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除塵設(shè)備 
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袋式除塵設(shè)備氣流分布的數(shù)值模擬
發(fā)布時(shí)間：2019-04-08 點(diǎn)擊次數(shù)：2135
袋式除塵設(shè)備具有除塵效率高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便,并可處理高濃度含煙塵氣等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求,出口處氣體的含塵濃度可達(dá)20～30mg/m3,最小可以捕集0.1μm左右的粉塵,因此在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。
影響袋式除塵設(shè)備除塵效率和濾袋壽命的因素很多,其中煙氣進(jìn)入除塵設(shè)備時(shí)的分布狀況是關(guān)鍵因素之一。氣流分布均勻性的影響因素主要有進(jìn)出管道的幾何尺寸、進(jìn)氣管道的氣流狀況、氣流分布板的布置及開孔率。當(dāng)除塵設(shè)備本體及出口管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定后,氣流均布主要取決于氣流分布板型,該板型只能通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。因此氣流分布板型不具有通用性,每臺(tái)袋式除塵設(shè)備設(shè)計(jì)完后都應(yīng)進(jìn)行氣流分布模擬實(shí)驗(yàn),以找出適合該除塵設(shè)備氣流均布要求的氣流分布板型,供設(shè)計(jì)時(shí)參考。
由于除塵設(shè)備內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)十分復(fù)雜,氣相流場(chǎng)以及顆粒運(yùn)動(dòng)和沉積特性的測(cè)量也很困難,因此設(shè)計(jì)者往往只能依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或簡(jiǎn)單模型的計(jì)算結(jié)果,主觀性較強(qiáng),除塵設(shè)備的實(shí)際性能常常達(dá)不到設(shè)計(jì)期望的水平。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的不斷提高和CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)的發(fā)展,CFD輔助設(shè)計(jì)已成為除塵設(shè)備技術(shù)革新的一種準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)和快捷的新手段。
本文應(yīng)用Fluent數(shù)值模擬軟件,對(duì)某熱電廠50MW發(fā)電機(jī)組袋式除塵設(shè)備進(jìn)口處的氣流分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。
1 氣流分布原理
1.1 氣流分布狀況分析
由于除塵設(shè)備的入口斷面往往要比前面煙道的截面大很多倍,也就是煙氣由煙道進(jìn)入除塵設(shè)備時(shí)有一個(gè)面積擴(kuò)散比很大的喇叭口。如果除塵設(shè)備入口處不安裝氣流分布板(一般為一層到三層多孔金屬板),則氣流勢(shì)必造成如下流動(dòng)狀態(tài):即中間流速大,流線稠密;周圍流速小,流線稀薄。如果在除塵設(shè)備入口處裝上氣流均勻分布板,則會(huì)迫使氣流重新分布,使稀稠差距懸殊的流線趨于均勻,因而氣流充滿整個(gè)空間。
出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:氣流分布板相當(dāng)一個(gè)大的節(jié)流多孔板,氣流遇上節(jié)流板后,由于中間速度大的氣流動(dòng)能最大,故其受到的節(jié)流阻力也最大,動(dòng)能減少程度最大,根據(jù)能量守桓原理,一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能,亦即中間氣流受阻后靜壓必然增大。當(dāng)壓力超過(guò)周圍壓力后,氣流自然就會(huì)向四周擴(kuò)散,從而使氣流充滿空間而趨向均勻(此時(shí)的壓力相應(yīng)達(dá)到平衡)。
1.2 數(shù)學(xué)模型
從鍋爐尾部煙道空氣預(yù)熱器出口到除塵設(shè)備入口,煙塵的流動(dòng)過(guò)程涉及到氣固兩相的湍流流動(dòng)。對(duì)氣固兩相湍流流動(dòng)中的氣體運(yùn)動(dòng)按粘性、穩(wěn)定等溫流動(dòng)看待,對(duì)兩相湍流中煙塵顆粒的流動(dòng)采用顆粒軌跡模型處理,即假設(shè)煙塵顆粒項(xiàng)是離散項(xiàng),氣相與煙塵顆粒固相存在速度與溫度滑移,顆粒沿軌跡運(yùn)動(dòng),其各個(gè)參數(shù)的變化可沿軌跡跟蹤,顆粒作用于流體的質(zhì)量、動(dòng)量、能量等量地均布于氣相內(nèi)。計(jì)算的理論根據(jù)是求解湍流氣固兩相流動(dòng)的動(dòng)量、質(zhì)量守恒微分方程組,經(jīng)時(shí)間平均化處理后,
各守恒方程的通用形式可表示為
式中:ρ為氣相或顆粒固相的時(shí)均密度;Υ為時(shí)均通用因變量;Vj為氣相或顆粒固相在j方向的時(shí)均速度;ΓΥ為輸運(yùn)系數(shù);SΥ為氣相本身的源項(xiàng);SΥρ為氣固兩相相互作用產(chǎn)生的源項(xiàng)。
2 Fluent軟件簡(jiǎn)介
CFD技術(shù),即計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣普及和計(jì)算方法的新發(fā)展,幾十年來(lái)取得了蓬勃的發(fā)展。由于數(shù)值模擬相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究有很獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),比如成本低、周期短、能獲得完整的數(shù)據(jù)、能模擬出實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各種所測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài),對(duì)于設(shè)計(jì)、改造等商業(yè)或?qū)嶒?yàn)室應(yīng)用起到重要的指導(dǎo)作用,故而CFD技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。
Fluent軟件是一個(gè)工程運(yùn)用的CFD軟件,針對(duì)每一種流動(dòng)的物理問(wèn)題的特點(diǎn),采用適合于它的數(shù)值解法在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度方面達(dá)到最佳,可以計(jì)算流場(chǎng)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)。其思想實(shí)際上就是做很多模塊,這樣只要判斷是哪一種流場(chǎng)和邊界就可以拿已有的模型來(lái)計(jì)算。
大部分情況下,所測(cè)對(duì)象的變化趨勢(shì)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出來(lái),但是具體量的大小不能精確顯示。要精確測(cè)定必須依靠實(shí)驗(yàn)手段。Fluent的作用主要體現(xiàn)在縮短設(shè)計(jì)過(guò)程,減少實(shí)驗(yàn)室測(cè)定試驗(yàn)的數(shù)目,減少產(chǎn)品開發(fā)成本等方面。
3 模型的建立及邊界條件
3.1 用Gambit構(gòu)體及網(wǎng)格劃分
如圖1所示,袋式除塵設(shè)備的進(jìn)氣煙箱為梯形結(jié)構(gòu),B為圓孔型氣流分布板,依次放置3層。煙氣以10m/s的速度由A面進(jìn)入,經(jīng)過(guò)三層氣流均布板從C面流出后進(jìn)入三個(gè)的并排過(guò)濾袋室。構(gòu)體時(shí)以實(shí)際尺寸用Gambit建立進(jìn)氣煙箱的模型,為減少運(yùn)算量,簡(jiǎn)化模型,先放置一層氣流分布板進(jìn)行數(shù)值模擬,氣流分布板設(shè)為無(wú)厚度的圓形均布孔板,如圖2所示,利用Tgrid程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行網(wǎng)格劃分。
3.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件
除塵設(shè)備所處理煙氣為氣固兩相流,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型描述湍流模型,用SIMPLEC算法計(jì)算氣相速度場(chǎng),采用FSRT模型Lagrange法計(jì)算顆粒場(chǎng)特性,然后將計(jì)算得出的顆粒場(chǎng)與氣相場(chǎng)耦合,直到得出滿意的結(jié)果為止。這是一種計(jì)算氣固兩相流動(dòng)的行之有效的數(shù)值模擬方法。
煙氣的進(jìn)口為速度入口(velocity-inlet)邊界條件,出口為自由出流(outflow)邊界條件,氣流均布板及固體壁面為無(wú)滑移壁面(wall)邊界條件,顆粒相在壁面上取為彈性反射條件。
4 模擬結(jié)果及分析
如圖3所示,為未放置氣流分布板之前的速度矢量圖,可以明顯看出進(jìn)氣煙箱的中上部區(qū)域速度高且氣流集中,而兩側(cè)及下部氣流量少且速度低,與理論上是一致的。圖4為放置單層花板之后的速度矢量圖,進(jìn)氣煙箱出口的煙氣流場(chǎng)分布明顯改善,較為均勻。氣流不再集中于進(jìn)氣煙箱的中上部,而是比較均勻的分散于整個(gè)空間,在出口的頂部氣流速度稍大一點(diǎn),這是由于氣流分布板與進(jìn)氣煙箱上壁面之間的間隙所造成的,與實(shí)際情況相符。
如圖5所示,為放置花板之前出口面z=0的直線上的速度曲線,從圖上可以看出速度分布成拋物線狀,在y=-500mm(出口的中上部)附近速度達(dá)到最大,分布很不均勻。圖6為放置單層氣流分布板后出口面z=0的直線上的速度曲線圖,速度分布有了明顯的改善,在y=-3 800mm至y=1 000mm之間速度值基本保持不變,分布均勻。在y=1 000mm至y=1 500mm之間速度稍大,這個(gè)位置在進(jìn)氣煙箱的頂部,也是由于氣流分布板與進(jìn)氣煙箱頂面之間的間隙所造成的。
5 結(jié)束語(yǔ)
?、偻ㄟ^(guò)Fluent模擬計(jì)算結(jié)果可以清楚的看到,在放置單層氣流均布板前后煙氣的流場(chǎng)分布情況有了明顯的改善,如果放置三層氣流分布板,并合理調(diào)整氣流分布板的位置、孔徑、開孔率,可使除塵設(shè)備3個(gè)室之間的煙氣量及氣流分布達(dá)到均勻,由此提供最佳的設(shè)計(jì)方案。
②建立模型時(shí)采用實(shí)際設(shè)備的幾何尺寸,計(jì)算工況與實(shí)際運(yùn)行工況相同,有效地降低了氣流分布模擬試驗(yàn)臺(tái)與實(shí)際幾何尺寸和工況條件不同而引起的試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差。
?、鄄捎脭?shù)值模擬軟件進(jìn)行流體的模擬計(jì)算,可以有效地縮短設(shè)計(jì)過(guò)程,避免氣流分布模擬試驗(yàn)臺(tái)因設(shè)備不同而不能重復(fù)使用造成的浪費(fèi),減少了產(chǎn)品開發(fā)成本
