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    技術(shù)交流  

    生物質(zhì)能電廠袋式除塵器流場(chǎng)的數(shù)值模擬
    發(fā)布者:admin  發(fā)布時(shí)間:2010-9-30 18:36:03  點(diǎn)擊:2848

     

    張靜1  郁金星2  胡滿銀1  尹琦1

    (1華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;2 河北省電力研究院)

     

        本文利用計(jì)算流體軟件FLUENT對(duì)某75t/h循環(huán)流化床鍋爐的燃煤煙氣和燃生物質(zhì)煙氣在袋式除塵器中的氣流分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。由計(jì)算結(jié)果可知,袋式除塵器未采取氣流分布措施時(shí),燃煤和燃生物質(zhì)時(shí)的氣流分布不均勻現(xiàn)象均很明顯,燃煤時(shí)的流場(chǎng)比燃生物質(zhì)時(shí)紊亂;采取氣流分布措施后流場(chǎng)的均勻性得到明顯改善,煙氣在導(dǎo)流板中間區(qū)域大顆粒和小顆粒分離分布在了左右兩側(cè),且都是在繞流。該模擬結(jié)果可為生物質(zhì)能電廠袋式除塵器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

    關(guān)鍵詞  袋除塵  流場(chǎng)  數(shù)值模擬

    1  引言

    生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展比較迅速且可靠的一種生物質(zhì)能利用技術(shù),隨著生物質(zhì)電廠的普及,生物質(zhì)電廠的污染情況也越來(lái)越受到人的重視。由于生物質(zhì)相對(duì)于煤,氮和硫元素的含量要小很多,所以燃燒后NOxSO2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(zhì)燃燒排放的粉塵多是PM10以下的粉塵,能懸浮在大氣中,嚴(yán)重影響著大氣環(huán)境質(zhì)量,更嚴(yán)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(xì)粉塵。FLUENT軟件是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的程序,它通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算將時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng),用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替,然后通過(guò)求解代數(shù)方程組獲得描述流場(chǎng)變量的近似解。采用CFD數(shù)值分析方法研究袋式除塵器內(nèi)部氣體流動(dòng)規(guī)律,可以減少模擬試驗(yàn)的次數(shù),甚至不需要模擬試驗(yàn),并能解決一些因客觀條件限制難以解決的問(wèn)題。本文利用CFD商業(yè)軟件FLUENT對(duì)袋式除塵器處理生物質(zhì)燃燒煙氣進(jìn)行了模擬計(jì)算,并和燃煤煙氣的處理結(jié)果進(jìn)行了分析比較。

    2  物理模型和邊界條件

    2.1  計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

    本課題中研究的除塵器為下進(jìn)風(fēng)外濾式袋除塵器,分為上下兩個(gè)箱體,上箱體為長(zhǎng)方體,長(zhǎng)4.98m、寬2.38m、高6.2m;下箱體為倒四棱錐臺(tái)形,高2m底面長(zhǎng)3m、寬1.6m。進(jìn)風(fēng)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(shè)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(zhǎng)5m

    本次設(shè)計(jì)中對(duì)除塵器進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化并且用結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)的混合網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共將除塵器劃分了60萬(wàn)網(wǎng)格。

    計(jì)算中將144個(gè)濾袋簡(jiǎn)化成36個(gè)按對(duì)稱線對(duì)稱分布的大濾袋,簡(jiǎn)化濾袋與原濾袋等高,每個(gè)簡(jiǎn)化濾袋的直徑按下式計(jì)算得到:

                                                                (公式1)

    其中D’—— 簡(jiǎn)化濾袋的直徑;

        D —— 原濾袋的直徑。

    簡(jiǎn)化計(jì)算區(qū)域,根據(jù)計(jì)算區(qū)域的對(duì)稱性只取計(jì)算區(qū)域的一半。

    簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示,根據(jù)公式1可得袋徑320mm,其中間距200mm*200mm

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

                                        

                         圖1  除塵器模型簡(jiǎn)圖                                     2   改進(jìn)后除塵器模型簡(jiǎn)圖

    2.2   數(shù)值方法和邊界條件

    本文利用fluent軟件模擬計(jì)算的三維穩(wěn)態(tài)工況,采用SIMPLE方法求解N-S方程,氣固兩相間的湍流計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)κε湍流模型,粉塵顆粒的軌跡場(chǎng)采用基于拉格朗日得隨機(jī)顆粒軌道方法。在對(duì)守恒方程選用離散格式時(shí),對(duì)于動(dòng)量方程采用一階上風(fēng)格式,用Simple方法來(lái)處理壓力-速度的耦合,為了方程離散時(shí)的便利,同時(shí)在不影響數(shù)值精度的前提下,對(duì)能量方程、湍動(dòng)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(fēng)格式。

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

    3  結(jié)果及分析

    3.1  原除塵器模擬

    3.1.1 生物質(zhì)煙氣

                

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

    3  與對(duì)稱面平行的各截面上的壓力場(chǎng)分布圖

        由圖3可以看出除塵器內(nèi)的壓力場(chǎng)分布并不是特別均勻,只有在Z=0截面(即對(duì)稱面)上每條布袋的上下位置處壓力大小較均勻,但對(duì)稱面處自左向右壓力卻有明顯增大的趨勢(shì),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(gè)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(shì)。但是以自上而下壓力場(chǎng)發(fā)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(lái)說(shuō)這個(gè)壓力場(chǎng)分布不是特別理想。

               

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

    4 與對(duì)稱面平行的各截面上的速度場(chǎng)分布圖

                               

                    Z=0.3m                                  Z=0.8m

                       5  與對(duì)稱面平行截面上的速度矢量圖                         6 除塵器內(nèi)顆粒軌跡圖

        由圖4、圖5可以看出,在除塵器內(nèi)靠近入口處底部有一個(gè)速度明顯較大的區(qū)域,這對(duì)濾袋底部的沖刷比較強(qiáng)烈,容易造成濾袋的提前破損,隨著Z值(離對(duì)稱面的距離)逐漸變大情況有所改善,但是整個(gè)截面上的速度場(chǎng)分布變化得越來(lái)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(qū)域速度達(dá)到了12m/s,這對(duì)濾袋的損害也是很大的。總體上看,濾袋內(nèi)越靠近出口速度越高,整個(gè)除塵器內(nèi)右側(cè)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(duì)應(yīng)起來(lái)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(gè)除塵器內(nèi)兩側(cè)以較小顆粒為主,較大顆粒則集中在中間區(qū)域,從進(jìn)口到達(dá)最遠(yuǎn)處的顆粒為粒徑最小的那部分,可以認(rèn)為較小顆粒的相對(duì)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(chǎn)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(duì)速度較大,所以在除塵器上部產(chǎn)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(duì)稱面平行截面上的壓力場(chǎng)分布圖

        由圖7所示,隨著距對(duì)稱面越來(lái)越遠(yuǎn)的截面壓力場(chǎng)的分布變化不是特別大,即在Z方向上壓力場(chǎng)的分布是相對(duì)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(qū)域有一個(gè)較大的壓力場(chǎng)把整個(gè)截面分開(kāi),分界處的壓力跳躍比較明顯,X方向同樣如此。總體說(shuō)來(lái)整個(gè)除塵器內(nèi)的壓力場(chǎng)分布不是很均勻。

                

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

                                         圖8  與對(duì)稱面平行截面上的速度場(chǎng)分布圖

                               

                          Z=0.4m                         Z=1.0m

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

    如圖8所示,各個(gè)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(gè)較明顯的高風(fēng)速區(qū)域,這很容易導(dǎo)致濾袋的提前破損。從速度矢量圖9可以看出在除塵器內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)漩渦,尤其是在下箱體內(nèi)靠近濾袋底部區(qū)域處。

    總體看來(lái),燃煤煙氣和燃生物質(zhì)煙氣經(jīng)該袋式除塵器處理時(shí)流場(chǎng)分布比較類似,都不是很均勻,由于燃煤煙氣量較生物質(zhì)的較大,使得除塵器內(nèi)燃煤煙氣的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)較生物質(zhì)的都稍大一些。

    由于燃煤煙氣的顆粒濃度比生物質(zhì)要大,為了更準(zhǔn)確的了解顆粒的軌跡,在此隨機(jī)對(duì)100顆粒子進(jìn)行了顆粒跟蹤,如圖10所示。和生物質(zhì)煙氣顆粒軌跡比較相同點(diǎn)是:從入口一進(jìn)入就有一部分小顆粒直接向上運(yùn)動(dòng),而向前沖到最遠(yuǎn)處的是粒徑最小的一部分顆粒,大顆粒則向前到中間區(qū)域就都向上運(yùn)動(dòng)了,即從水平方向看,除塵器內(nèi)兩側(cè)以小顆粒為主,中間區(qū)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(diǎn)就是,在除塵器上部發(fā)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(dǎo)致入口的風(fēng)速也較大有一定關(guān)系。

    3.2  改進(jìn)除塵器模擬

    3.2.1 生物質(zhì)煙氣

                

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

                                           圖11 與對(duì)稱面平行截面上壓力場(chǎng)分布圖

        如圖11所示,加入導(dǎo)流板后除塵器內(nèi)的壓力場(chǎng)得到了明顯的改善,各個(gè)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(duì)稱面平行截面上速度場(chǎng)分布圖

     

                               

                                   Z=0.3m                                Z=0.6m

                  圖13  與對(duì)稱面平行截面上的速度矢量圖                                     14  生物質(zhì)煙氣除塵器內(nèi)顆粒軌跡圖

    如圖12所示,加導(dǎo)流板后速度場(chǎng)分布比原來(lái)有很大改善,由于加入了導(dǎo)流板,在靠近濾袋底部的高風(fēng)速區(qū)域被導(dǎo)流板隔開(kāi),不會(huì)再因?qū)V袋底部的強(qiáng)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(gè)漩渦,只在靠近進(jìn)口處因碰到導(dǎo)流板出現(xiàn)了一個(gè)大的渦流。總體上看,加入導(dǎo)流板后整個(gè)除塵器內(nèi)的速度場(chǎng)分布變得比較均勻了。

    14為對(duì)63顆粒子的隨機(jī)跟蹤示意圖,可以看出加了導(dǎo)流板后顆粒軌跡也發(fā)生了很大變化。顆粒因?qū)Я靼宓淖饔脧娜肟谶M(jìn)來(lái)后絕大多數(shù)都是繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),到達(dá)中間位置時(shí)大顆粒和小顆粒發(fā)生了分離,大顆粒一小部分開(kāi)始向上,而大部分則繼續(xù)向前到達(dá)最前端和除塵器邊緣發(fā)生碰撞后才開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng),小顆粒則在中間區(qū)域就一部分向上,一部分在下箱體內(nèi)經(jīng)過(guò)回旋經(jīng)反方向向上運(yùn)動(dòng)了。在整個(gè)除塵器內(nèi)大小顆粒則都是在繞流,較之沒(méi)加導(dǎo)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(duì)稱面平行截面上壓力場(chǎng)分布圖

        如圖15所示,加導(dǎo)流板后燃煤煙氣在除塵器中的壓力場(chǎng)分布也有很大改善,在各個(gè)方向上分布相對(duì)比較均勻了。在導(dǎo)流板下部有一個(gè)小的高壓區(qū)域,但是因?yàn)橛袑?dǎo)流板擋著也不會(huì)對(duì)濾袋造成大的損害。

                

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

    16  與對(duì)稱面平行截面上速度場(chǎng)分布圖

                                 

                                       Z=0.3m                              Z=0.9m

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

    如圖16所示,加了導(dǎo)流板之后燃煤煙氣在除塵器內(nèi)的速度場(chǎng)也得到了很大的改善。也是在下箱體靠近煙氣進(jìn)口處有一個(gè)高風(fēng)速區(qū)域,但是被導(dǎo)流板阻擋,不會(huì)對(duì)濾袋底部形成強(qiáng)烈的沖刷,從速度矢量圖17可以看出整個(gè)除塵器內(nèi)也只有一個(gè)由于這個(gè)高風(fēng)速區(qū)域造成的一個(gè)大的渦流,但由于渦流幾乎在整個(gè)除塵器內(nèi)形成,所以整個(gè)除塵器內(nèi)的速度場(chǎng)還是比較均勻的。

    總體看來(lái),生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生煙氣和燃煤產(chǎn)生煙氣經(jīng)該改進(jìn)后除塵器模型處理后,流場(chǎng)都變得比較均勻了,而二者在流場(chǎng)分布方面差別不是很大,只是有一點(diǎn),燃煤煙氣兩比生物質(zhì)煙氣大一些,從而導(dǎo)致整個(gè)除塵器內(nèi)的平均壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)也都較生物質(zhì)煙氣稍大些。

    18為對(duì)100顆燃煤煙氣中粒子的隨機(jī)跟蹤圖,和生物質(zhì)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(cè),小顆粒分布在了右側(cè),但不同的是有部分大顆粒在中間區(qū)域也發(fā)生回旋經(jīng)反方向向上運(yùn)動(dòng)了。大小顆粒也是在整個(gè)除塵器內(nèi)發(fā)生回旋,能和布袋充分接觸,利于被布袋收集。

    4  小結(jié)

    1)原除塵器處理兩種煙氣時(shí)的流場(chǎng)都不是很均勻,存在壓力跳躍區(qū)域,煙氣流在整個(gè)除塵器內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)漩渦,尤其對(duì)濾袋底部的沖刷比較強(qiáng)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(chǎng)和速度場(chǎng)都比生物質(zhì)的大一些,更紊亂一些。顆粒軌跡燃煤煙氣比燃生物質(zhì)煙氣在除塵器回旋的顆粒更多一些。

    3)模型改進(jìn)后流場(chǎng)的均勻性得到了明顯的改善。靠近濾袋底部的高風(fēng)速區(qū)域被導(dǎo)流板隔開(kāi),。煙氣流只在靠近進(jìn)口處因碰到導(dǎo)流板出現(xiàn)了一個(gè)大的渦流。顆粒軌跡在整個(gè)除塵器內(nèi)大小顆粒則都是在繞流,更容易被布袋收集。

    4)燃生物質(zhì)煙氣中顆粒在下箱體導(dǎo)流板中間區(qū)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(cè),小顆粒分布在了右側(cè),而燃煤煙氣還有一部分大顆粒也在中間區(qū)域發(fā)生回旋經(jīng)反方向向上運(yùn)動(dòng)。

    參考文獻(xiàn)

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    [7]  韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.6

     

                                                      選自2009全國(guó)袋式除塵技術(shù)研討會(huì)論文集 

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