多管陶瓷过滤器内瞬态流场的计算-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘　要　用雷诺应力模型模拟了含有三根滤管的过滤器内过滤和反吹的整个过程的流场。结果表明,滤管外速度分布是不均匀的。反吹时,滤管开口端附近最容易受到热应力的冲击。计算结果与实验值和文献报道吻合很好,可以用该模型来分析预报陶瓷过滤器内的气体流动情况。
关键词　陶瓷过滤器;过滤;反吹;流场
中图分类号　TQ 028.9　　　文献标识码　A　　　文章编号　1000 6613(2005)08 0905 06
随着环境保护要求的提高,陶瓷过滤器由于过滤精度高和耐高温的特点而被广泛应用于高温气体除尘过程中,用来净化气体或收集气体中的有用固体颗粒。当过滤一段时间后,气体中的颗粒在滤管外表面沉积形成滤饼,使滤管内外压力差增大,这时需要定期地用高压气体反吹,除去滤管外表面的滤饼,使过滤过程持续进行[1,2]。影响过滤器长周期稳定运行的因素还很多,例如滤管热应力破坏、机械应力损坏、滤管之间滤饼架桥等[3]。国内对过滤研究做了大量的工作,分析了反吹系统参数对反吹气体耗量、滤管内外压力、速度的影响,并给出了动力学模型,模拟了单根滤管反吹过程的流场变化[1,4]。张卫东等[5]综述了袋式过滤器及其过滤材料研究进展。康勇等[6]研究了新型过滤膜复合过滤材料,并分析了它的抗堵塞性。国外研究侧重于过滤过程,分析了滤管渗透率对流场和滤饼的积累与去除的影响[7],国外还模拟了燃气蒸气增压流化床(PFBC)中多根陶瓷滤管过滤过程中颗粒的运动轨迹和架桥机理[8]。分析多根滤管过滤反吹全过程的流场,对认识过滤反吹机理、指导过滤反吹过程的设计具有重要意义。
本文作者模拟了含有三根滤管的过滤和反吹过程,给出了反吹其中一根滤管时,反吹滤管内外的流场变化和正常过滤的滤管(不参与反吹的滤管)内流场的变化,计算结果与实验值和文献报道吻合很好。
1　模型及边界条件
1.1　模　型
过滤过程中最大雷诺数达到12 000,反吹时高压气体的速度接近声速,因此流动为湍流,选用了雷诺应力湍流模型RSM,此模型在应用于各项异性的湍流流动时可以较好地预报复杂的流场,计算结果与实验结果和文献报道吻合得比较好。对滤管采用多孔介质模型。过滤过程中压力、温度变化不大,视为不可压缩过程,反吹过程中高压反吹气体快速喷入滤管,使过滤器中的压力变化很大,将反吹过程作为可压缩过程处理。计算中对时间差分选用一阶隐式格式,对流项的离散选用精度较高且具有守恒特性的QUICK格式。
过滤器内的坐标设置和滤管内外取点位置如图1所示,模型中三根滤管按等边三角形排列,滤管中心之间的距离是0.1 m。坐标原点取与滤管底端等高平面的中心,滤管封闭端z=0 m,从封闭端向上z为正。测量点位置由a和s表示。a是相交于被测滤管的中心线的两条直线的逆时针夹角,角的初边平行于x轴,终边通过测量点;s表示测量点与所测滤管外表面的最短距离,当测量点在滤管外时s值为正,反之为负。

1.2　网格划分
图2给出了具有代表性的截面上的网格,由于只反吹一根滤管,另外两根滤管正常过滤,反吹过程结构不对称,建立了三维全尺寸模型。为保证计算精度,在滤管附近及其内部采用结构化六面体网格单元,在入口和集气室区域采用非结构化网格。经过对不同尺度网格的计算和比较,网格总数达460 000时计算结果几乎不再变化,即达到了“网格无关解”。

1.3　边界条件
过滤器入口给定平均速度,被反吹的滤管对应的喷嘴给定一个压力随时间变化的边界条件。壁面处采用标准壁面函数。过滤操作压力是0.3 MPa,过滤气速和温度分别是0.025 m/s和873 K,反吹气体压力和温度分别是0.6 MPa和300 K。
2　结果分析
首先模拟了过滤过程,分析了此过程的流场分布,接着以稳态过滤结果为初始流场,计算了从反吹开始到反吹结束后气体流动恢复到稳态过滤时的状况的整个过程,给出了滤管内外的压力、速度和温度的瞬态变化。
2.1　稳态过滤结果分析
图3是过滤器内不同截面上速度矢量分布,可以看出,气体在过滤器内的流动速度远小于滤管内的速度。过滤器内不同高度处气体的流动情况差别很大。在z=0.5 m截面上,气体沿过滤器壁形成环流;在z=1 m截面上,气体受到滤管外壁的阻挠,在滤管外壁附近形成多个旋涡;在同一高度的截面上,滤管外速度分布也不均匀,靠近过滤器壁一侧的速度值要大于远离过滤器壁处的值。因此,气体携带的颗粒沉积到滤管上形成滤饼时,沿滤管的轴线方向和圆周方向分布都是不均匀的。从图3(c)可以看出,气体进入过滤器后,在向上运动的过程中沿径向穿过滤管孔隙进入滤管,然后向上流动,从滤管开口端出去。滤管内气体速度从封闭端到开口端逐渐增大。
2.2　反吹过程结果分析
反吹从t=1 s开始,喷吹压力在t=1.2 s达到最大值,之后逐渐减小,在t=1.75 s时喷吹结束。
2.2.1　反吹滤管内外的流场分析
反吹滤管内外压力差(滤管中心的静压值与过滤器中心轴线上同一高度的静压值的差值)随时间的变化见图4。为了验证结果的可靠性,图4 (a)将计算结果与实验值进行了对比,因为实验是在没有过滤时反吹,所以反吹开始前和反吹结束后滤管内外压力差与计算值有一些差别,但是计算结果验证了反吹结束后的负压现象,最大压力差与实验值吻合。图4 (b)是反吹滤管内外压力差的变化,压力差沿轴向分布差别不大,只是在反吹气体压力达到最大时,滤管上部(开口端)压力差比1 m以下大3 kPa,压力差的均匀分布有利于均匀清除滤饼。在喷吹快要结束时,反吹滤管内外压力差达到最小值,这个值比正常过滤时的压力差大1倍,这会导致在喷吹结束时回流速度要比正常过滤时大,部分离开滤管表面的小颗粒将重新回到滤管外壁。这是影响刚性陶瓷过滤器稳定运行的原因之一[9]。

图5是含有反吹滤管和过滤滤管的截面内静压(文中提到的静压力都是相对于过滤过程操作压力而言)分布图(左侧是反吹滤管,右侧是正常过滤滤管)。图5 (a)给出了反吹开始(t=1 s时开始反吹)后0.001 s(此时操作时间t=1.001 s)过滤器内的压力变化,此时反吹气体开始进入滤管,滤管内的绝大部分区域和过滤器内整个区域,稳态过滤仍占主导地位,过滤器内的静压值几乎为常数,等于稳态过滤时的压力值,最大压力降低值出现在气体穿过滤管微孔壁的时候。图5 (b)和图5 (c)分别是反吹到0.025 s和0.2 s时的压力云图,反吹滤管内的静压分布比较均匀,从开口端向下稍微有些减小,反吹滤管内外压力差分别是1.5 kPa和30 kPa左右,此时整个滤管内的气体都被压缩,高压反吹气体使穿过被反吹滤管微孔壁的气体流速改变方向,吹掉沉积在滤管表面上的滤饼。在图5(d)中,t=1.5 s,反吹气体量逐渐减小,滤管内压力越来越低,但是,此时滤管内压力仍大于滤管外压力。图5 (e)中t=1.75 s,反吹结束,滤管外的压力要比正常过滤时高很多,这是因为过滤器内的气体没有及时地从过滤滤管出去。图5 (f)给出了反吹结束后的压力云图,此时滤管内外的压力分布都恢复到了稳态过滤时的状况。

图6为不同时刻反吹滤管微孔壁内(s=-5mm,a=0°)径向速度沿轴向位置的变化,滤管上部速度比滤管中部和下部小一些,在中下部,径向速度沿轴向的变化并不明显。喷吹过程中,径向速度沿轴向分布在变化,在反吹开始阶段,滤管上部径向速度比下部小得不多,随着反吹的进行,滤管上部的径向速度与下部相比增加得比较缓慢。在t=1.2 s,反吹压力达最大,此时穿过滤管的径向速度大约是正常过滤时的3倍,以达到除去附着在滤管表面的滤饼的目的。由于滤管内接近开口端的径向速度比中下部的径向速度小很多,此段区域反吹效果稍差。

图7是z=1 m处反吹滤管微孔壁内(距离滤管外壁4 mm)4个周向位置的径向速度比较。从图中可以看出,反吹滤管微孔壁内径向速度沿圆周方向分布均匀。图中给出了从过滤到反吹及反吹结束后流场恢复的整个过程:反吹开始前,滤管微孔壁内速度稳定在-0.03 m/s(负号表示气体从滤管外向滤管内流动);反吹开始后,气体速度迅速减小到零,改变方向后在1.2 s时迅速增大到最大值0.09m/s;随着反吹气体压力降低,径向速度又迅速减小,大约在1.6 s时速度减小到零,气体改变流动方向,速度值快速增大;在反吹结束时即t=1.75s时,速度达到负的最大值-0.045 m/s,此时的速度值比正常过滤时大许多,之后径向速度逐渐恢复到稳态过滤情况。

图8给出了z=1 m处反吹滤管外(s=5 mm)的径向速度变化,滤管外的径向速度随时间的变化趋势与滤管内的径向速度变化趋势相似,径向速度沿圆周方向的分布差别很大,在0°和180°处速度值约等于0.05 m/s,比90°和270°处的速度值(大约为0.09 m/s)小得多。

图9 (a)是反吹滤管内温度的计算结果与文献[10]的比较,尽管模拟参数和文献有所不同(文献中过滤气体温度773 K,反吹时间和反吹压力分别是0.6 s和0.5 MPa),但是滤管内距离滤管闭口端1 m处,温度变化趋势以及恢复到正常过滤的持续时间与文献吻合很好。图9 (b)为反吹滤管内温度分布图,温度从滤管闭口端到开口端越来越低,距离滤管开口端0.1 m处,最低温度降到了500 K,在z=1 m处,温度大约降低了100K,而在z=0.3 m处,滤管内气体温度几乎没有降低。反吹过程中,滤管内的气体温度先增大后降低,原因是,高速反吹气体挤压滤管内的气体,使滤管内气体温度升高,之后随着低温反吹气体进入滤管,滤管内的温度开始降低,这一现象还未见文献报道。从图中还可以看出,高压反吹气体喷入滤管后,挤压滤管内的气体使滤管微孔壁内的径向速度改变反向,吹落滤饼。滤管出口附近区域的温度迅速降低到最小值,温差达到400 K左右,此处滤管最容易受到热应力冲击而损坏。
2.2.2　过滤滤管内的流场分析
图10描述了过滤滤管内外压力差随时间的变化,从滤管闭口端到开口端,压力差越来越大,压力差比过滤时增大许多。主要原因是,反吹气体进入过滤器,使过滤器内的压力升高,过滤滤管内外压差增加。

过滤滤管微孔壁内径向速度沿轴向位置的变化不是很大,如图11所示,径向速度从滤管开口端到滤管封闭端逐渐增大。这一方面是由于过滤时,滤管孔隙内的径向速度分布就具有这一趋势;另一方面,喷吹过程中,反吹滤管内上部气体的温度从开口端到闭口端逐渐增大,因此滤管外气体温度也是从上到下逐渐增高,越接近闭口端气体黏度越大,进入过滤滤管的气体阻力增大,速度减小。

图12是z=1 m高度处过滤滤管内(s= 4mm)4个径向位置(0°, 90°, 180°, 270°)的径向速度随时间变化的比较。滤管内径向速度沿周分布均匀,最大速度(绝对值最大时的负值)出现在t=1.5 s时,比反吹滤管中出现最大速度的时刻(t=1.2 s)大约晚0.3 s。主要原因是,反吹气体穿过反吹滤管进入过滤器以后,再次从滤管出去需要一段时间,使过滤滤管内的最大径向速度值的出现滞后于反吹滤管中的速度值。穿过过滤滤管的气体,除了过滤时本应该从该滤管穿过的气体,还包括反吹气体和原来要进入反吹滤管的过滤气体,因此,穿过过滤滤管的气体速度增加,最大速度值是正常过滤时的2倍左右。

3　结　论
(1)多根滤管过滤过程中,气体在滤管外的流动无论沿圆周方向还是沿轴向方向差别都很大,由此引起的滤饼在滤管表面的沉积是不均匀的。
(2)喷吹过程中,反吹滤管内外压力差沿轴向的分布比较均匀。滤管微孔壁内的径向速度沿圆周方向分布均匀,沿轴向方向变化不大,只是在接近滤管开口端处速度明显减小,这不利于此处的滤饼去除。滤管外气体径向速度沿圆周方向分布变化很大。
(3)正常过滤的滤管的多孔壁内的径向速度沿圆周方向分布均匀,沿轴向差别不大。
(4)反吹滤管开口端附近温度降低最多,最容易受到热应力影响,是在操作过程中容易损坏的部位。

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