為提升袋式除塵器的處理能力，研究了內外筒式雙層結構濾袋的效能，提出了一些設計及優化雙袋除塵器結構的措施。采用數值計算的方法對普通單筒濾袋除塵器和由其改造而成的雙袋除塵器的內部流場進行了理論模擬研究。結果表明: 雙袋較普通單筒濾袋處理能力有所增加，但增加比例低于其過濾面積的增加比例，雙袋內 部濾袋單位過濾面積所處理的風量低于外部濾袋; 內濾袋未被充分利用，其利用率為 64．08%，高徑比小于 50∶1的內濾袋，利用率較高; 提高袋室入口距離濾袋底部的垂直高度或在除塵器內部設置導流裝置可以提高內濾 袋的利用率。
袋式除塵技術是處理大氣污染的重要環保技術之一。我國的袋式除塵器已基本能滿足工業排放源 粉塵的排放控制要求，是國內實現超低排放的主流 裝置之一，對細顆粒物的減排起到了關鍵性的作用。 目前，隨著我國經濟社會的高速發展，各相關行業對袋式除塵器的處理能力提出了更高要求。如何 提高除塵器的處理能力是工程上亟待解決的一個難 題。雖然增加濾袋長度可以提高煙氣的處理能力，但隨著濾袋長度的增加，除塵器的箱體高度也會提高，設備整體穩定性可能降低，設備制造的鋼耗量也將隨之增加; 其次，濾袋加長后，濾袋底部附近的 氣流上升速度增大，濾袋容易破損。各濾袋處理風量不均勻程度加劇，局部積灰嚴重。因此，研究 和應用一種新型內外筒式雙層結構濾袋是有望解決 上述問題的重要技術途徑之一。內外筒式雙層結構濾袋( 以下簡稱為雙袋) ，是 在普通濾袋內部增設一個較小的、倒置的內部濾袋， 從而形成了外袋外濾、內袋內濾的過濾形式，其結構和過濾原理如圖 1 所示。雙袋的向內延伸的結 構特點，可有效避免為增加濾袋過濾面積( 如增加 濾袋數量或增加濾袋長度) 導致除塵器本體尺寸增 大，帶來除塵器強度和剛度削弱或制造鋼材用量增加的缺點。這種無需對除塵器整體設計框架進行較 大改動，只需經過相關核算后的局部加強再更換這 種新型結構濾袋，即可實現處理能力提升的措施，較適合現有袋式除塵器的設計優化和技術改造。同 時，雙袋的使用可使除塵器有更大的冗余量以滿足 更寬的操作工況要求。
雙袋結構的雛形由 1974 年的美國提出，其旨在充分利用除塵器內部空間，在不改變除塵器總體結構的情況下，只改變濾袋形式來提高除塵器的過濾面積。1985 年我國研制了一種反吹風式雙袋除塵器，其單位箱體容積內的過濾面積比MC 型脈沖袋式除塵器增加了 60%，極大地提高了經濟效益。2011 年美國展示了如何將雙袋應用于脈沖袋式除塵器的方法，并指出雙袋在增加除塵器過濾面積上的優勢。2013 年南昌大學應用 CFD 技術對雙袋進行了研究，其所建雙袋模型較普通單筒袋模型可提高 50%的處理量。已有研究表明: 雙袋確有提高除塵器過濾面積和處理量的技術潛力，但提高的處理量與增加的過濾面積存在何種關系，雙袋內部濾袋的過濾表現如何，雙袋除塵器的處理能力如何計算以及限度的發揮雙袋內部濾袋過濾作用的方法仍需研究。這些問題的解決對于雙袋的選用及雙袋除塵器的結構設計與優化至關重要。針對上述問題，本文對普通袋和雙袋除塵器的過濾過程進行了數值模擬。1 數值仿真模型的建立1．1 幾何模型及網格劃分幾何模型參考課課題組根據產品原型簡化建立的物理模型。模型箱體截面為正方形，邊長 0．8 m，上箱體高 1．5 m，中箱體高 6．5 m，灰斗高 0．5 m。中箱體內放置 9 個濾袋，濾袋橫縱間距分別為 0．23、0．25 m排布方式如圖 2 所示。普通單筒濾袋選取常用的直徑 0．16 m 長度為 6 m 的圓筒型濾袋。雙袋以普通袋為外濾袋，不同高度、直徑的濾袋為內濾袋。選取的內濾袋高度有 1、2、3、4、5 m，內濾袋直徑有 0．04、0．06、0．08、0．1、0．12 m。運用 Gambit 軟件對模型進行參數化建模可以實現模型的快速轉換，出于計算精度和內存的考慮，劃分網格時，濾袋和大部分中箱體劃六面體網格，其余部分劃四面體網格，各模型網格數量均在 100 萬左右。為方便陳述，以Bag0命名普通袋除塵器模型，以 Bagi，j命名各雙袋除塵器模型，其中 i 和 j 分別表示內濾袋的高度和直徑。
1．2 數學模型袋式除塵器內部流場為復雜三維湍流流場，但流體流速較低，為方便計算，假定流體為等溫不可壓縮，作定常流動。本文選用標準 k － ε 模型，控制方程如下:質量守恒方程/動量守恒方程式中: ρ 為氣體密度; ui、uj 為速度分量; xi、xj 為坐標分量; p 為靜壓; τij 為應力張量; gi 為重力加速度分量; Fi 為包含了其他模型的相關源項，如多孔介質和自定義源項。湍動能 k 和耗散率 ε 方程式中: μ 為層流黏性系數; μt 為湍流黏性系數; Gk 為由于平均速度梯度引起的湍動能產生; C1ε 和 C2ε 為經驗常數，C1ε = 1．44，C2ε = 1．92; σk 和 σε 分別為湍動能 k 和耗散率 ε 對應的普朗特數，σk = 1．0，σε =1．3; Sk 和 Sε 為用戶自定義源項。模擬中，濾袋采用多孔跳躍介質模型，在連續相的動量方程中加入附加的黏性損失項，流體穿過介質的壓力降滿足達西滲透定律，表達式為:Δp = － μα v + C212 ρv2( ) Δm
式中: Δp 為流體通過介質的壓力損失; α 為表面滲透系數; v 為垂直介質表面的速度分量; C2 為壓力跳躍系數; Δm 為薄膜厚度。1．3 數值計算方法和邊界條件利用 Fluent 軟件模擬除塵器內流場的分布，采用標準 k － ε 雙方程湍流模型、穩態 3D 分離隱式求解器，壓力 － 速度耦合采用 SIMPLE 算法，對流項選取更高精度的二階迎風離散格式，近壁區處理采用標準壁面函數。流體為 20 ℃ 時的空氣，密度為 1．205 kg·m－ 3。采用速度進口邊界條件，假定進口速度均勻，氣流方向垂直進口端面。由除塵器處理風量可確定入口速度。本文過濾速度取 1 m·min －1。Q = Sv = S1 v1 = S2 v2 ( 6)式中: Q 為處理風量，m3·s－1; S 為普通袋或雙袋過濾面積，m2; v 為過濾速度，m·s－1; S1 為入口面積，m2; v1 為入口速度，m·s－ 1; S2 為出口面積，m2; v2 為出口速度，m·s－1。普通袋過濾面積取濾袋圓筒面積，底面設為壁面。雙袋過濾面積取外濾袋與內濾袋圓筒面積之和，其余部分設為壁面。出口管道斷面采用壓力出口邊界條件，根據某設計院經驗，壓力值取 － 600 Pa。各壁面均設為無滑移壁面。對于入口和出口邊界流域的流動，在湍流方法中，設定湍流強度和水力直徑。其計算公式如下:式中: L 為水力直徑; A 為過流斷面的面積; P 為過流斷面上流體與固體接觸的周長; Ｒe 為雷諾數; v 為截面流體平均速度; I 為湍流強度。濾袋采用多孔跳躍邊界條件。式( 5) 中薄膜厚度為0．8 mm，表面滲透系數為1．688 × 10 －11m2，壓力跳躍系數為 3．81 × 106 m－1［17］。2 數值模擬結果與分析2．1 雙袋的效能分析提取仿真數據并處理得出普通單筒濾袋單位過濾面積處理風量為0．020 09 kg·s－1·m－2，部分雙袋單位過濾面積的平均處理風量及其內濾袋和外濾袋的單位過濾面積處理風量如表 1 所示。從表 1 可知，雙袋單位過濾面積的平均處理風量與普通單筒濾袋單位過濾面積的處理風量基本相同，但由于雙袋結構內置了 1 個倒置的內濾袋，使得其總的過濾面積比普通袋有所增加，因此，雙層結構濾袋可提升煙氣的處理量。另外，還可以看出，雙袋的外濾袋單位過濾面積處理風量大于其內濾袋單位過濾面積處理風量，同時，雙袋的外濾袋單位過濾面積處理風量，也大于普通袋的單位過濾面積處理風量，這樣易造成雙袋的外濾袋負荷增大。由于雙層結構濾袋的外濾袋與普通袋為同種類型的濾袋，因此，為保證雙袋正常工作，外濾袋的單位過濾面積處理風量不應超過普通袋，所以，雙袋較普通袋的處理能力有所增加，但增加比例低于其過濾面積的增加比例。
2．2 內濾袋利用率分析由內濾袋總過濾面積與雙袋總過濾面積的比值可知，內濾袋在雙袋中過濾面積的貢獻度，即內濾袋的理論過濾貢獻度。由內濾袋入口的總質量流量與雙袋出口的總質量流量的比值可知，內濾袋的實際過濾貢獻度。定義 ηi，j 為內濾袋利用率，即內濾袋中實際起過濾作用的面積占內濾袋提供過濾面積的比例，其中 i、j 分別表示利用率相應模型中內濾袋的高度和直徑。在雙袋正常工作的情況下，其計算公式如下:式中: Qin 為內濾袋入口的總質量流量，kg·s－1; Qout為雙袋出口的總質量流量，kg·s－1; Sin 為內濾袋總過濾面積，m2; Sdou 為雙袋總過濾面積，m2。ηi，j 越接近 1 表示內濾袋過濾面積在實際過濾中利用越充分; 反之，越接近 0 說明內濾袋實際起到的過濾作用越小。圖 3 為各種不同高度、直徑的內濾袋的利用率。可以看出，內濾袋利用率為 64．08%，僅為 11．34%。內濾袋直徑為 0．04 m 時內濾袋利用率均低于 45%。整體上，隨著內濾袋高度增加或直徑減少，內濾袋利用率降低。對比分析相同內濾袋面積模型( Bag2，0．12、Bag3，0．08、Bag4，0．06 ) 的利用率可知，內濾袋直徑越大，利用率越高，內濾袋長度越小，利用率越高。因此，為使內濾袋利用更充分，應優選高徑比較小的內濾袋，在本研究的范圍內，適宜的高徑比應小于 50∶1。
2．3 內濾袋利用率修正由 2．1 節可知，相同過濾風速下雙袋外濾袋處理風量在普通袋處理風量之上，假設普通袋在加入內濾袋之后其原有的過濾性能不變，即雙袋的外濾袋與普通袋的處理能力相同，則在普通袋處理量已達到其處理量時，雙袋外濾袋將處在超負荷的工作環境下。為避免此類情況發生，應保持雙袋外濾袋處理風量小于或等于普通袋處理風量。因此，在計算袋室入口風速時，不能將內濾袋過濾面積全部看作雙袋過濾面積的一部分，而應事先為內濾袋假定利用率，記為 ηx，其初始值 η1 可參考本文 2．2節。根據內濾袋的過濾面積與利用率的乘積，可計算出內濾袋的實際過濾面積。以內濾袋實際過濾面積與外濾袋面積之和代替式( 6) 中的 S 計算袋室入口風速，如式( 11) 所示。Q = ( Sout + ηxSin ) v = S1 v1 = S2 v2 ( 11)式中: Sout 為外濾袋過濾面積，m2; Sin 為內濾袋過濾面積，m2; ηx 為第 x 次假定的內濾袋利用率，%; 其余量與式( 6) 相同。使用新的入口風速，重新對雙袋進行仿真計算，比較外濾袋處理量與普通袋處理量的關系。當外濾袋處理量大于或小于普通袋處理量時，分別減小或增大內濾袋利用率再次計算入口風速。經過第 x 次重新計算后，外濾袋處理量近似與普通袋處理量相等時，認為此時的內濾袋利率較為準確，此時的雙袋出口總質量流量即為雙袋除塵器的處理能力。2．4 提高內濾袋利用率方法前述可知，內濾袋利用率普遍較低。內濾袋因被外濾袋包裹，致使氣流只能從濾袋下方進入內濾袋，若氣流在進入除塵器后，沒有充分擴散就到達濾袋底部，極有可能造成內濾袋無法有效發揮作用。通過提高袋室入口中心距離濾袋底部的垂直高度 H可以增加氣流運動的行程，使之擴散更充分。為此，分析了 H 對內濾袋利用率的影響。以 Bag3，0．08 為基礎提高其H值。原模型H值為0 m，分別將其提高至0．1、0．2、0．3 m 建 立 3 個新模型分別命名為Bag3，0．08，0．1、Bag3，0．08，0．2、Bag3，0．08，0．3，如圖 4 所示。
從表2 可看出，隨著 H 的提高，內濾袋利用率相應增加。因此，適當提高袋室入口中心距離濾袋底部的垂直高度有助于提高內濾袋的利用率。由于在除塵器內設置導流裝置可起到優化除塵器內部流場分布的作用，為此分析了導流裝置對內濾袋利用率的影響。 以 Bag3，0．08 為基礎參照文獻［18 － 20］在其濾袋下方分別設置 3 種類型導流裝置分別為豎直板、傾斜板、折流板( 一段傾斜一段豎直) ，如圖 5 所示。板的 2 頭焊在箱體上，模擬時各板均 設 為 壁 面。 新 模 型 分 別 命 名 為 Bag3，0．08，szb、Bag3，0．08，qxb、Bag3，0．08，zlb。
表 3 反映出可以通過在除塵器內增設導流裝置來提高內濾袋利用率，并且不同類型導流裝置對提高內濾袋利用率的效果略有不同。傾斜板的優化效果，折流板其次，最后是豎直板。
為更清晰地了解導流裝置對內濾袋利用率的影響，截取了入口管道對稱面上各模型的速度云圖，如圖 6 所示。
可看出，無導流裝置模型，氣流進入除塵器后順著入口管道方向沖向除塵器壁面，在負壓產生的牽引力以及撞擊壁面產生的回彈力共同作用下沿斜向上運動，袋室內的氣流高速區整體呈現反“c”字形，如圖 6( a) 所示。這種運動將導致大部分氣流傾斜通過內濾袋入口甚至朝水平方向運動。而且，處在氣流高速區的濾袋容易過早破損。比較而言，有導流裝置的模型打破了這種反“c”字形運動。3 種導流裝置均能起到改變氣流運動方向的作用，其中豎直板將氣流途經的區域分隔成幾段，一定程度地限制了氣流左右運動的趨勢，使氣流能在隔板之間的空間向上運動，如圖6( b) 所示。傾斜板不僅能分隔氣流，對來流還有向上托舉的作用，故而氣流能更多地進入內濾袋，如圖 6( c) 所示。折流板則結合了前 2 種導流裝置的功能先托舉再分隔氣流，但其模型的內濾袋利用率介于其他 2 種導流裝置模型之間，高于豎直板低于傾斜板，如圖 6( d) 所示。由于本文研究的導流裝置結構形式有限，其對內濾袋利用率的影響及自身結構的優化還有待進一步研究。但初步的研究已經表明，導流裝置可以提高內濾袋利用率。因導流板并不是承壓部件故可以設計為薄板，因此在除塵器內部增設導流裝置相比提高袋室入口中心距離濾袋底部的垂直高度來提高內濾袋利用率的方法更為經濟，同時避免了箱體由于長度增加穩定性降低。3 結論本文從濾袋過濾效能的角度研究了雙層結構濾袋除塵器，并與普通單筒濾袋除塵器進行了分析比較，得到如下結論。1) 與普通單筒濾袋相比，雙層結構濾袋的處理能力增加，但其增加比例低于其過濾面積增加的比例。雙袋的內外濾袋效能不同，內濾袋單位過濾面積所處理的風量低于外濾袋。2) 雙袋過濾時其內濾袋未被充分利用，內濾袋利用率為 64．08%，為使內濾袋利用率較高，建議選用高徑比小于 50∶1 的內濾袋。3) 通過提高袋室入口中心距離濾袋底部的垂直高度或者在除塵器內設置導流裝置可以提高內濾袋的利用率。
