤60 mm。 从正交试验的拟合关系式中可以看出， 喷口管径 越大， 喷吹压力越大， 喷口个数越多气量不均匀性越 大。而喷嘴管长越大， 气量不均匀性越小。而脉冲时 间和喷口间距影响不明显。因此， 在设计及运行中， 应优先考虑喷口管径对气流均匀性的影响， 再考虑喷 吹压力变化的影响， 依次按照影响顺序进行分析考 虑， 脉冲时间和喷口间距则可根据其他结构设计要求 进行设计。 4压力变化对均匀喷吹管的影响分析 4. 1基准工况 喷吹管 分 别 布 置 12， 16 个 喷 口， 喷 口 直 径 为 19 mm， 喷口间距为 220 mm， 脉冲时间为 100 ms。 以 0. 30 MPa 为基准工况， 模型同上， 进行模拟计 算分析。 4. 2喷口修正及分析 对喷口开孔孔径修正的基本思想是根据数值模 拟计算得到的流量分布， 修正各个喷口的孔径， 得到 满足均匀喷吹的各个喷口开孔孔径。 根据 经 验 ［8］ 可 以 采 用 的 喷 口 开 孔 直 径 修 正 公式为 ri 珚 m m 槡i ri 3 式中mi 修正前第 i 个喷口的质量流量， kg/s; 珚 m 各个喷口的平均质量流量， kg/s; ri 第 i 个喷口修正前的半径， kg/s; ri 第 i 个喷口修正后的半径， kg/s。 修正后喷口开孔直径见表 4、 表 5。 56 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 表 4修正后喷口开孔直径 12 个喷口 mm 1 号2 号 3 号4 号 5 号6 号 7 号8 号 9 号10 号 11 号 12 号 1. 20a 1. 20a 1. 14a 1. 14a 1. 02a 1. 02a 0. 96a 0. 96a 0. 84a 0. 84a 0. 84a 0. 84a 注 表格各喷口直径均以 12 个喷口直径的平均值 a 为基准。 表 5修正后喷口开孔直径 16 个喷口 mm 1 号 2 号 3 号 4 号 5 号 6 号 7 号 8 号 1. 24b1. 24b1. 18b1. 18b1. 12b1. 12b1. 00b1. 00b 9 号 10 号 11 号 12 号 13 号 14 号 15 号 16 号 0. 94b0. 94b0. 94b0. 71b0. 71b0. 71b0. 71b0. 71b 注 表格各喷口直径均以 16 个喷口直径的平均值 b 为基准。 4. 3不同喷吹管压力下气流不均匀性分析 对修正 后 的 喷 吹 管， 分 别 采 用 喷 吹 管 压 力 为 0. 20， 0. 40， 0. 50， 0. 60 MPa 进行数值模拟计算， 得到 各喷口质量流量分布结果见表 6。 表 6不同喷吹管压力下气流量不均匀性计算结果 喷口个数喷吹压力 /MPaσ 值 喷口间气流流量的 最大差异比 / 12修正前 修正后 0. 30 0. 20 0. 30 0. 40 0. 50 0. 60 0. 078 2 0. 006 1 0. 007 5 0. 008 6 0. 009 6 0. 010 5 60. 3 3. 6 3. 6 3. 8 3. 8 3. 9 16修正前 修正后 0. 30 0. 20 0. 30 0. 40 0. 50 0. 60 0. 085 6 0. 008 2 0. 010 1 0. 011 7 0. 013 1 0. 014 3 72. 6 8. 9 8. 9 9. 1 9. 2 9. 3 由表 6 可以看出 对基准工况 0. 30 MPa 优化 前 σ 值分别为 0. 078 2、 0. 085 6， 喷口间的最大差异 比分别为 60. 3 、 72. 6 ; 修正后 σ 值为 0. 007 5、 0. 010 1， 喷口间的最大差异比为 3. 6 、 8. 9 ， 实现 了均匀喷吹。 修正后的喷吹管随着压力增大， σ 值逐渐略微增 大， 其值在 0 ～ 0. 014 3， 远低于修正前的 0. 078 2 或 0. 085 6， 喷口间气流流量的最大差异比在 10 以内。 可见， 采用修正后的均匀喷吹管， 在不同喷吹压 力情况下要优于有关设计手册 ［9］中关于 10 气流 喷吹量波动值的要求。 5结论 1 各个参数对喷吹气流量不均匀性影响次序依 次为 D ＞ P ＞ N ＞ H ＞ T ＞ L。在设计及运行中， 应优先 考虑喷口直径对气流量均匀性的影响， 再考虑喷吹压 力变化对其影响， 依次按照影响顺序进行分析考虑， 脉冲时间和喷口间距则可根据其他结构设计要求进 行设计。 2 利用正交试验法， 通过模拟分析计算， 得到脉 冲喷吹气流分布相对均方根值 σ 与喷吹系统结构参 数与运行参数的关系式为 σ 0． 113D0． 824N0． 145P0． 489H － 0． 093， 为袋式除尘器喷吹系统的改进提供依据。 3 修正后喷吹管 σ 值在 0 ～ 0. 0143， 远低于修正 前的 0. 078 2 或 0. 085 6， 喷口间气流流量的最大差 异比在 10 以内。在不同喷吹供气压力下， 仍然满 足气流喷吹量波动值小于 10 的要求。 参考文献 ［1］党小庆， 刘美玲， 马广大， 等． 脉冲袋式除尘器喷吹气流的数值 模拟［J］． 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版， 2008 3 403- 406． ［2］蒋存刚， 李纪锦， 李勇． 影响脉冲袋式除尘器清灰效果的因素 探讨［J］． 橡胶工业， 2007， 54 1 49- 51． ［3］陈志炜． 脉冲袋式除尘器喷吹均匀性探讨［J］． 工业安全与环 保， 2010， 36 4 16- 17． ［4］王鹏， 杨青真， 未军光． 脉冲袋式除尘器匀流喷吹管设计研究 ［J］． 科学技术与工程， 2009 4 2062- 2066． ［5］高广德， 张彦婷． 下进气式袋式除尘器内部流场的模拟［J］． 环 境工程， 2008， 26 5 58- 59． ［6］陈红超， 沈恒根． 袋式除尘器清灰后除尘空间浓度场分析［J］． 环境工程， 2011， 29 6 79- 83． ［7］陈国矩， 胡健民． 除尘器测试技术［M］． 北京 水利电利出版社， 1988 100- 103． ［8］法正皓， 沈恒根． 干熄焦工艺环境袋式除尘脉冲清灰技术的研 究［D］． 上海 东华大学， 2010 37- 38． ［9］姜凤有． 工业除尘设备 设计、 制作、 安装与管理［M］． 北京 冶 金工业出版社， 2007 72- 73． 作者通信处沈恒根201620上海市松江区人民北路 2999 号东华 大学 4 号学院楼环境科学与工程学院 3145 室 电话 021 67792513 E- mailshenhg 126. com 2011 － 11 － 07 收稿 66 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期