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为提升袋式除尘器的处理能力，研究了内外筒式双层结构滤袋的效能，提出了一些设计及优化双袋除尘器结构的措施。采用数值计算的方法对普通单筒滤袋除尘器和由其改造而成的双袋除尘器的内部流场进行了理论模拟研究。结果表明: 双袋较普通单筒滤袋处理能力有所增加，但增加比例低于其过滤面积的增加比例，双袋内 部滤袋单位过滤面积所处理的风量低于外部滤袋; 内滤袋未被充分利用，其利用率为 64．08%，高径比小于 50∶1的内滤袋，利用率较高; 提高袋室入口距离滤袋底部的垂直高度或在除尘器内部设置导流装置可以提高内滤 袋的利用率。

袋式除尘技术是处理大气污染的重要环保技术之一。我国的袋式除尘器已基本能满足工业排放源 粉尘的排放控制要求，是国内实现超低排放的主流 装置之一，对细颗粒物的减排起到了关键性的作用。 目前，随着我国经济社会的高速发展，各相关行业对袋式除尘器的处理能力提出了更高要求。如何 提高除尘器的处理能力是工程上亟待解决的一个难 题。虽然增加滤袋长度可以提高烟气的处理能力，但随着滤袋长度的增加，除尘器的箱体高度也会提高，设备整体稳定性可能降低，设备制造的钢耗量也将随之增加; 其次，滤袋加长后，滤袋底部附近的 气流上升速度增大，滤袋容易破损。各滤袋处理风量不均匀程度加剧，局部积灰严重。因此，研究 和应用一种新型内外筒式双层结构滤袋是有望解决 上述问题的重要技术途径之一。内外筒式双层结构滤袋( 以下简称为双袋) ，是 在普通滤袋内部增设一个较小的、倒置的内部滤袋， 从而形成了外袋外滤、内袋内滤的过滤形式，其结构和过滤原理如图 1 所示。双袋独特的向内延伸的结 构特点，可有效避免为增加滤袋过滤面积( 如增加 滤袋数量或增加滤袋长度) 导致除尘器本体尺寸增 大，带来除尘器强度和刚度削弱或制造钢材用量增加的缺点。这种无需对除尘器整体设计框架进行较 大改动，只需经过相关核算后的局部加强再更换这 种新型结构滤袋，即可实现处理能力提升的措施，较适合现有袋式除尘器的设计优化和技术改造。同 时，双袋的使用可使除尘器有更大的冗余量以满足 更宽的操作工况要求。

双袋结构的雏形由 1974 年的美国提出，其旨在充分利用除尘器内部空间，在不改变除尘器总体结构的情况下，只改变滤袋形式来提高除尘器的过滤面积。1985 年我国研制了一种反吹风式双袋除尘器，其单位箱体容积内的过滤面积比MC 型脉冲袋式除尘器增加了 60%，极大地提高了经济效益。2011 年美国展示了如何将双袋应用于脉冲袋式除尘器的方法，并指出双袋在增加除尘器过滤面积上的优势。2013 年南昌大学应用 CFD 技术对双袋进行了研究，其所建双袋模型较普通单筒袋模型可提高 50%的处理量。已有研究表明: 双袋确有提高除尘器过滤面积和处理量的技术潜力，但提高的处理量与增加的过滤面积存在何种关系，双袋内部滤袋的过滤表现如何，双袋除尘器的处理能力如何计算以及限度的发挥双袋内部滤袋过滤作用的方法仍需研究。这些问题的解决对于双袋的选用及双袋除尘器的结构设计与优化至关重要。针对上述问题，本文对普通袋和双袋除尘器的过滤过程进行了数值模拟。1 数值仿真模型的建立1．1 几何模型及网格划分几何模型参考课课题组根据产品原型简化建立的物理模型。模型箱体截面为正方形，边长 0．8 m，上箱体高 1．5 m，中箱体高 6．5 m，灰斗高 0．5 m。中箱体内放置 9 个滤袋，滤袋横纵间距分别为 0．23、0．25 m排布方式如图 2 所示。普通单筒滤袋选取常用的直径 0．16 m 长度为 6 m 的圆筒型滤袋。双袋以普通袋为外滤袋，不同高度、直径的滤袋为内滤袋。选取的内滤袋高度有 1、2、3、4、5 m，内滤袋直径有 0．04、0．06、0．08、0．1、0．12 m。运用 Gambit 软件对模型进行参数化建模可以实现模型的快速转换，出于计算精度和内存的考虑，划分网格时，滤袋和大部分中箱体划六面体网格，其余部分划四面体网格，各模型网格数量均在 100 万左右。为方便陈述，以Bag0命名普通袋除尘器模型，以 Bagi，j命名各双袋除尘器模型，其中 i 和 j 分别表示内滤袋的高度和直径。

1．2 数学模型袋式除尘器内部流场为复杂三维湍流流场，但流体流速较低，为方便计算，假定流体为等温不可压缩，作定常流动。本文选用标准 k － ε 模型，控制方程如下:质量守恒方程/动量守恒方程式中: ρ 为气体密度; ui、uj 为速度分量; xi、xj 为坐标分量; p 为静压; τij 为应力张量; gi 为重力加速度分量; Fi 为包含了其他模型的相关源项，如多孔介质和自定义源项。湍动能 k 和耗散率 ε 方程式中: μ 为层流黏性系数; μt 为湍流黏性系数; Gk 为由于平均速度梯度引起的湍动能产生; C1ε 和 C2ε 为经验常数，C1ε = 1．44，C2ε = 1．92; σk 和 σε 分别为湍动能 k 和耗散率 ε 对应的普朗特数，σk = 1．0，σε =1．3; Sk 和 Sε 为用户自定义源项。模拟中，滤袋采用多孔跳跃介质模型，在连续相的动量方程中加入附加的黏性损失项，流体穿过介质的压力降满足达西渗透定律，表达式为:Δp = － μα v + C212 ρv2( ) Δm

式中: Δp 为流体通过介质的压力损失; α 为表面渗透系数; v 为垂直介质表面的速度分量; C2 为压力跳跃系数; Δm 为薄膜厚度。1．3 数值计算方法和边界条件利用 Fluent 软件模拟除尘器内流场的分布，采用标准 k － ε 双方程湍流模型、稳态 3D 分离隐式求解器，压力 － 速度耦合采用 SIMPLE 算法，对流项选取更高精度的二阶迎风离散格式，近壁区处理采用标准壁面函数。流体为 20 ℃ 时的空气，密度为 1．205 kg·m－ 3。采用速度进口边界条件，假定进口速度均匀，气流方向垂直进口端面。由除尘器处理风量可确定入口速度。本文过滤速度取 1 m·min －1。Q = Sv = S1 v1 = S2 v2 ( 6)式中: Q 为处理风量，m3·s－1; S 为普通袋或双袋过滤面积，m2; v 为过滤速度，m·s－1; S1 为入口面积，m2; v1 为入口速度，m·s－ 1; S2 为出口面积，m2; v2 为出口速度，m·s－1。普通袋过滤面积取滤袋圆筒面积，底面设为壁面。双袋过滤面积取外滤袋与内滤袋圆筒面积之和，其余部分设为壁面。出口管道断面采用压力出口边界条件，根据某设计院经验，压力值取 － 600 Pa。各壁面均设为无滑移壁面。对于入口和出口边界流域的流动，在湍流指定方法中，设定湍流强度和水力直径。其计算公式如下:式中: L 为水力直径; A 为过流断面的面积; P 为过流断面上流体与固体接触的周长; Ｒe 为雷诺数; v 为截面流体平均速度; I 为湍流强度。滤袋采用多孔跳跃边界条件。式( 5) 中薄膜厚度为0．8 mm，表面渗透系数为1．688 × 10 －11m2，压力跳跃系数为 3．81 × 106 m－1［17］。2 数值模拟结果与分析2．1 双袋的效能分析提取仿真数据并处理得出普通单筒滤袋单位过滤面积处理风量为0．020 09 kg·s－1·m－2，部分双袋单位过滤面积的平均处理风量及其内滤袋和外滤袋的单位过滤面积处理风量如表 1 所示。从表 1 可知，双袋单位过滤面积的平均处理风量与普通单筒滤袋单位过滤面积的处理风量基本相同，但由于双袋结构内置了 1 个倒置的内滤袋，使得其总的过滤面积比普通袋有所增加，因此，双层结构滤袋可提升烟气的处理量。另外，还可以看出，双袋的外滤袋单位过滤面积处理风量大于其内滤袋单位过滤面积处理风量，同时，双袋的外滤袋单位过滤面积处理风量，也大于普通袋的单位过滤面积处理风量，这样易造成双袋的外滤袋负荷增大。由于双层结构滤袋的外滤袋与普通袋为同种类型的滤袋，因此，为保证双袋正常工作，外滤袋的单位过滤面积处理风量不应超过普通袋，所以，双袋较普通袋的处理能力有所增加，但增加比例低于其过滤面积的增加比例。

2．2 内滤袋利用率分析由内滤袋总过滤面积与双袋总过滤面积的比值可知，内滤袋在双袋中过滤面积的贡献度，即内滤袋的理论过滤贡献度。由内滤袋入口的总质量流量与双袋出口的总质量流量的比值可知，内滤袋的实际过滤贡献度。定义 ηi，j 为内滤袋利用率，即内滤袋中实际起过滤作用的面积占内滤袋提供过滤面积的比例，其中 i、j 分别表示利用率相应模型中内滤袋的高度和直径。在双袋正常工作的情况下，其计算公式如下:式中: Qin 为内滤袋入口的总质量流量，kg·s－1; Qout为双袋出口的总质量流量，kg·s－1; Sin 为内滤袋总过滤面积，m2; Sdou 为双袋总过滤面积，m2。ηi，j 越接近 1 表示内滤袋过滤面积在实际过滤中利用越充分; 反之，越接近 0 说明内滤袋实际起到的过滤作用越小。图 3 为各种不同高度、直径的内滤袋的利用率。可以看出，内滤袋利用率为 64．08%，仅为 11．34%。内滤袋直径为 0．04 m 时内滤袋利用率均低于 45%。整体上，随着内滤袋高度增加或直径减少，内滤袋利用率降低。对比分析相同内滤袋面积模型( Bag2，0．12、Bag3，0．08、Bag4，0．06 ) 的利用率可知，内滤袋直径越大，利用率越高，内滤袋长度越小，利用率越高。因此，为使内滤袋利用更充分，应优选高径比较小的内滤袋，在本研究的范围内，适宜的高径比应小于 50∶1。

2．3 内滤袋利用率修正由 2．1 节可知，相同过滤风速下双袋外滤袋处理风量在普通袋处理风量之上，假设普通袋在加入内滤袋之后其原有的过滤性能不变，即双袋的外滤袋与普通袋的处理能力相同，则在普通袋处理量已达到其处理量时，双袋外滤袋将处在超负荷的工作环境下。为避免此类情况发生，应保持双袋外滤袋处理风量小于或等于普通袋处理风量。因此，在计算袋室入口风速时，不能将内滤袋过滤面积全部看作双袋过滤面积的一部分，而应事先为内滤袋假定利用率，记为 ηx，其初始值 η1 可参考本文 2．2节。根据内滤袋的过滤面积与利用率的乘积，可计算出内滤袋的实际过滤面积。以内滤袋实际过滤面积与外滤袋面积之和代替式( 6) 中的 S 计算袋室入口风速，如式( 11) 所示。Q = ( Sout + ηxSin ) v = S1 v1 = S2 v2 ( 11)式中: Sout 为外滤袋过滤面积，m2; Sin 为内滤袋过滤面积，m2; ηx 为第 x 次假定的内滤袋利用率，%; 其余量与式( 6) 相同。使用新的入口风速，重新对双袋进行仿真计算，比较外滤袋处理量与普通袋处理量的关系。当外滤袋处理量大于或小于普通袋处理量时，分别减小或增大内滤袋利用率再次计算入口风速。经过第 x 次重新计算后，外滤袋处理量近似与普通袋处理量相等时，认为此时的内滤袋利率较为准确，此时的双袋出口总质量流量即为双袋除尘器的处理能力。2．4 提高内滤袋利用率方法前述可知，内滤袋利用率普遍较低。内滤袋因被外滤袋包裹，致使气流只能从滤袋下方进入内滤袋，若气流在进入除尘器后，没有充分扩散就到达滤袋底部，极有可能造成内滤袋无法有效发挥作用。通过提高袋室入口中心距离滤袋底部的垂直高度 H可以增加气流运动的行程，使之扩散更充分。为此，分析了 H 对内滤袋利用率的影响。以 Bag3，0．08 为基础提高其H值。原模型H值为0 m，分别将其提高至0．1、0．2、0．3 m 建 立 3 个新模型分别命名为Bag3，0．08，0．1、Bag3，0．08，0．2、Bag3，0．08，0．3，如图 4 所示。

从表2 可看出，随着 H 的提高，内滤袋利用率相应增加。因此，适当提高袋室入口中心距离滤袋底部的垂直高度有助于提高内滤袋的利用率。由于在除尘器内设置导流装置可起到优化除尘器内部流场分布的作用，为此分析了导流装置对内滤袋利用率的影响。 以 Bag3，0．08 为基础参照文献［18 － 20］在其滤袋下方分别设置 3 种类型导流装置分别为竖直板、倾斜板、折流板( 一段倾斜一段竖直) ，如图 5 所示。板的 2 头焊在箱体上，模拟时各板均 设 为 壁 面。 新 模 型 分 别 命 名 为 Bag3，0．08，szb、Bag3，0．08，qxb、Bag3，0．08，zlb。

表 3 反映出可以通过在除尘器内增设导流装置来提高内滤袋利用率，并且不同类型导流装置对提高内滤袋利用率的效果略有不同。倾斜板的优化效果，折流板其次，最后是竖直板。

为更清晰地了解导流装置对内滤袋利用率的影响，截取了入口管道对称面上各模型的速度云图，如图 6 所示。

可看出，无导流装置模型，气流进入除尘器后顺着入口管道方向冲向除尘器壁面，在负压产生的牵引力以及撞击壁面产生的回弹力共同作用下沿斜向上运动，袋室内的气流高速区整体呈现反“c”字形，如图 6( a) 所示。这种运动将导致大部分气流倾斜通过内滤袋入口甚至朝水平方向运动。而且，处在气流高速区的滤袋容易过早破损。比较而言，有导流装置的模型打破了这种反“c”字形运动。3 种导流装置均能起到改变气流运动方向的作用，其中竖直板将气流途经的区域分隔成几段，一定程度地限制了气流左右运动的趋势，使气流能在隔板之间的空间向上运动，如图6( b) 所示。倾斜板不仅能分隔气流，对来流还有向上托举的作用，故而气流能更多地进入内滤袋，如图 6( c) 所示。折流板则结合了前 2 种导流装置的功能先托举再分隔气流，但其模型的内滤袋利用率介于其他 2 种导流装置模型之间，高于竖直板低于倾斜板，如图 6( d) 所示。由于本文研究的导流装置结构形式有限，其对内滤袋利用率的影响及自身结构的优化还有待进一步研究。但初步的研究已经表明，导流装置可以提高内滤袋利用率。因导流板并不是承压部件故可以设计为薄板，因此在除尘器内部增设导流装置相比提高袋室入口中心距离滤袋底部的垂直高度来提高内滤袋利用率的方法更为经济，同时避免了箱体由于长度增加稳定性降低。3 结论本文从滤袋过滤效能的角度研究了双层结构滤袋除尘器，并与普通单筒滤袋除尘器进行了分析比较，得到如下结论。1) 与普通单筒滤袋相比，双层结构滤袋的处理能力增加，但其增加比例低于其过滤面积增加的比例。双袋的内外滤袋效能不同，内滤袋单位过滤面积所处理的风量低于外滤袋。2) 双袋过滤时其内滤袋未被充分利用，内滤袋利用率为 64．08%，为使内滤袋利用率较高，建议选用高径比小于 50∶1 的内滤袋。3) 通过提高袋室入口中心距离滤袋底部的垂直高度或者在除尘器内设置导流装置可以提高内滤袋的利用率。