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                      除尘器

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟

                      作者:郑州快三投注环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-03-11 10:43:43

                      摘要:采用计算流体力学方法对2×330MW的布袋除尘器进行三维数值模拟分析,考察整个除尘系统的烟气流量分配、速度及压力的内部分布规律。通过对烟道入口和进风支管导流板的优化设置,使3个除尘室18个除尘单元内的烟气流量分布情况得到了极大改善,烟气流量分配系数控制在1±0.05之内。这一方法及结果可为同类除尘器中导流板的设计和改进提供参考。

                      关键词:布袋除尘器;三维流场;导流板;数值模拟

                      布袋除尘器是近年来发展起来的一种高效除尘装置,主要用于烟尘排放较高的燃煤电厂除尘、高压静电除尘器改造项目、燃用低硫煤和烟气粉尘比电阻高的燃煤电厂烟气除尘、干法和半干法烟气脱硫系统的烟气除尘、循环硫化床锅炉的烟气除尘以及冶金、化工、水泥、垃圾焚烧、烟气净化等场合的除尘,具有除尘效率高、运行稳定、造价较低、管理简单以及维修方便等优点。

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟10.JPG

                      布袋除尘器内部流场是复杂的三维流场,如果内部烟气分布不均匀,则会影响其运行的稳定性,造成除尘室内某个区域的布袋更容易破损,气流流动阻力降低,导致滤袋更大区域的破损,大幅降低除尘效率,并增大除尘器的维护费用。由于工业布袋除尘器系统结构复杂,很难从实验角度获取更详细的内部流场信息。但随着计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术的兴起,采用计算流体力学研究布袋式除尘器内部烟气流动规律可以有效减少模拟实验的次数甚至不需要模拟实验。通过计算流体力学技术可优化布袋除尘器内部结构,比如改变布袋分布位置、增加烟气入口导流板以及除尘室与灰斗处挡板等,以便得到更均匀的气、固两相分布流场,为布袋除尘器的实验和优化设计提供可靠依据,极大地节省设计时间及费用。因此,笔者利用计算流体力学技术对某工程2×330MW的布袋除尘器进行三维流场的数值模拟,考察整个除尘系统的烟气流量分配、速度及压力的内部分布规律,以期为布袋除尘器中导流板的设计、运行和改进提供理论依据。

                      1 分析模型

                      1.1 模型

                      数值模拟分析的对象为2×330MW的布袋除尘器系统,布袋除尘器设计压力小于1200Pa,设计温度为165℃,除尘效率大于99.9%。该系统布置有左、右对称的2个结构完全相同的除尘装置,两部分共用一个入口烟道和出口烟道,出口、入口烟道由风道隔板隔成上、下2个独立的通道。布袋除尘器的左部结构示意见图1,图1中箭头方向为烟气流程中烟气的流动方向。

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟1.JPG

                      主烟道入口尺寸为4m×5m(图1所示为烟道尺寸的一半,即2m×5m),在烟道入口处布置了部分导流板以尽量将烟气均匀分布到各个进风支管,各进风支管内也适当布置导流板,以保证进入除尘室的烟气分布更均匀。烟气经进风支管的再分配后进入除尘室下部,每个除尘室匹配两组进风支管,除尘室的高度约10m。之后含尘烟气上行通过布袋过滤进入净气室。该布袋除尘系统采用一个烟道两侧布置除尘室的方式,每一侧设有3个相互独立的除尘室并分别配置灰斗,更便于工程操作及维护。每个除尘室的内部又分为6组除尘单元(1~6、7~12、13~18),具体编号见图2,下部编号1~6为进风支管的编号。

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟2.JPG

                      除尘室内的每个除尘单元内部设有纵横布置的112个布袋,布袋直径为0.16m,高8m。净气室和除尘室之间由花板密封隔离,布袋则固定悬挂在花板之下。除尘后干净的烟气流经9个开启的出口离线阀离开除尘系统,出口离线阀的编号见图3。净气室的高度为1.5m,通道直径为1.4m。正常操作工况下,出口离线阀向上开启0.5m,以保证烟气正常流出。

                      1.2 网格划分

                      模型网格采用分块稀疏处理办法,全部用结构化六面体网格构建,利于数值收敛,数值误差较小。网格数量约为320万个。

                      1.3 湍流模型

                      燃煤烟气中固体粉尘的体积分数很小(小于0.1%),而且其直径较小(小于100μm),因此这些粉尘有较强的跟随性,对气相流动的影响基本可以忽略,故采用单一气相模型即可较真实地反映烟气流动及分布状况,并节省计算时间。布袋除尘器中,烟气在烟道内的速度一般为15m/s,但在布袋除尘室内,一般要求流速低于2.5m/s。烟气温度在130℃左右,烟气在烟道内和布袋除尘器室内均为湍流流动(Re>6000),即使在50%的负荷情况下,也为湍流流动,对流场影响不大,故而在模拟研究中,仅对100%负荷进行研究。湍流模型选用标准k2ε模型,其中经验参数Cmu=0.09、C1-ε=1.44、C2-ε=1.92。

                      1.4 边界条件

                      布袋除尘器流场的数值模拟中,最重要的是布袋模型边界的设置。本例布袋模型边界设置为多孔跳跃边界。多孔跳跃条件用于模拟已知速度或者压降特征的薄膜,适应于布袋这种薄膜状多孔介质。

                      多孔跳跃边界条件在本质上是单元区域的多孔介质模型的一维简化,具有很好的鲁棒性和收敛性。薄膜介质厚度是有限的,通过它的压力变化(Δp)定义为Darcy定律和附加内部损失项的结合:

                      Δp=μ/K×u+1/2×ρu2C2Δm  (1)

                      式中,μ为流体动力粘度,Pa·s;C2为压力跳跃系数,1/m;u为垂直于介质表面的速度分量,m/s;Δm为薄膜厚度,m;K为介质的渗透系数,m2;ρ为流体密度,kg/m3。

                      1.5 模拟方案

                      假设流体作定常流动且整个流动过程为等温过程,烟气为不可压缩流体。

                      模拟方案为:首先通过数值模拟比较没有任何导流板(工况1)、仅在进风支管处设置导流板(工况2)以及在入口烟道处和进风支管处均设置导流板(工况3)这3种工况条件下的结果。然后在工况3的基础上进行优化,方法是调整导流板的形式和角度,通过对调整导流板形式和角度得到的不同模拟结果进行对比,确定最终的导流板布置方案,以便为工程设计提供参考的依据。

                      2 计算结果及分析

                      2.1 流量分配系数

                      流量分配系数对于布袋除尘器内部各个除尘室及除尘单元是一个重要的参数指标。假设各个流通通道气流流量相等,则各个流道实际的流量分配系数按下式计算:

                      Ki=qVi×qV/n  (2)

                      式中,qV为总体积流量,qVi为第i个通道的体积流量,m3/s;n为流通通道总数;Ki为第i个通道的流量分配系数。Ki值越接近1,表明烟气气流分配越均匀。

                      模拟计算得到的3种工况下各个通道的流量分配系数见图4。

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟3.JPG

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟4.JPG

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟5.JPG

                      图4a是6个进风支管的流量分配系数。比较3种工况,进风支管处的导流板相对烟道入口处的导流板作用小,烟气必须首先通过入口处的导流板再分配,才能将烟气在各个进风支管分配均匀。图4b是3个除尘室内18个除尘单元的流量分配系数,各个除尘室之间烟气流量分配并不均匀,但在每个独立的除尘室内各个除尘单元的烟气流量分布则基本均匀。由于入口烟道和出口烟道之间设置了斜隔板,入口处导流板的布置对各个除尘室的流量分配影响很大,工况1和工况2的变化幅度不大,而工况3则较前两者有较大的改善。图4c是9个出口离线阀的流量分配系数。烟气流量并不受烟气入口及进风支管处导流板的影响,3种工况的结果基本一致。离烟道出口越远,烟气流量越小,基本呈线性减少,最远端的流量最小。

                      2.2 速度分布

                      在各个进风支管内导流板布置方式和角度均一致的条件下得到的工况3中不同进风支管处平面的速度分布云图见图5。由图5可比较直观地获得布袋除尘器内部介质的流动情况,也可以看出因烟气分布不同而产生的流场的细微变化。通过对比各个不同进风支管平面的速度分布,可以改变实际工程操作中导流板的角度,也可根据进风支管的相对位置来改变其内部的导流板方向,使得烟气进入除尘室底部时尽量分布均匀且不直吹灰斗部分,以免沉积的灰分颗粒再次吹起,增加布袋除尘器的负荷,影响其效率和能耗。

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟6.JPG

                      2.3 压力分布

                      工况3中支管处和除尘器纵剖面的静压分布云图见图6。由图6可以看出,压力降主要集中在布袋内外、除尘室和净气室上下及出口离线阀3个区域,压力降总值约为1100Pa。烟气从进风支管进入除尘室下部之后总体向上流动,布袋阻力大,烟气遇到布袋后只有很少一部分能穿过布袋,大部分的烟气则沿布袋边壁向上,直到花板处。因烟气流量分配及流向原因,各个除尘单元的压力降略有不同。

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟7.JPG

                      3 改进方案研究

                      在保持进风支管内导流板不变的情况下,优化烟道入口处的导流板布置方案及角度能使烟气更均匀地分布在各个除尘室内。入口共布置5块导流板,和斜隔板的角度各不相同,依据烟气流场及其分配系数来调整各个导流板之间相互的角度,以达到均匀分布的目的。烟道入口处2种不同导流板布置方案的速度分布对比云图见图7。可以看出,图7a中最左边的进风支管的流量分布偏低,则通过减少最上方2块导流板的角度来增加其流量分布系数。同样,通过加大最下方2块导流板的角度来增加右边进风支管的烟气流量。

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟8.JPG

                      每次导流板角度的调整幅度控制在1°之内。包括工况3在内进行的调整优化等5种不同导流板配置(工况3~工况7)的18个除尘单元的烟气流量分配系数示意图见图8。由图8可以看出,工况7的烟气流量分布已经比较均匀,最大波动幅度控制在0.05之内,该导流板设计方案为最优。均匀的流量分布不仅可使除尘器各部分发挥良好的收尘作用,也可有效地减少滤袋的磨损。

                      工业布袋除尘器三维流场的数值模拟9.JPG

                      4 结语

                      通过对整个除尘系统进行三维数值模拟,采用标准k-ε湍流模型,以多孔跳跃边界条件模拟布袋内外的压力变化,内置高8m布袋的除尘系统的压力降在1100Pa左右。分析除尘器内烟气流场分布的规律,并通过对烟道入口导流板的优化设置,导流板布置角度改变控制在1°之内,逐步使除尘室内各个除尘单元内的烟气流量分布得以改善,烟气流量分配系数最终控制在1±0.05之内。

                      有关更多工业布袋除尘器三维流场的数值模拟的信息,请联系郑州快三投注环保的工程师13322814846。