李立鋒

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司實(shí)驗(yàn)研究中心，福建龍巖364000)

CFD技術(shù)在電除塵器煙道流場(chǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用

李立鋒

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司實(shí)驗(yàn)研究中心，福建龍巖364000)

電除塵器作為大氣污染治理的主要設(shè)備，在環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)境下，應(yīng)發(fā)揮更加重要的作用。煙道的流量分配和氣流分布對(duì)電除塵器性能有著重要的影響，采用fluent軟件對(duì)煙道內(nèi)不同導(dǎo)流板的布置對(duì)流場(chǎng)的影響進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，弧形導(dǎo)流板對(duì)煙道流場(chǎng)分布均勻性及降低煙道阻力都有明顯效果，為電除塵器煙道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

電除塵器;煙道;流場(chǎng);fluent;優(yōu)化

0 引言

電除塵器具有運(yùn)行穩(wěn)定、處理量大、能量低、除塵效率高等特點(diǎn)，是處理大氣污染的有效手段［1－2］。根據(jù)新修訂的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，已將燃煤電廠的粉塵排放濃度降為30mg/m3，因此對(duì)電除塵器的性能提出了更高的要求。影響電除塵器性能的因素很多［3］，電除塵器煙道內(nèi)的流場(chǎng)分布及流量分配是其中一個(gè)重要因素，煙道內(nèi)流場(chǎng)均勻性越好，流量分配越均衡，電除塵器性能發(fā)揮的越好。通常，對(duì)煙道流量分配的調(diào)整是通過(guò)煙道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板的方法，煙氣經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板的導(dǎo)流后，可以在短距離內(nèi)相對(duì)均勻的分配到各煙道內(nèi)，不僅可以避免粉塵在煙道內(nèi)局部沉積，也可避免煙道內(nèi)局風(fēng)速過(guò)高而磨損。

目前，對(duì)電除塵器煙道流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化主要采用物模試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬方法。物模試驗(yàn)是建立電除塵器煙道的物理模型，通過(guò)測(cè)試煙道斷面多點(diǎn)的風(fēng)速，進(jìn)而對(duì)流量分配進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，但這種方法存在測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，人力物力耗費(fèi)大，煙道內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)情況無(wú)法觀察等問(wèn)題。而CFD數(shù)值模擬方法利用計(jì)算機(jī)建模并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，流場(chǎng)分布情況可通過(guò)圖形、數(shù)據(jù)等直觀顯示，并根據(jù)模擬結(jié)果分析和優(yōu)化電除塵器煙道內(nèi)的流場(chǎng)分布，為電除塵器的設(shè)計(jì)提供參考［4－5］。

本文以某電廠660MW機(jī)組配套電除塵器進(jìn)口煙道為例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)進(jìn)口煙道中不同導(dǎo)流板的設(shè)置對(duì)煙道流場(chǎng)及流量分配進(jìn)行研究，以確定合理的導(dǎo)流板布置方式，并對(duì)不同布置方式進(jìn)行物模試驗(yàn)以驗(yàn)證CFD模型的準(zhǔn)確性及合理性，為電除塵器的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 控制方程及邊界條件

電除塵器的流場(chǎng)為復(fù)雜三維湍流流場(chǎng)，因此，模擬時(shí)選擇湍流模型;計(jì)算時(shí)假設(shè)氣體不可壓縮，定常流動(dòng);計(jì)算過(guò)程中未考慮傳熱問(wèn)題;計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型求解湍流問(wèn)題，壁面邊界層采用壁面函數(shù)法處理;控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k方程和ε方程［6－8］。

連續(xù)性方程為:

動(dòng)量方程為:

其中:ρ為空氣密度;ui、uj為空氣速度;μ為空氣的粘性;p為壓力;Si為源項(xiàng)。

湍動(dòng)能k方程為:

擴(kuò)散率ε方程為:

式中:Gk為層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM為可壓縮湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張;C1ε，C2ε，C3ε為常量;σk和σε為Prandtl數(shù);Sk和Se為自定義源項(xiàng)。

數(shù)值求解過(guò)程中的邊界條件為:進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口邊界條件;出口邊界條件為壓力出口邊界條件;導(dǎo)流板、壁面采用無(wú)滑移固體壁面邊界條件。數(shù)值計(jì)算采用FLUENT軟件，控制方程采用有限體積法離散，計(jì)算選擇SIMPLE算法，對(duì)流差分格式采用一階迎風(fēng)格式。

2 幾何模型及網(wǎng)格

模擬范圍是從空氣預(yù)熱器出口到電除塵器進(jìn)口喇叭小口處的進(jìn)口煙道，模型與實(shí)體比例為1∶1，采用Hex/Wedge方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終模型網(wǎng)格數(shù)量約為40萬(wàn)。

圖1 模型網(wǎng)格

3 試驗(yàn)方案

本文對(duì)煙道分叉處設(shè)置不同導(dǎo)流板情況進(jìn)行CFD模擬及物模試驗(yàn)，各試驗(yàn)方案的煙道內(nèi)導(dǎo)流板的布置情況如下:方案A為在煙道分叉處設(shè)置分流板，方案B為在煙道分叉處設(shè)置直板導(dǎo)流板，方案C為在煙道分叉處設(shè)置弧形導(dǎo)流板。

4 結(jié)果與討論

對(duì)煙道內(nèi)不同導(dǎo)流板布置方式的模擬及試驗(yàn)結(jié)果如圖2～7和表1所示。

圖2、5為方案A模擬及試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果顯示，雖然流量分配＜±5%，但煙道內(nèi)流場(chǎng)分布均勻性較差;在分流板后邊存在大渦流，會(huì)使煙道阻力增加且在分流板后易積灰。圖3、6為方案B的模擬結(jié)果，與方案A的結(jié)果相比，流量分配、氣流分布均勻性均有所改善，但在局部依然存在渦流，且系統(tǒng)阻力略有增加。圖4、7為方案C的模擬結(jié)果，與前兩種方案相比，流量分配及氣流分布均勻性進(jìn)一步改善，且消除了煙道內(nèi)渦流，系統(tǒng)阻力有明顯降低。

圖2 方案A流場(chǎng)分布云圖

圖3 方案B流場(chǎng)分布云圖

圖4 方案C流場(chǎng)分布云圖

圖5 方案A煙道測(cè)試斷面速度分布云圖

圖6 方案B煙道測(cè)試斷面速度分布云圖

圖7 方案C煙道測(cè)試斷面速度分布云圖

從圖5～7和表1可以看出，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果是相吻合的，說(shuō)明模擬時(shí)所選模型是準(zhǔn)確的。

表1 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

(1)采用fluent軟件對(duì)電除塵器煙道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。通過(guò)在煙道中設(shè)置導(dǎo)流板，流場(chǎng)有了明顯改善。

(2)通過(guò)對(duì)比不同導(dǎo)流板對(duì)煙道流場(chǎng)的影響，說(shuō)明導(dǎo)流板設(shè)置應(yīng)該根據(jù)煙道的走向及形狀。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合良好，說(shuō)明所選取的數(shù)值模型是準(zhǔn)確合理的。

(3)通過(guò)對(duì)不同煙道導(dǎo)流板時(shí)煙道流場(chǎng)的模擬分析，可以為電除塵器煙道設(shè)計(jì)提供參考。

［1］祈君田.現(xiàn)代煙氣除塵技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］任燕，張德軒，張國(guó)文，等.電除塵器氣流分布數(shù)值計(jì)算研究［C］.第十三屆中國(guó)電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2009.

［3］White H J.工業(yè)電收塵［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1984.

［4］Groves J F，Smith C R.Gas－Flow Distribution Effects in Electrostatic Precipitators［J］.Journal of Electrostatics，1980，8(4):343－353.

［5］Hou Q F，Guo B Y，LI L F，et al.Numerical simulation of gas flow in an electrostatic precipitator［C］.Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries.CSIRO，melbourne，Australia.2009.

［6］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2004.

［7］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［8］Dubois F，鄔華謨.計(jì)算流體力學(xué)的新進(jìn)展:理論、方法和應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2001.

The application of CFD technology in ESP flue flow field optimization

As the main equipment of air pollution control，the ESP should play a more important role in the more and more strict environment.Flue flow distribution and air distribution have important influence for the performance of ESP.The fluent software is used to simulate the flow field in arrangement of different guide plates.The results show that the arc guide plates have obvious effect for uniform of flue flow field and reducing the resistance.It can provide reference for ESP flue optimization design.

ESP;flue;flow field;fluent;optimization

X701.2

B

1674－8069(2016)06－024－03

2016-08-17;

2016-09-02

李立峰(1980-)，男，河北保定人，工程師，主要從事大氣污染治理研究。E－mail:lilifeng116@163.com