摘要：针对传统电改袋除尘器内部烟气分布不均匀，无法实现在除尘器运行中更换滤袋等问题，提出一种新型电改袋除尘器，并利用CFX软件对其流场进行了数值模拟。结果表明:与传统电改袋除尘器相比，新型电改袋除尘器各袋室处理烟气量基本相同，滤袋底部区域气流速度分布均匀，偏流程度小，可有效地防止滤袋磨损和二次扬尘。
0引言
钢铁行业是我国国民经济的支柱产业，根据钢铁工业和市场分析公司(MEPS)发布的全球钢铁产量报告，2013年我国以7.79亿t的粗钢产量位居第一，占全球粗钢产量的48.5%，同时钢铁行业粉尘排放量约占我国工业粉尘排放总量的25%，其中烧结工艺作为钢铁生产的主要工艺之一，其烟尘排放占总排放的42.3%。烧结机尾烟气具有温度较高(80～150℃)、湿度较大(3%～5%)及粉尘比电阻偏高(109～1012Ω˙cm)等特点，目前烟尘净化设备以电除尘器为主。但是电除尘器存在对0.1～2μm的细颗粒物除尘效率低，受粉尘特性变化影响大等局限性，很难达到GB28662—2012《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》规定的颗粒物排放限值为30mg/m3的标准要求，因此烧结机尾电除尘器亟需改造。目前，国内外电除尘器改造的主要方案有电改电、电袋复合、电换袋和电改袋。与其他三种方案相比，电改袋方案具有投资低，对细颗粒物除尘效率高等优势。因此，在工业实践中得到广泛应用。
所谓电改袋，是指保留电除尘器壳体和原有的进气方式，只改变内部结构，从而实现电除尘器到袋式除尘器的改造。以某烧结厂机尾电除尘器为例，传统电改袋除尘器结构如图1所示，该结构保留电除尘器的进气箱、壳体、出气箱和灰斗，在壳体内设有袋室和净气室。虽然该电改袋除尘器运行阻力低，除尘效率高，可以充分利用电除尘器的内部空间，但仍然存在以下不足之处:
1)烟气进入袋式除尘器时的分布状况是影响除尘效率和滤袋寿命的关键因素之一。内部烟气分布不均匀，易导致各滤袋所受负荷不同，且易引起滤袋间碰撞磨损，影响滤袋使用寿命，进而影响除尘器的除尘性能。
2)无法在除尘器运行中更换滤袋。如果其中一个滤袋破损，检查或更换滤袋必须在停机状态下进行，严重影响正常的生产。
针对以上传统电改袋存在的问题，本文提出一种可实现离线清灰，在除尘器运行中更换滤袋，且气流分布均匀的电改袋除尘器，并利用CFX软件对其流场进行数值模拟，为除尘器结构设计和优化提供依据，进而指导工程设计。
1新型电改袋除尘器结构
为了解决传统电改袋气流分布不均匀，无法在除尘器运行中在线更换滤袋等问题，以某烧结厂机尾电除尘器为例，通过以下改造方案可获得新型电改袋除尘器，其结构如图2所示。
1)拆除电除尘器内部的极板、极线、振打装置、横梁和高压电源，保留电除尘器的进气箱、出气箱、壳体、灰斗及输灰系统。
2)在原电除尘器的壳体外两侧对称地设有烟道，烟道通过斜板分隔为进气烟道和出气烟道，烟道两端分别与进气箱、出气箱连通;进气烟道与袋室通过进风管连通。
3)在原电除尘器的壳体内设有花板和隔板，将其内部空间分隔为12个独立的袋室和12个独立的净气室。
4)在进风管内装设蝶阀，在出气烟道上部装设提升阀。
除尘器正常运行时，蝶阀和提升阀均开启，烟气从除尘器入口进入进气箱，流经两侧进气烟道进入袋室，实现烟尘净化，洁净气流则向上进入净气室，并通过出气烟道流入出气箱，排放到除尘器外。当需要更换滤袋时，只需关闭相应袋室对应的蝶阀和提升阀，进行清灰或者换袋操作，其他袋室正常运行。
2电改袋除尘器数值模拟
2.1几何模型及网格划分
本文结合某烧结机尾电改袋工程实例，分别根据图1和图2建立传统电改袋几何模型和新型电改袋几何模型:滤袋总数为2304条，滤袋间距为70mm×90mm，单条滤袋尺寸为160mm×7000mm，设计过滤风速为0.91m/min，当其中一个袋室关闭时，过滤风速为0.99m/min，完全满足袋式除尘器的工作要求。
2.2数学模型
袋式除尘器正常工作过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，在CFX计算时采用的控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程。而除尘器内气体流动为紊流状态，因此必须选取湍流模型进行数值计算。鉴于RNGk-ε模型比标准k-ε模型在模拟湍流流动中有更高的可信度和精度，本文从湍流的实用性考虑，采用RNGk-ε模型来模拟电改袋除尘器流场分布。
2.3边界条件
入口采用速度入口条件，为满足烟气处理量44×104m3/h，入口速度为16.3m/s，出口采用压力出口边界条件，壁面为无滑移壁面，滤袋为多孔介质模型，整个过程为等温过程，模拟中烟气温度为100℃，介质为不可压缩空气。
3结果分析
通过模拟计算分别得到传统电改袋除尘器流场分布图(见图3)和新型电改袋除尘器流场分布图(见图4、图5)。其中，图3分别截取自Y1平面，图4、图5分别截取自X2平面和Y2平面，上述平面分别按图1和图2所示虚线方向截取。
3.1传统电改袋除尘器流场分析
由图3可知:烟气进入传统电改袋除尘器后，以最高15m/s的速度冲击过滤单元前端的挡板，受挡板作用，向下进入过滤单元，在此过程中，烟气中的大颗粒物在惯性和重力作用下落入灰斗，可减缓对滤袋的磨损。烟气进入过滤单元后，大部分以7.5m/s的速度直接冲击前端灰斗壁，在灰斗壁作用下，一部分烟气以最高9m/s的速度流入前端灰斗内，另一部分烟气以最高4.5m/s的速度斜向上流向过滤单元中间区域，同时在前端过滤单元下部和前端灰斗内各形成一个漩涡，灰斗内高速气流和漩涡的存在极易造成二次扬尘，使沉积下来的粉尘再次被带入到过滤单元。而仅有少部分烟气以3m/s的速度流向除尘器末端区域，使得该区域气流速度明显低于中间区域，导致各滤袋所受负荷不同，且易引起滤袋间的碰撞磨损。
3.2新型电改袋除尘器流场分析
由图4可知:与传统电改袋除尘器相比新型电改袋除尘器各袋室流场分布较为一致，正对袋室入口处烟气速度均在10～12m/s，所以，所有过滤单元处理烟气量基本一致，不存在局部单元处理烟气量偏高，而引起过滤负荷不同的问题。
由图5可知:烟气沿进气烟道向下经进风管进入袋室后，烟气以最高12m/s的速度斜向下运动，在运动的过程中速度逐渐减小至6m/s以下，并逐渐以最高4m/s的速度向上扩散，进入过滤单元，实现粉尘的捕集。综合图4和图5:灰斗区域内靠近灰斗上壁面处烟气速度最高为6m/s，其他大部分区域烟气速度小于4m/s，且无漩涡存在，可以有效地防止灰斗二次扬尘的发生;同样滤袋底部附近区域烟气速度分布均匀，均在4m/s以下，基本无偏流现象，能减缓滤袋间碰撞磨损。
4结论
针对传统电改袋除尘器内部气流分布不均匀，无法在运行中更换滤袋等问题，本文提出了一种新型电改袋除尘器，并对流场进行了数值模拟，得到如下结论:
1)在电除尘器壳体外两侧增设烟道，在电除尘器壳体内增设花板和隔板，使得各袋室相互独立，进而有效地控制气流进入袋室，使得在除尘器运行时可以更换滤袋。
2)根据模拟结果，在传统电改袋除尘器滤袋底部区域存在较大的漩涡，易造成灰斗二次扬尘，此外，滤袋底部两端区域气流速度低于中间区域，分布不均匀，影响滤袋过滤负荷，易加剧滤袋的碰撞磨损。而新型电改袋除尘器滤袋底部区域和灰斗区域气流分布均匀，可有效地避免灰斗二次扬尘和滤袋碰撞磨损。
3)该新型电改袋除尘器在实施时，可有效利用原有电除尘器结构，改造成本低，具有应用前景。