布袋除塵器進(jìn)口煙道氣體流動(dòng)特性的數(shù)值分析
摘 要：通過計(jì)算流體軟件 FLUENT 對
布袋除塵器進(jìn)口煙道進(jìn)行研究，應(yīng)用 k － ε 湍流模型對煙道在冬季_端惡劣情況下的強(qiáng)制對流散熱的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，詳細(xì)討論了不同截面的速度場、溫度場、壓力等分布。結(jié)果表明: 低溫?zé)煹涝诓槐氐那闆r下，在進(jìn)入布袋除塵器前仍具有較高溫度; 煙道直段的降溫速率約為0． 2 ℃ /m，彎頭較集中區(qū)域，降溫速率約為 0． 5 ℃ /m; 在出口區(qū)域，煙氣溫度出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象; 煙道彎頭處的沖刷較嚴(yán)重。
Numerical Analysis on the Properties of Flue Gas in Inlet Duck of Bag Filter |
BAO Jingyun1 | ZHANG Hairu2 | YU Xianqun3 | |
（ 1． Safety ＆ Security Team /Security Part，LG． Display （ Nanjing） Co． ，Ltd． Nanjing 210046） |
Abstract In this paper，the software FLUENT is used to conduct studies on the bag filter inlet duck，the k － ε tur- |
bulent model is applied to simulate the flowing properties of compulsory convection under extreme weather in winter |
and the velocity，temperature and pressure distribution of sections in flue duct is discussed in detail． | The results show |
that the temperature is still higher without conservation materials，the rate of temperature is 0． 2 ℃ /m in straight duct |
and 0． 5 ℃ /m in bend pipes，the temperature of outlet is increased rapidly with the flue states and the bend pipes are |
scoured fiercely． | | | | |
Key Words duct flow property numerical analysis | | | |
0、引言:
鋼鐵行業(yè)的余熱回收一般有單壓、雙壓系［1］ ，無論哪種系統(tǒng)，高溫?zé)煔饩柰ㄟ^余熱回收統(tǒng) 設(shè)備降溫，進(jìn)入后續(xù)除塵器進(jìn)行除塵。對于布袋除塵器而言，一般對余熱利用后的煙氣溫度有嚴(yán)格要求，布袋除塵器運(yùn)行溫度應(yīng)在高限和低限之間。由于高限取決于濾袋的濾料，低溫局限于煙氣露［2］ ，因此入口煙氣溫度的控制對設(shè)備的運(yùn)行至關(guān)點(diǎn) 重要，應(yīng)避免發(fā)生布袋穿孔，造成除塵器效率降低，頻繁更換布袋，更要防止安全事故發(fā)生。為了達(dá)到余熱的_利用、_布袋除塵器的節(jié)能安全運(yùn)行，除了對余熱回收設(shè)備面積進(jìn)行合理設(shè)計(jì)外，更需合理考慮低溫?zé)煔庠跓煹纼?nèi)的流動(dòng)特性，分析其溫度下降、煙道沖涮等情況。
通過軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的方法被廣泛用于很多情況，如實(shí)際情況難以再現(xiàn)、痕量及微量元素的取樣、高溫高壓環(huán)境的構(gòu)建等移特性和煙氣溫度分布規(guī)律的掌握有利于認(rèn)識到煙氣的參數(shù)變化，保護(hù)后續(xù)布袋除塵器的安全運(yùn)行。
本文利用 FLUENT 軟件對某布袋除塵器進(jìn)口煙道內(nèi)氣體的流動(dòng)情況、溫度分布進(jìn)行了討論。探討在冬季_端惡劣情況下，強(qiáng)制對流對低溫?zé)煹乐械臒煔饬鲃?dòng)狀況和溫度分布的影響。
1、研究對象：
某余熱回收項(xiàng)目低溫管道如圖 1 所示，高溫電爐煙氣經(jīng)過余熱鍋爐后，溫度降至 200 ℃ 后進(jìn)入低溫?zé)煹溃瑹煔鈴膱D 1 所示右側(cè)進(jìn)入管道，經(jīng)過 4 個(gè)彎頭和約 100 m 的直段煙道從左側(cè)排出，即進(jìn)入
布袋除塵器。低溫管道內(nèi)煙氣流動(dòng)采用 k － ε 湍流模［4］型 ，針對當(dāng)?shù)豞氣溫作為_不利工況進(jìn)行分析，對冬季_端_溫度條件的強(qiáng)迫對流換熱進(jìn)行模擬，環(huán)境溫度為－30 ℃，換熱系數(shù)為 60 W/ （ m2 ·K） 。
圖 1幾何模型
模擬工況的邊界條件為:
（ 1） 電爐煙氣流量為 12 萬 Nm3 /h，余熱鍋爐后的煙氣溫度為 473 K，湍流強(qiáng)度為 10% ，水力直徑為2． 2 m，彎頭的曲率半徑為 2 250 mm，轉(zhuǎn)角為 90°。
（ 2） 出口邊界條件為自由發(fā)展流動(dòng)，流量比重為 1。
（ 3） 煙道不進(jìn)行保溫，固體壁面無速度滑移壁面，煙道壁厚 6 mm。
2、計(jì)算結(jié)果與分析：
圖 2、圖 3 分別顯示了低溫?zé)煹栏鞣较虻闹行钠拭婧捅诿娴臏囟确植记闆r。由圖可知，各個(gè)中心剖面的溫度接近于入口溫度 473 K，外壁溫度范圍約為 260 ～ 340 K。圖 4 為系統(tǒng)各截面溫度的面積加權(quán)平均值隨煙道沿程中心線的變化情況，煙氣入口附近的彎頭集中區(qū)，降溫速率為 0． 5 ℃ /m，煙氣在水平直段的降溫幅度約為 9． 3 ℃ ，降溫速率為 0． 2 ℃ /m，出口段的彎頭區(qū)域，煙氣溫度發(fā)生反彈回升現(xiàn)象，降溫速率約為 － 0． 3 ℃ /m。
在煙氣入口附近的彎頭區(qū)域，煙氣因流向變化，湍流程度增加，加劇了煙氣與外界的換熱效果。當(dāng)煙氣進(jìn)入直段后，流態(tài)逐漸恢復(fù)為均勻流，湍流程度減弱，降溫速率減小。在出口附近的彎頭區(qū)域，由于煙氣的高流速、曲率半徑較小、轉(zhuǎn)角較大，出現(xiàn)了較大區(qū)域的“空腔”區(qū)域，在“空腔”區(qū)域_較少煙氣流過，溫度低于煙氣主流溫度。因此，該平面的面積加權(quán)平均值溫度較低，即與后續(xù)煙道相比，煙氣溫度出現(xiàn)了反彈現(xiàn)象。
從圖 2 可知，彎頭附近的“空腔”區(qū)域?qū)ο掠沃倍螣煹喇a(chǎn)生較大影響，這是因?yàn)榫植孔枇Σ考秶鷥?nèi)的能量損失，只占局部損失中的一部分，另一部分是在局部部件下游_長度的管段上損耗掉的，該部分為局部部件的影響長度。受局部部件干擾的流動(dòng)，經(jīng)過了影響長度之后，流速分布和紊流脈動(dòng)才能達(dá)到均勻流動(dòng)的正常狀態(tài)。因此，該彎頭及其在下游的影響長度范圍內(nèi)的煙道上均不應(yīng)設(shè)置溫度測點(diǎn)，且該部分速度測點(diǎn)也會(huì)因測速、測溫管深入的長短出現(xiàn)較大起伏。
圖 5、圖 6 分別顯示了低溫?zé)煹赖乃俣取毫Φ?/div>分布情況。由圖可知，系統(tǒng)速度大小為 6． 76 ～ 33． 8m /s，_值出現(xiàn)在彎頭的內(nèi)側(cè)且大于煙氣入口值，_小值出現(xiàn)在彎頭的外側(cè)，直段的速度約在 19． 4 ～21． 2 m /s，壓力_值出現(xiàn)在彎頭的外側(cè)，_小值發(fā)生在彎頭的內(nèi)側(cè)，且_個(gè)彎頭外側(cè)壓力值明顯高于后續(xù)幾個(gè)彎頭的壓力值。這是因?yàn)榱黧w經(jīng)過彎頭時(shí)，雖然過流斷面沿程不變，但彎頭內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)受到離心力作用，在彎頭前半段，外側(cè)壓強(qiáng)沿程增大，內(nèi)側(cè)壓強(qiáng)沿程減小，而流速則是外側(cè)減小，內(nèi)側(cè)增大。因此，彎頭前半段沿外壁是減速增壓的，出現(xiàn)旋渦區(qū); 在彎頭的后半段，由于慣性作用，在 Ｒe 很大、彎頭轉(zhuǎn)角較大、曲率半徑較小的情況下，旋渦區(qū)再次出現(xiàn)。彎頭內(nèi)側(cè)的旋渦，無論是大小還是強(qiáng)度，一般都［5］ ，比外側(cè)的大 。這些因素加劇了煙道的局部沖刷影響到煙道的運(yùn)行年限。
3、結(jié)論:
（ 1） 在彎頭集中區(qū)域，溫降速率約為 0． 5 ℃ /m，直段煙道的溫降速率約為 0． 2 ℃ /m。
（ 2） 在出口區(qū)域，煙氣溫度出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象，是因?yàn)闊煹赖膸缀涡螤?、煙氣的流?dòng)狀態(tài)使內(nèi)部出現(xiàn)“空腔”區(qū)域。
（ 3） 在 Ｒe 很大、彎頭轉(zhuǎn)角較大、曲率半徑較小的情況下，煙道彎頭處的沖刷和運(yùn)行年限受到很大影響。
