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技術交流  

生物質能電廠袋式除塵器流場的數值模擬
發布者:admin  發布時間:2010-9-30 18:36:03  點擊:2958

 

張靜1  郁金星2  胡滿銀1  尹琦1

(1華北電力大學環境科學與工程學院;2 河北省電力研究院)

 

    本文利用計算流體軟件FLUENT對某75t/h循環流化床鍋爐的燃煤煙氣和燃生物質煙氣在袋式除塵器中的氣流分布進行了數值模擬。由計算結果可知,袋式除塵器未采取氣流分布措施時,燃煤和燃生物質時的氣流分布不均勻現象均很明顯,燃煤時的流場比燃生物質時紊亂;采取氣流分布措施后流場的均勻性得到明顯改善,煙氣在導流板中間區域大顆粒和小顆粒分離分布在了左右兩側,且都是在繞流。該模擬結果可為生物質能電廠袋式除塵器的設計和運行提供參考。

關鍵詞  袋除塵  流場  數值模擬

1  引言

生物質發電技術是近年來發展比較迅速且可靠的一種生物質能利用技術,隨著生物質電廠的普及,生物質電廠的污染情況也越來越受到人的重視。由于生物質相對于煤,氮和硫元素的含量要小很多,所以燃燒后NOx、SO2等煙氣污染物的排放量比煤要低,排放的主要污染物是粉塵。生物質燃燒排放的粉塵多是PM10以下的粉塵,能懸浮在大氣中,嚴重影響著大氣環境質量,更嚴重的是其中有大部分顆粒是危害人類健康的PM2.5以下的微細粉塵。FLUENT軟件是用于計算流體流動和傳熱問題的程序,它通過計算機數值計算將時間域和空間域上連續的物理量的場,用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替,然后通過求解代數方程組獲得描述流場變量的近似解。采用CFD數值分析方法研究袋式除塵器內部氣體流動規律,可以減少模擬試驗的次數,甚至不需要模擬試驗,并能解決一些因客觀條件限制難以解決的問題。本文利用CFD商業軟件FLUENT對袋式除塵器處理生物質燃燒煙氣進行了模擬計算,并和燃煤煙氣的處理結果進行了分析比較。

2  物理模型和邊界條件

2.1  計算區域及網格劃分

本課題中研究的除塵器為下進風外濾式袋除塵器,分為上下兩個箱體,上箱體為長方體,長4.98m、寬2.38m、高6.2m;下箱體為倒四棱錐臺形,高2m底面長3m、寬1.6m。進風管位于箱體底面中心偏上位置(距底面1.2m)直徑0.5m,上箱體中共設置4組濾袋,每組4排,每排9條濾袋。濾袋為圓柱形直徑160mm、袋長5m

本次設計中對除塵器進行了一定的簡化并且用結構/非結構的混合網格對模型進行網格劃分,共將除塵器劃分了60萬網格。

計算中將144個濾袋簡化成36個按對稱線對稱分布的大濾袋,簡化濾袋與原濾袋等高,每個簡化濾袋的直徑按下式計算得到:

                                                            (公式1)

其中D’—— 簡化濾袋的直徑;

    D —— 原濾袋的直徑。

簡化計算區域,根據計算區域的對稱性只取計算區域的一半。

簡化后的模型如圖1所示,根據公式1可得袋徑320mm,其中間距200mm*200mm

為了使袋室內的氣流分布更均勻地提高除塵效率,本課題對原除塵器模型進行了改進,在除塵器下箱體中煙氣入口和濾袋底部之間加了一個導流板(如圖2),并對該進后的效果進行了模擬計算。

                                    

                     圖1  除塵器模型簡圖                                     2   改進后除塵器模型簡圖

2.2   數值方法和邊界條件

本文利用fluent軟件模擬計算的三維穩態工況,采用SIMPLE方法求解N-S方程,氣固兩相間的湍流計算采用標準κε湍流模型,粉塵顆粒的軌跡場采用基于拉格朗日得隨機顆粒軌道方法。在對守恒方程選用離散格式時,對于動量方程采用一階上風格式,用Simple方法來處理壓力-速度的耦合,為了方程離散時的便利,同時在不影響數值精度的前提下,對能量方程、湍動能方程、湍能耗散率方程和平均混合分率方程都采用了一階上風格式。

本文在計算時生物質煙氣量為Q=14x104m3/h,得入口風速為24.8m/s,過濾風速取1m/min,布袋滲透率為1.89e-12。固體顆粒相即生物質煙氣中灰分的質量流量為0.05kg/s,平均粒徑d=1.5e-6m;密度ρ為600 kg/m3。在計算燃煤煙氣時煙氣量Q=18x104m3/h,得除塵其入口風速為31.8m/s,濾袋的過濾風速仍取1m/min,布袋滲透率為1.89e-12。固體顆粒相即生物質煙氣中灰分的質量流量為0.1kg/s,平均粒徑d=10e-6m;密度ρ為3500kg/m3。

3  結果及分析

3.1  原除塵器模擬

3.1.1 生物質煙氣

            

                 Z=0                        Z=0.26m                      Z=0.5m                     Z=0.9m

3  與對稱面平行的各截面上的壓力場分布圖

    由圖3可以看出除塵器內的壓力場分布并不是特別均勻,只有在Z=0截面(即對稱面)上每條布袋的上下位置處壓力大小較均勻,但對稱面處自左向右壓力卻有明顯增大的趨勢,即水平方向上壓力分布不均勻。其余截面自上而下壓力都有一個明顯的跳躍式增大,而且水平方向上也是自左向右有增大的趨勢。但是以自上而下壓力場發生跳躍的位置為界分為上下兩部分,則兩部分各自的等壓力線分布還是比較均勻的。總體上來說這個壓力場分布不是特別理想。

           

     Z=0                         Z=0.26m                    Z=0.5m                        Z=0.9m

4 與對稱面平行的各截面上的速度場分布圖

                           

                Z=0.3m                                  Z=0.8m

                   5  與對稱面平行截面上的速度矢量圖                         6 除塵器內顆粒軌跡圖

    由圖4、圖5可以看出,在除塵器內靠近入口處底部有一個速度明顯較大的區域,這對濾袋底部的沖刷比較強烈,容易造成濾袋的提前破損,隨著Z值(離對稱面的距離)逐漸變大情況有所改善,但是整個截面上的速度場分布變化得越來越劇烈。Y=0.5m處的截面是兩排濾袋的縫隙處,可以看出有很大一部分靠近兩邊濾袋的區域速度達到了12m/s,這對濾袋的損害也是很大的。總體上看,濾袋內越靠近出口速度越高,整個除塵器內右側靠近入口處的速度分布更高一些,分布不是很均勻,這和壓力分布也是能對應起來的。

6為從除塵器入口隨即跟蹤的63顆粒子的示意圖,可以看出整個除塵器內兩側以較小顆粒為主,較大顆粒則集中在中間區域,從進口到達最遠處的顆粒為粒徑最小的那部分,可以認為較小顆粒的相對速度比大顆粒的更大一些。大小顆粒都是以垂直向上的速度為主,只在上部有很小的一部分小顆粒產生回旋,和濾袋不能充分接觸,不易被收集。由于小顆粒的相對速度較大,所以在除塵器上部產生回旋的大部分為小顆粒。

3.1.2 燃煤煙氣模擬

            

                Z=0                          Z=0.3m                        Z=0.5m                       Z=0.9m

7  與對稱面平行截面上的壓力場分布圖

    由圖7所示,隨著距對稱面越來越遠的截面壓力場的分布變化不是特別大,即在Z方向上壓力場的分布是相對比較均勻的。但是在X方向和Y方向上的分布則是不均勻的,在Y方向不同截面都是在中間區域有一個較大的壓力場把整個截面分開,分界處的壓力跳躍比較明顯,X方向同樣如此??傮w說來整個除塵器內的壓力場分布不是很均勻。

            

                 Z=0                         Z=0.26m                     Z=0.5m                       Z=0.9m

                                     圖8  與對稱面平行截面上的速度場分布圖

                           

                      Z=0.4m                         Z=1.0m

                                               9  與對稱面平行截面上的速度矢量圖                                10 燃煤煙氣除塵器內顆粒軌跡圖

如圖8所示,各個截面均是在靠近入口的濾袋底部和靠近濾袋出口的上部有一個較明顯的高風速區域,這很容易導致濾袋的提前破損。從速度矢量圖9可以看出在除塵器內出現了多個漩渦,尤其是在下箱體內靠近濾袋底部區域處。

總體看來,燃煤煙氣和燃生物質煙氣經該袋式除塵器處理時流場分布比較類似,都不是很均勻,由于燃煤煙氣量較生物質的較大,使得除塵器內燃煤煙氣的壓力場和速度場較生物質的都稍大一些。

由于燃煤煙氣的顆粒濃度比生物質要大,為了更準確的了解顆粒的軌跡,在此隨機對100顆粒子進行了顆粒跟蹤,如圖10所示。和生物質煙氣顆粒軌跡比較相同點是:從入口一進入就有一部分小顆粒直接向上運動,而向前沖到最遠處的是粒徑最小的一部分顆粒,大顆粒則向前到中間區域就都向上運動了,即從水平方向看,除塵器內兩側以小顆粒為主,中間區域主要為大顆粒,再有就是大部分顆粒仍是以垂直向上的速度為主,不利于濾袋收集。不同點就是,在除塵器上部發生回旋的不再是只有部分小顆粒,還有一部分大顆粒,這與燃煤煙氣量大導致入口的風速也較大有一定關系。

3.2  改進除塵器模擬

3.2.1 生物質煙氣

            

               Z=0                           Z=0.3m                        Z=0.6m                       Z=0.9m

                                       圖11 與對稱面平行截面上壓力場分布圖

    如圖11所示,加入導流板后除塵器內的壓力場得到了明顯的改善,各個方向上的壓力分布變得比較均勻。

            

                        Z=0                                     Z=0.3m                                Z=0.5m                                Z=0.9m

12  與對稱面平行截面上速度場分布圖

 

                           

                               Z=0.3m                                Z=0.6m

              圖13  與對稱面平行截面上的速度矢量圖                                     14  生物質煙氣除塵器內顆粒軌跡圖

如圖12所示,加導流板后速度場分布比原來有很大改善,由于加入了導流板,在靠近濾袋底部的高風速區域被導流板隔開,不會再因對濾袋底部的強烈沖刷造成濾袋的提前破損。從速度矢量圖13也可以看出不再有很多個漩渦,只在靠近進口處因碰到導流板出現了一個大的渦流。總體上看,加入導流板后整個除塵器內的速度場分布變得比較均勻了。

14為對63顆粒子的隨機跟蹤示意圖,可以看出加了導流板后顆粒軌跡也發生了很大變化。顆粒因導流板的作用從入口進來后絕大多數都是繼續向前運動,到達中間位置時大顆粒和小顆粒發生了分離,大顆粒一小部分開始向上,而大部分則繼續向前到達最前端和除塵器邊緣發生碰撞后才開始向上運動,小顆粒則在中間區域就一部分向上,一部分在下箱體內經過回旋經反方向向上運動了。在整個除塵器內大小顆粒則都是在繞流,較之沒加導流板之前的垂直向上更容易被布袋收集。

3.2.2 燃煤煙氣模擬

            

                         Z=0                                 Z=0.3m                                 Z=0.6m                                Z=1.0m

15  與對稱面平行截面上壓力場分布圖

    如圖15所示,加導流板后燃煤煙氣在除塵器中的壓力場分布也有很大改善,在各個方向上分布相對比較均勻了。在導流板下部有一個小的高壓區域,但是因為有導流板擋著也不會對濾袋造成大的損害。

            

                         Z=0                                    Z=0.3m                              Z=0.6m                               Z=0.9m

16  與對稱面平行截面上速度場分布圖

                             

                                   Z=0.3m                              Z=0.9m

              圖17  與對稱面平行截面上速度矢量圖圖                                            18  燃煤煙氣除塵器內顆粒軌跡圖

如圖16所示,加了導流板之后燃煤煙氣在除塵器內的速度場也得到了很大的改善。也是在下箱體靠近煙氣進口處有一個高風速區域,但是被導流板阻擋,不會對濾袋底部形成強烈的沖刷,從速度矢量圖17可以看出整個除塵器內也只有一個由于這個高風速區域造成的一個大的渦流,但由于渦流幾乎在整個除塵器內形成,所以整個除塵器內的速度場還是比較均勻的。

總體看來,生物質燃燒產生煙氣和燃煤產生煙氣經該改進后除塵器模型處理后,流場都變得比較均勻了,而二者在流場分布方面差別不是很大,只是有一點,燃煤煙氣兩比生物質煙氣大一些,從而導致整個除塵器內的平均壓力場和速度場也都較生物質煙氣稍大些。

18為對100顆燃煤煙氣中粒子的隨機跟蹤圖,和生物質煙氣相比相同的是仍是在下箱體的中間部分大小顆粒分成了兩部分,大顆粒主要分布在了左側,小顆粒分布在了右側,但不同的是有部分大顆粒在中間區域也發生回旋經反方向向上運動了。大小顆粒也是在整個除塵器內發生回旋,能和布袋充分接觸,利于被布袋收集。

4  小結

1)原除塵器處理兩種煙氣時的流場都不是很均勻,存在壓力跳躍區域,煙氣流在整個除塵器內出現了多個漩渦,尤其對濾袋底部的沖刷比較強烈。顆粒軌跡大部分顆粒是以垂直向上的速度為主,不利于濾袋收集。

2)燃煤煙氣的壓力場和速度場都比生物質的大一些,更紊亂一些。顆粒軌跡燃煤煙氣比燃生物質煙氣在除塵器回旋的顆粒更多一些。

3)模型改進后流場的均勻性得到了明顯的改善??拷鼮V袋底部的高風速區域被導流板隔開,。煙氣流只在靠近進口處因碰到導流板出現了一個大的渦流。顆粒軌跡在整個除塵器內大小顆粒則都是在繞流,更容易被布袋收集。

4)燃生物質煙氣中顆粒在下箱體導流板中間區域處大顆粒和小顆粒分為兩部分,大顆粒主要分布在了左側,小顆粒分布在了右側,而燃煤煙氣還有一部分大顆粒也在中間區域發生回旋經反方向向上運動。

參考文獻

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                                                  選自2009全國袋式除塵技術研討會論文集 

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