高温过滤器用脉冲反吹喷嘴出口流场特性分析

　　0 前言

　　在现代工业生产过程中，涉及含尘气体在高温下直接净化除尘的领域十分广泛，如整体煤气化联合循环(Integrated gasification combined cycle，IGCC)发电系统的高温煤气净化、石油催化裂解装置中高温气体过滤及催化剂的回收、汽车尾气净化高温烟气净化等[1]。高温气体除尘技术的核心是保护后续工艺设备的顺利运行和气体净化。在诸多高温气体净化除尘工艺技术中，介质过滤净化除尘技术有许多显著的优点，在实际操作中多采用多孔陶瓷或金属管式过滤器。管式介质高温气体过滤分为两个过程，即过滤和滤管的再生，滤管的再生大多采用脉冲反吹清灰的方式实现，而喷嘴是脉冲反吹系统的重要部件，国外目前主要采用直管式喷嘴[2-4]。

　　高温工况下，脉冲反吹喷嘴出口的流场特性研究对喷嘴结构的选型、脉冲反吹参数的选择具有重要意义。PITT 和日本电力科学研究院[5-6]认为脉冲压力波形的上升和下降时间与中间压力稳定时间相比很短，中间的为稳态压力波形，在此假设的基础上，将引射器和滤管内流动规律假定为一维稳态流动，利用连续方程、动量方程、能量方程，并假定滤管壁内的流动为层流符合达西公式，采用差分方法计算过滤气速、滤管渗透率、喷嘴直径、引射器喉管直径对滤管内压力大小的影响，并给出了气体引射比及管内轴向速度分布的变化规律。CHIRST[5]利用计算流体动力学软件 FLUENT，将滤管内流体流动假设为二维轴对称、准稳态流场，计算了滤管内轴向速度。

　　实际的脉冲反吹过程则是一个非定常的流动过程，由于试验条件的局限，试验主要在常温工况下进行研究。本文利用计算流体力学软件 FLUENT对不同结构形式喷嘴高温下，脉冲反吹时非定常流动过程进行了计算，分析了脉冲反吹时喷嘴出口流场的特性，为脉冲反吹系统的优化设计提供了理论依据。

　　1 计算方法和试验系统

　　1.1 计算方法及边界条件

　　脉冲反吹流场是圆柱形的空间流场，其气体速度达到声速和超声速。因此将该流场的模型简化为二维轴对称、可压缩湍流流场。使用耦合解算器，湍流模型选用 SPALART 等[7]在 1992 年提出的单方程湍流模型，该模型常用于大梯度、近壁区域的气体流动的数值计算。

　　图1 为计算区域以及边界条件，计算区域取40d×200d(d 为喷嘴喉部直径，文中以下算例计算区域均为此值)。计算区域的入口总压为一给定函数，给定总温和流动方向，出口给定环境压力，对称轴处采用轴对称条件，固体边界采用无滑移绝热固壁边界条件，流场边界给定压力远场条件。