（环境工程专业论文）利用电场入口导流板形成斜气流的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 气流分布是影响电除尘器除尘效率的主要因素之一。目前已有的研究结果和实 际应用表明，采用斜气流技术的电除尘器除尘效率高于采用均匀气流分布的电除尘 器。本论文采用在进气烟箱内的气流分布板上加装导流板的方式形成斜气流，通过 调整导流板的安装角度、间距以及个数来改变流型，利用f l u e n t 软件模拟电除尘 器内三维斜气流分布。模拟计算结果表明：在气流分布板上安装不同参数的导流板 可以形成斜气流；在进口第二、三层气流分布板上加装导流板的模拟结果与其试验 工况的气流分布基本相符，导流板间距和倾斜角度分别为5 0 4 m m 和5 5 。时，可形成 较佳的斜气流：仅在进口第三层气流分布板上安装导流板，导流板间距和倾斜角度 分别为4 0 0 m m 和5 5 。，同时在末电场出口处加装一块均匀开孔率为5 0 的气流分布 板，出口烟箱中心线比进口烟箱中心线高2 m 时，可形成较理想的斜气流流型。另 外，对斜气流的形成程度的优化也进行了探讨。这些都可为采用斜气流的电除尘器 的设计和运行提供参考和依据。 关键词：电除尘器，斜气流，气流分布，数值模拟 a bs t r a c t a i r - d i s t r i b u t i o ni so n eo ft h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ee f f i c i e n c yo fe s p p r e s e n t r e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o wt h a te f f i c i e n c yo fe s pa d a p t i n gs g f ti sh i g h e r t h a nt h eu n i f o r mo n e t h ep a p e rs t u d i e st h a tt oi n s t a l lg u i d i n gp l a t e so nf l o wd i s t r i b u t i o n b o a r di nt h ei n l e tb o xo fe s pm a d et h ea c h i e v e m e n to fs g f t t h e na d j u s tt h ea n g l e ， s p a c i n go rn u m b e ro fp l a t e st oc h a n g ef l o w - p a t t e r n s i m u l a t e3 ds g f tb yf l u e n t s i m u l a t e dr e s u l t ss h o w ：t oi n s t a l ld i f f e r e n tp a r a m e t e rp l a t e sc a nf o r ms k e w e dg a sf l o w ； t h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a ld a t ao fa d d i n gp l a t e so ns e c o n da n dt h i r dd i s t r i b u t i o n b o a r di sb a s i c a l l ys a m e ；t h ep l a t e sw i t h5 0 4 m ms p a c i n ga n d5 5 。a n g l ec o u l df o r mb e t t e r s k e w e dg a sf l o w ；t h ef a i r l yi d e a ls k e w e dg a sf l o ww o u l db em a d ew h e no n l yi n s t a l l p l a t e so nt h i r db o a r d ，h a v e4 0 0 m m i n t e r v a la n d5 5 。a n g l e ，a d dad i s t r i b u t i o nb o a r dw i t h 5 0 o p e n i n gr a t i oa tt h eo u t l e to fl a s te l e c t r i c a lf i e l d ，a n dl e tc e n t e rl i n eo fo u t l e tb o x h i g h e rt h a ni n l e to n e2 m i na d d i t i o n ，p a p e ra l s os t u d yt h ef o r m e dl e v e lo fs k e w e dg a s f l o w a l lo ft h e s ep r o v i d er e f e r e n c ea n df o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g na n dr u n n i n go fe s p u s i n gs k e w e dg a sf l o w s u nx i j u a n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h um a n y i n k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r , s k e w e dg a sf l o w ，a i r f l o wd i s t r i b u t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 气流分布是影响电除尘器除尘效率的主要因素之一，目前已有的研究结果和实 际应用表明，采用斜气流技术的电除尘器除尘效率高于采用均匀气流分布的电除尘 器。本论文采用在进气烟箱内的气流分布板上加装导流板的方式形成斜气流，通过 调整导流板的安装角度、间距以及个数来改变流型，利用f l u e n t 软件模拟电除尘 器内三维斜气流分布。模拟计算结果表明：在气流分布板上安装不同参数的导流板 可以形成斜气流；在进口第二、三层气流分布板上加装导流板的模拟结果与其试验 工况的气流分布基本相符，导流板间距和倾斜角度分别为5 0 4 m m 和5 5 。时，可形成 较佳的斜气流；仅在进口第三层气流分布板上安装导流板，导流板间距和倾斜角度 分别为4 0 0 m m 和5 5 。，同时在末电场出口处加装一块均匀开孔率为5 0 的气流分布 板，出口烟箱中心线比进口烟箱中心线高2 m 时，可形成较理想的斜气流流型。另 外，对斜气流的形成程度的优化也进行了探讨。这些都可为采用斜气流的电除尘器 的设计和运行提供参考和依据。 关键词：电除尘器，斜气流，气流分布，数值模拟 a bs t r a c t a i r - d i s t r i b u t i o ni so n eo ft h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ee f f i c i e n c yo fe s p p r e s e n t r e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o wt h a te f f i c i e n c yo fe s p a d a p t i n gs g f ti sh i g h e r t h a nt h eu n i f o r mo n e t h ep a p e rs t u d i e st h a tt oi n s t a l lg u i d i n gp l a t e so nf l o wd i s t r i b u t i o n b o a r di nt h ei n l e tb o xo fe s pm a d et h ea c h i e v e m e n to fs g f t t h e na d j u s tt h ea n g l e ， s p a c i n go rn u m b e ro fp l a t e st oc h a n g ef l o w - p a t t e r n s i m u l a t e3 ds g f tb yf l u e n t s i m u l a t e dr e s u l t ss h o w ：t oi n s t a l ld i f f e r e n tp a r a m e t e rp l a t e sc a nf o r ms k e w e dg a sf l o w ； t h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a ld a t ao fa d d i n gp l a t e so ns e c o n da n dt h i r dd i s t r i b u t i o n b o a r di sb a s i c a l l ys a m e ；t h ep l a t e sw i t h5 0 4 m ms p a c i n ga n d5 5 。a n g l ec o u l df o r mb e t t e r s k e w e dg a sf l o w ；t h ef a i r l yi d e a ls k e w e dg a sf l o ww o u l db em a d ew h e no n l yi n s t a l l p l a t e so nt h i r db o a r d ，h a v e4 0 0 m m i n t e r v a la n d5 5 。a n g l e ，a d dad i s t r i b u t i o nb o a r dw i t h 5 0 o p e n i n gr a t i oa tt h eo u t l e to fl a s te l e c t r i c a lf i e l d ，a n dl e tc e n t e rl i n eo fo u t l e tb o x h i g h e rt h a ni n l e to n e2 m i na d d i t i o n ，p a p e ra l s os t u d yt h ef o r m e dl e v e lo fs k e w e dg a s f l o w a l lo ft h e s ep r o v i d er e f e r e n c ea n df o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g na n dr u n n i n go fe s p u s i n gs k e w e dg a sf l o w s u nx i j u a n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h um a n y i n k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r , s k e w e dg a sf l o w ，a i r - f l o wd i s t r i b u t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文利用电场入口导流板形成斜气流的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：翊娄阻 日期： 新虢通啦 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章引言 电除尘器因其具有除尘效率高、设备阻力小、运行稳定可靠、处理烟气量大及 能处理高温烟气等优点，而广泛应用于电力、冶金、水泥、造纸、化工和建材等行 业的烟气净化，在我国环境保护事业中起着重要作用i 卜2 1 。电除尘技术就其除尘机理 来讲在各种除尘技术中是最优秀的，但是尚未得到充分发挥，还有很大的潜力可挖。 据报道，在目前设计除尘效率达到9 9 9 的基础上，通过对电除尘器的结构改造和 运行参数的调整，可以使其排放浓度再降低6 0 8 0 ，对大部分煤种，电除尘器 完全可以满足新的排放标准【3 1 。此外，电除尘器在设计、制造以及运行管理的经验 和便利性等方面，具有其它除尘技术无法可比的独特优势。 随着我国工业的飞速发展，工业生产产生的烟尘越来越多，而大型燃煤发电厂 排放的烟尘为各行业烟尘排放的首位。自2 0 0 4 年开始执行g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 火电厂 污染物排放标准后，规定第三时段建于城市附近的火电厂燃煤锅炉粉尘排放浓度 不超过5 0 m g n m 3 ，大大低于以前的2 0 0m g n m 3 【引。因此，电除尘器正面临着严峻 的挑战。目前电除尘技术研究正处于一个更深层次的研究阶段，一方面受布袋除尘 器等替代品的冲击，电除尘器生存空间很严峻；另一方面电除尘器及相关配套产品 的生产企业，在多年的实践中，都遇到了各种新问题，发现有很多用已知的理论解 释不通的现象，而且现行电除尘器技术和其他新技术的结合应用，远未达到最优的 结果，如何经济、高效地提高电除尘器除尘效率已成为电除尘工作者研究的热点问 题1 5 羽。 1 2 斜气流技术( s g f t ) 一般认为，只要使电场内的气流均匀分布，就可以得到电除尘器的最佳运行效 果。之所以这样认为，主要是基于数学上的分析，即假设在垂直于气流方向的横截 面上各点的粉尘浓度值是常量，或者说电除尘器横截面上的粉尘浓度分布很均匀 ( 如图1 - 1 左) 。但是实际上，电场里降落过程的粉尘在电场力、重力、气流惯性 和二次扬尘的共同作用下，实测粉尘浓度分布通常不是均匀的，会呈现出底部浓度 大于项部，前部浓度大于后部的浓度分布状态( 如图1 - 1 右) ，顶部粉尘粒径比底部 小，前部粉尘颗粒比后部粗的粒度分布状态。因而，若气流按均匀气流流速标准分 布将导致某些区域过载工作，而某些区域未充分利用，因此绝对的气流均匀分布未 必是正确的。 华北电力大学硕十学位论文 礓沙 vv vvv v 囤1 1 气流均布理论所假醴的粉尘浓度分布( 左) 和实际的粉尘浓度分布示意幽( 右) 近年来国外部分专家学者提出了斜气流技术( s g f t l ，使得人们对气流分布有 了新的认识，该技术在电场入口处采用上部流速低下部流速高的分布，在出口处采 用上部流速高而下部流速低的分布( 见图1 2 ) 通过改善除尘器中的气流分布特性， 考虑实际粉尘的负荷，减少二次扬尘，使集尘面积尽可能得到允分利用，从而提高 除尘效率。s g f t 还能提高电除尘器设备的可靠性，由于s g f t 可均衡气流，这样 就不需要过度振打电晕线和集尘板，提高了平均无故障时间，从而提高了屯除尘器 设备的可靠性【7 1 1 9 1 1 i 1 1 1 2 i 。斜气流理论认为，在电场断面中的气流分布应该采用与 粉尘浓度相关的分布形式。在这种斜气流分布场中，第一电场入口侧，由于电场下 部气流速度高于平均速度，租粉尘的沉积速度相对降低而电场上部气流速度低于 平均速度，微细粉尘沉积速度相对加快，使得收尘极在垂直方向上积灰分布趋于均 匀，这样既避免了因电极局部积灰过厚造成的电气条件恶化，又能为优化的振打周 期和强度提供合理的粉尘厚度。以提高除生效率：而在末电场出几侧，气流采用上 大下小分布，由于底部区域的粉尘浓度相对高，提高底部电场区域的除尘效率有利 于粉尘排放浓度的降低【8 i 。斜气流技术的工业应用实例表明：与传统的均匀气流相 比，粉尘排放量预计可以减少3 0 6 0 t ”。日前形成斜气流的方法主要有：设计 和安装斜气流的形成部件( 导流板和扩散气体分布扳) ：安装开孔率不均匀的进出 口气流分布板：采用末电场顶部抽风的方式，使气流廓线变向；在进口喇叭下口斜 向鼓风，强追气流廓线倾斜等i ”】。斜气流技术的关键是确定进出口速度的目标倾斜 度口i ，优点是改造工艺简单，费用较低且不增加运行和维护费用。 图1 - 2 均匀气流( 左) 和斜气流( 右 华北电力大学硕学位论文 斜气流技术将整个电场分为四个区域( 见罔i 3 ) ，即a 、b 、c 、d 叫个区， “a ”为开l 际半器进l i 顶部低流速r 域，这是冈为项部细尘降落剑扶斗的过程长， 向后鼽落的距离远，所以“a ”区较低的流速可以诫短这种飘逸拍离，有助f 厩部 细：l 落入灰引，进行收集。“b ”区为电除尘器进l 底部，粉4 ( 包括由顶部降下的 各式凝并成团或松散单体的落尘1 降至灰斗的落差小，即便遇到较强水平e 流的携 带典向后飘移的距离也不会远，容易被荻斗所收集。因此进口电场上部的流速较 底部小一点是自盏的。“c ”为电除尘器m 口底部低流速i 墨域，这是吲为当烟气穿过 第、二电场后，粉尘在电场中的分却差异已不如初级电场i l | | j 样明显，因此电场1 - 、 f 都的气速差异亦应渐趋平缓，直至均等。到了未级电场，为了“益于对逸晰电场 漏尘f f 勺拦截，有必要对气流进行另类调节。针对电场下部粉尘距扶斗落差小，为 其创建一个低流速强阻拦的环境，即减小c 区的流速，就有希望把漏尘拦人灰 - 1 ，降低粉李排放量。而对于“d ”区的粉尘，园其处十末级电场上部区域，落人 灰斗的过程还很长，即便是低流速，也很难使它落入扶斗，更南于电场下部粉尘负 荷较上部人，重点处理好下部漏尘，对减小排放效果明显。所以到了末缎电场，鹰 该降低“c ”区的流速，相应提高“d ”区的流速“j 。 图13 斜气流技术示意图 目前，斜气流技术s g f t 的研究主耍集中在国外，一般较成熟的技术都申请了 专利，近两年来周内也3 1 始了积极的研究工作。 1 21斜气流技术的国内外研究进展 h jw h i t e 将气流分柿和迁移速率常数的 分甬数作为穿透率定义。在这种假 设f ，均匀气速剖面的穿透率最低，其摹本要求是断面并部分的停| 时司要一致【l ”。， w ts p r o u l l 在一台运行的电除尘器内，使用k o n i t e s l ( 计_ 、检验) 装嚣对各电 场出几垂商断面的粉尘浓度进行了连续监删，发现电除尘器内各电场l 口垂直断面 的粉尘浓度沿高度方向从上到下逐渐增人，而且这种不均匀的断面浓度分布存在r 电除尘嚣的各l 乜场中；此外在振打过程中，下落的尘片受到的宅气阻力很小f 落 时扰乱了水平气流，而且灰斗内的高浓度古尘气体会被搅动起柬形成返流。因此 在电陈尘器r u 场内尤其是住出口的底部隧域，选择个台适的气流速度能有效提高 华北电力大学硕士学位论文 电除尘器的效率1 1 5j 。 在此基础上，l l i n d 提出一个不同的气流分布模式，建议从第二电场开始气流 要精确地均匀分布。出口区底部低气速要不均匀地分布，这样可以减少由于振打产 生的二次扬尘，有效地减轻返流损失。进口不均匀剖面底部的气速要高一些，因为 这种与灰斗有相互作用的分布在第二电场一开始就能产生一种较好的均匀分布。此 外，在高粉尘负荷下，把过多的粉尘颗粒带到第一电场的顶部是不合理的，因为这 些粉尘最终会落到灰斗里1 1 6 】1 9 8 5 年l l i n d 提出了关于电除尘器内电场气流组织 的新观点：斜气流技术，在电场入口处采用上部流速低下部流速高的进口断面，而 在出口处刚好相反，采用上部流速高下部流速低的出口断面，这样就能有效地减轻 返流损失，提高电除尘器的效率【1 6 】。 a r t h u r g h e i n 在观察燃煤锅炉电除尘器基础上，建立了一个二维计算模型，并 用该模型来研究粉尘的运动，包括粉尘悬浮在斜气流中的水平运动和被捕集到收尘 板后的垂直运动，该模式用多依奇安德森方程模拟尘粒的水平运动，而尘粒从 集尘板向灰斗的垂直运动过程较复杂，会发生返流损失，还不能由理论计算。因此， a g h e i n 用能拟合实测浓度分布的函数关系( 称返流函数) 来模拟电场中落灰的返流 损失清况，采用可变参数来决定模型的准确性，计算了沉积在极板上不同位置的粉 尘下落时的返流量，模拟出真实的断面浓度分布。一台除尘器按照该模型采用了斜 气流技术后，除尘效率由9 7 9 6 提高到9 8 5 2 ，飞灰损失降低了2 7 5 。并且在对 飞灰粒径分布的分析中发现，粒径小于1 0 , u r n 的飞灰去除效率有较大提高。然而， 这个模型的一个严重缺陷是没有包括空间荷电、粒子荷电和电流密度等物理参数在 内，这就意味着模型中所应用的粉尘颗粒的迁移速率是不准确的【”d 引。 m s a r n a 对线状斜气流在提高电除尘效率方面进行了试验和分析，结果表明当 返流损失加重时，采用斜气流的除尘效率优于均匀气流。提出均匀分布是一个过于 严格的概念1 w j 。 m j e d r u s i k 等人对有扁平气体入口分布板的卧式电除尘器进行了气流分布的 物理模型试验和粉尘分离的计算机模拟研究，用s y m u l a x 程序计算模拟的结 果证明，通过加装阻流板和偏折导流板作获得的不同弯曲程度的气流流速廓线可以 获得比均匀气流廓线更高的电除尘效率【删。 高瑞生在分析振打返流的原因时，认为烟尘浓度的分布不均造成了集尘极上粉 尘层厚度不均匀，产生振打返流损失，进而提出了通过在电除尘器进出口调整气流 分布，使断面的粉尘浓度分布在单位时间内相对均匀，来降低振打返流损失，提高 除尘效率1 2 1 1 杜震宇在分析电场内流型对粒子返流的影响时，注意到若采用某种特定的不均 匀进出口气流分布，有可能得到高于均匀气流分布的除尘效率。应用电除尘器内二 4 华北电力大学硕士学位论文 维运动模型，通过对理想模型的分析，气流分布做适当变化，预测了高于均匀流动 的多依奇除尘效率值【2 2 1 。 杨衡等人在通过改变第二、三块气流分布板的局部开孔率形成电场内不同的气 流流型，分析电除尘器内气流流型对除尘效率的影响后，认为在电场内形成平滑过 渡的斜气流流型能有效降低细微粒子的飞灰损失，进而达到提高除尘效率的目的。 在对电场内的气流流动状态进行数值模拟的过程中，通过改变第二、第三块气流分 布板的局部开孔率获得了平滑过渡的斜气流流型【2 3 2 4 】。 徐国胜等人结合上海宝钢二烧机头电除尘器提效改造这一研究课题，针对宝钢 二烧机头2 6 4 m 2 电除尘器提效改造，采用斜气流技术进行了模拟试验，通过导流及 折流措施的实施，把气流调整到预定的斜气流廓线模式【2 5 1 。 李丽梅等人采用斜气流技术进行了模拟实验，指出气流调节对流速分布的影 响，确定了实验所需的斜气流实施方案【2 6 1 。 。 胡满银等人在实验室电除尘器模拟实验台上，保持气流分布板总开孔率不变的 情况下，变化不同部位的开孔率，测量电除尘器内的气流分布，实验表明改变不同 部位的开孔率，可以形成有一定规律的斜气流【1 1 l 。 虽然，目前还没有形成成熟的理论来解释斜气流能提高除尘效率的原因，但从 有资料报道的一些国家得到的实际运用经验来看，斜气流技术确实能有效降低返流 损失，提高电除尘器的除尘效率。 1 2 2 斜气流技术的应用 2 0 0 0 年8 月，加拿大a t c o 公司对巴顿河发电站的3 7 5 m w 5 号机组的电除尘 器进行了改造，在其中一个除尘室( 5 号机组电除尘器有两个完全相同的除尘室) 安装使用了斜气流技术( s g f r ) 。经测试评估，改进后的除尘室出口浓度降低了4 0 ， 除尘效率提高了2 7 5 。并且安装s g f r 可以将烟囱浓度从2 0 降低到1 2 ，仅在 一半的电除尘器中安装s g f t 技术就能得到2 0 的改进效果，也就是烟囱浓度可由 2 0 降至1 6 。对这种降低烟囱浓度技术进行了经济评估，减少6 分钟浓度平均值 的结果是减少了不论何种原因( 或设备问题或煤灰分的变化) 造成的发电量下降或 超标的发生频率，获得较高的单位利用率。延长两次超标的时间时隔，就能提高每 年的单位发电量，从而解决了巴顿河发电站因排放浓度超标而引起的发电量减少问 题【2 7 1 。 以色列电气公司( i e c ) m d a 电站在其四个3 5 0 m w 的燃煤发电机组电除尘 器上采用斜气流技术，检测了s g f t 安装前后的气流廓线，对相应的性能进行了评 估。得出在对除尘器没有做其它改装时，安装s g f t 的电除尘器排放物降低量大约 为5 0 n6 0 ，其中p m l o 粒子的通过率降低了4 6 3 ，分析其原因是由于二次扬尘 5 华北电力大学硕士学位论文 逃逸的减少，并且没有因安装s g f t 引起运行或维护费用的增加，从而证明s g f t 是一个简便而划算的减少排放物的方法f 9 1 。 美国h u n t i n g t o n 发电站1 9 9 7 年在其用于1 号4 0 0 m w 发电机组燃煤锅炉除尘的 电除尘器中加装了s g f t 装置，出口浓度减少了7 5 t 1 4 l 。 南非的一家大型石油化工企业s a s o l 在其燃煤锅炉除尘的电除尘器中加装 了s g f t 装置，测试显示：在没有用氨进行烟气调质的情况下，仅s g f t 可以减 少粉尘排放约4 8 。然而，s g f t 与用氨进行烟气调质同时应用时比单独使用氨进 行烟气调质除尘性能只有极少的提高。主要原因是用氨进行烟气调质使粉尘颗粒保 持凝聚，增加了进入灰斗的粉尘百分比。这说明s g f t 对除尘的影响主要是减少了 二次扬尘1 1 4 j 。 加拿大的h a r m a cp a c i f i c 公司在纳莫西的一家造纸厂的两室电除尘器的一室 安装了s g f t ，结果粉尘排放量由2 2 0 m g s m 3 下降到6 6m g s m 3 ，下降了7 0 1 1 4 1 。 2 0 0 3 年，k e n t u c k yu t i l i t i e s 为了降低其位于肯塔基州b u r g i n 的e w b r o w n 发电站的1 号l l o m w 燃煤发电机组的粉尘排放浓度而选择在1 号电除尘器内 应用斜气流技术，结果粉尘排放量下降了3 0 1 2 s l 。 上海宝山钢铁股份公司2 0 0 4 年对其两台两室2 6 4 m 2 烧结电除尘器进行了检 修和改造，基于此前在西安理工大学的实验数据，在其中的一台上加装了斜气流装 置，改造后的监测显示出口排放浓度减小了约2 8 3 【2 引。 1 3 计算流体力学( c f d ) 的发展 从牛顿奠定经典力学的理论和数学分析基础，伽利略开创实验研究的先例开 始，自然科学在理论和实验两个方面得到了充分发展。同样在流体力学研究方面， n s 方程的提出、p r a n d t l 边界层概念的提出、以至奇异摄动理论的提出使得流体 力学在理论层面上基本可以解决大多数问题。但是流体力学在解决实际应用问题的 时候却困难重重。2 0 世纪6 0 年代以后，计算流体力学理论和计算机技术取得了迅 速发展，使以数值模拟部分取代风洞实验成为可能。时至今日，计算机硬件条件的 飞速发展和越来越多的计算流体力学软件的诞生使得数值模拟逐渐成为解决实际 流体力学问题不可缺少的第三种手段。数值模拟的明显优势在于成本低，更突出的 是消耗极少的时间成本。 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是近代流体力学， 数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学，它以电子 计算机为工具，应用各种离散化的数学方法( 有限差分法、有限元法、边界元法和 有限体积法等) ，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究， 最终获得定量描述流场的数值解，以解决各种实际问题。计算流体力学和相关的计 6 华北电力大学硕士学位论文 算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、 动量和自定义标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程 的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。c f d 的基本特征是数值 模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，不受物理模型试验定律的限制，大大 地缩短了设计时间，节省了设计费用，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学 实验设备，有较强的适应性和灵活性，在科学研究和工程技术中产生了巨大的影响。 同时，计算流体力学还能够处理一些实验和理论分析都难以解决的问题f 3 0 1 。但是， 它的缺点是不像物理模型试验那样，一开始就能给出流动现象并作定性地描述，反 而需要通过对原型的观测或对物理模型进行试验，来获得某些流动参数并对建立的 数学模型进行验证1 3 。 目前，实验研究、理论分析方法和数值模拟已成为当前研究流体运动规律的三 种基本方法。数值模拟方法与模型试验方法之间的关系是相互依赖，互为补充的。 一方面，数值计算的结果是否正确，必须经过模型试验或现场实测进行验证；另一 方面，借助于流体力学软件计算，可以更全面、更深刻地认识我们所研究的气流流 动现象，并可以大大减少试验的工程量及费用，缩短设计周期。 1 4 本课题研究目的及内容 1 4 1 研究目的 本课题的研究目的旨在通过数值模拟的方法优化电除尘器除尘室内的气流流 型以提高除尘效率。目前采用的气流技术，电场进口断面气流是水平引进的，这时 气流所具有的动量驱使气流保持原水平运动状态，造成在电场捕集区后段含尘浓度 较高的底部气流垂直向上动，加重了返流损失，降低了微细粒子的捕集率。若在气 流进入进口断面时有一个合适的向上速度分量，这个向上的速度分量使气流在进口 和出口之间形成平稳的气流过渡，就可以达到减小电除尘器返流损失，提高除尘效 率的目的。 1 4 2 研究内容 本课题研究内容主要是通过三维建模软件g a m b i t 、流体计算软件f l u e n t 联合模拟建立一个电除尘器的三维模型，采用多孔介质模型模拟电除尘器内部气流 分布特性，并与工业用电除尘器所得实验数据对比，验证数值模拟的结果；本课题 采用在进气烟箱中气流分布板上加装导流板的方式产生斜气流，并模拟斜气流的形 成过程，计算比较对应工况下电除尘器内部流场速度分布，对计算结果进行分析， 提出较佳斜气流方案。 本课题是在考虑了二次扬尘和粉尘在电场中垂直方向上的不均匀分布特性的 7 华北电力大学硕士学位论文 前提下，建立除尘器本体的三维模型。输入的模型参数主要包括除尘器尺寸、操作 参数、初始气流速度等，精心设计气流分布装置，利用k 一双方程模型来模拟电除 尘器中气流运动状态，气流分布板选用多孔介质模型，通过f l u e n t 计算，对模拟结 果进行分析，以确定获得所期望的斜流线，从而找出较佳的导流板安装方式，对e s p 进行改造，使电除尘器入口和出口斜流线满足要求，从而获得较好除尘性能。 1 4 3 研究方法 论文采用实验与数值模拟想结合的方法。根据已有实验数据结果进行气流数值 模拟，对比实验数据与数值模拟结果，修定数值计算条件。然后进行斜气流模拟， 通过在模拟过程中调整电场入口处气流分布板上导流板的安装角度、间距及安装个 数，使得气流在通过第三块气流分布板后，形成电场入口断面底部流速高而顶部流 速低且具有向上分量的流动方式，气流进入电场后就形成了一个具有向上速度分量 的斜气流，这个向上分量使斜向气流在电场中从进口平滑过渡到出口，形成返流损 失最小的斜气流流型，达到气流流型优化的目的。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章电除尘器内三维流场数值模拟基础 2 1电除尘器综述 电除尘器是利用高电压产生的强场强使气体局部电离，并利用电场力实现粒子 与气流分离的除尘装置。电除尘器的放电极( 电晕极) 和收尘极( 集尘极) 接于高 压直流电源，当含尘气体通过两极间非均匀电场时，在放电极周围强电场作用下， 气体首先被电离，并使粉尘粒子荷电，荷电后的粉尘粒子在电场力的作用下推向集 尘极，从而达到除尘目的【3 2 1 。研究适应多变劣质媒种，低造价、多功能的电除尘 器已成为今后电除尘器的发展方向。 电除尘器主要有两大部分组成。一部分是产生高压直流电的供电机组和低压控 制装置，另一部分是电除尘器本体。本课题以电除尘器烟箱系统及电场中的流场为 研究对象，所以这里仅介绍相关的本体结构。 烟箱系统【3 5 l 包括进气烟箱和出气烟箱两部分( 如图2 1 所示) ，电除尘器通过烟 箱被连接到系统中。烟气通过电除尘器时，是从具有小断面的通风管过渡到大断面 的电场工作室，再由大断面的工作室过渡到小断面的通风管，如果直接连接，就会 在电除尘器的电场前出现了断面的突然扩大，在电除尘器的电场后出现了断面的突 然收缩。断面的骤变，将会引起气流的脱流、漩涡、回流，从而导致电场中的气流 极不均匀。为了改善电场中气流的均匀性，将渐扩的进气烟箱连到电除尘器电场前， 以便使气流逐渐扩散，将渐缩的出气烟箱连到除尘器的电场之后，以便使气流逐渐 被压缩。 图2 - 1 进气烟箱及出气烟箱结构示意图 如果在进气烟箱内不采取必要的措施，就会造成气体沿电场断面分布不均匀。 电除尘器断面上速度分布的不均匀性将影响除尘器的除尘效率，而且除尘器断面速 度分布越不均匀，其除尘效率越低。 9 华北电力大学硕士学位论文 本课题在安装气流均布装置的前提下，采用在进气烟箱内的气流分布板上加装 不同角度、间距及个数的导流板的方式形成斜气流，如下图2 2 所示。 导流板 屯场 入口 进口 c = = 夺 图2 2 电除尘器气流分布装置 2 2 湍流模型及其模拟方法 任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基 础的。经过多年的探索和研究，数值模拟的过程大致可以分成以下若干步骤：建立 基本守恒方程组，选择模型或封闭方法，建立离散化方程，确定边界条件，编程调 试求解【3 3 1 。 自然界和工业生产中所遇见的流体流动大部分都是湍流。湍流是一种十分复杂 的三维非稳态、带旋转的不规则流体运动。在湍流中流体的各种物理参数，如速度、 压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说，可以把湍流看成 是由各种不同尺度的涡旋叠加而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是 随机的。大尺度的涡旋主要是由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小 相比拟，是引起了低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是由粘性力所决定，其尺寸 可能只有流场尺度千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后 形成小尺度的涡旋。因而在充分发展的湍流区域内，流体涡旋的尺寸可在相当大的 范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断地从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用， 能量逐级向小尺度的涡旋传递。最后由于流体粘性的作用，小尺度的涡旋不断消失， 机械能就转化( 或称耗散) 为流体的热能。同时，由于边界、扰动及速度梯度的作用， 新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。由于流体内不同尺度涡旋的随机运动 造成了湍流的一个重要特点物理量的脉动1 3 4 1 。 湍流作用是影响流动阻力、热交换效率、物质混掺、化学反应速率的主要因素， 研究湍流流动特性并建立有效的模拟方法对于解决工程湍流问题具有重要意义。但 是，湍流流动十分复杂，具有很宽的尺度范围和近乎无穷多的自由度，试图通过纯 粹的理论分析和实验方法来研究其流动机理都遇到了相当大的困难，这就使得数值 1 0 华北电力大学硕士学位论文 模拟成为了湍流研究的一种重要手段。随着大量、高速度计算机的日益普及，特别 是湍流理论和计算方法的迅速发展，人们越来越重视运用数值模拟的方法来计算和 预测各种流体现象及流场内部结构。 2 2 1湍流模拟方法 关于湍流运动的数值计算，是目前计算流体力学中困难最多，研究最活跃的领 域之一。已经采用的数值计算方法可以大致分为以下三类【3 4 1 。 2 2 1 1 直接模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。d n s ) 这是用三维非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流进行直接数值计算的方法。对高 度复杂的湍流流动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间与空间步长，才能分 辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。例如要对紊流中的一个涡旋进 行数值计算，至少要设置1 0 个节点，这样对于在一个小尺度范围内进行的湍流运 动，在l c m 3 的流场中可能要布置1 0 5 个节点，其所需要的内存容量和运算速度远远 超过现阶段计算机的水平。由此可见，湍流的直接模拟对内存空间及计算速度的要 求非常高，目前还无法用于工程数值计算。 2 2 1 2 大涡模拟( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 按照湍流的涡旋学说，湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。大尺度 的涡从主流中获得能量，它们是高度的非各向同性，而且随流动的情形而异。大尺 度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的涡。小尺度涡的主要作用是耗散能量， 它们几乎是各向同性的，而且不同流动状态中的小尺度涡有许多共性。关于涡旋的 上述认识导致了大尺度涡模拟的数值解法。这种方法旨在用非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的 模型来考虑，这种影响被称为亚格子r e y n o l d s 应j 3 ( s u b g r i dr e y n o l d ss t r e s s ) 。大多 数亚格子r e y n o l d s 应力模型都是在涡粘性( e d d yv i s c o s i t y ) 基础上，即把湍流脉动所 造成的影响用一个湍流粘性系数，即涡粘性来描述。 大涡模拟方法对计算机内存及速度的要求虽然仍比较高，但低于直接模拟方法 对计算机资源的要求，在工作站甚至在p c 机上都可以进行一定的研究工作，因而 近年来的研究与应用日趋广泛。 2 2 1 3 雷诺时均方程( r e y n o l d s a v e r a g i n ge q u a t i o n ) 模拟方法 在工程应用中，人们对湍流的脉动量往往不太关注，最为关心的是流动要素的时均 值。在这类方法里，将非稳态控制方程对时间作平均，在所得出的关于时均物理量 的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所得方程的个数就小于未 知数量的个数，而且不可能依靠进一步的时均处理使控制方程组封闭，要使方程组 华北电力大学硕士学位论文 封闭，必须做出假设，即建立模型。这种模型把未知的更高阶的时间平均值表示成 较低阶的计算中可以确定的量的函数。这是目前工程湍流计算中所采用的基本方 法。 2 2 2湍流模型 从原则上说，求解各种湍流问题并无理论上的困难。因为，一方面描述湍流运 动的精确微分方程已经得出，即n s 方程。从数学观点来看，湍流就是n s 方程的 通解，求解湍流问题与求解层流问题并无本质区别；另一方面，数值计算方法的发 展，已足以求解n s 方程。但是现代计算机的存储能力和运算能力尚不足以求解任 何一个实际的湍流问题，直接模拟和大涡模拟，虽然将来最终会应用于工程实际， 但这两种方法主要依赖于超级计算机。目前可用于工程实际的模拟方法，仍然是从 r e y n o l d s 出发的模拟方法，这即是常说的。湍流模型。其基本出发点是利用某些 假设，将r e y n o l d s 时均化方程中的高阶湍流脉动关联项用低阶关联项或时均量来表 达，从而使r e y n o l d s 时均化方程组封闭。 2 2 2 1 湍流流动的雷诺方程组 描述湍流流动的基本方程是将n s 方程经时均化处理后得到的方程组，在直角 坐标系中可表示为： 4 詈+ i 考，一善+ 矗+ 者c p 诵 ， 由于方程中出现了新的脉动速度的二阶关联项，即雷诺应力项，致使方程组( 2 1 ) 与连续性方程不能封闭，应选择适当的湍流模型以使方程组封闭。 2 2 2 2 标准k 一模型 标准k 一模型的控制方程包括连续方程、动量方程、r e y n o l d s 应力表达式及能 量方程1 3 6 1 。 连续性方程： 詈+ 去( 舢) o c 2 彩 动量方程： 堕+ 等- 一考+ i aw , i 8 u i p u l u ) 8 t 8 x c 2 渤 缸；a b c ；一缸； 。 采用k 一模型后r e y n o l d s 应力表达式。 一一p u y , = 以尝+ 挈一吾肚岛 c 2 4 ， 华北电力大学硕士学位论文 湍流动能方程( 七方程) ； p 萼姜；当仞+丑)芒】+仇誓e+誓)一ps(2-5)+puj p i i 2 一卅盖i 卜仇葛譬+ i 卜胪 方程从左到右分别为：非稳态项、对流项、扩散项、产生项、消失项。其中d t 是脉动动能p r a n d t l 数，其值在1 0 左右，七是单位质量流体湍流脉动动能，湍流粘 性系数r , - 0 0 9 ，p 是密度，f 是耗散率。 湍流能