（环境工程专业论文）电除尘器气流分布数值模拟研究.pdf

摘要 论文题目：电除尘器气流分布数值模拟研究 学科专业：环境工程 研一究生：岳敏 指导教师：徐国胜教授 摘要 签名：耍敏 签名：a 公姆j 陟 随着新的污染物排放标准的颁布，电除尘器面临着前所未有的压力和挑战。如何经济、 有效地提高除尘效率，降低粉尘排放量，成为电除尘工作者研究的热点问题。气流分布是 影响电除尘器除尘效率的一个重要因素，以往对气流分布的调节是通过模型试验来完成， 但劳动强度大、耗时长、成本高。随着数值计算技术的发展，数值模拟逐渐成为强有力的 研究手段。利用高效、便捷的计算流体力学软件对电除尘器内部流场进行仿真，为气流分 布的设计和改造提供重要参数，缩短了工程周期，减少了盲目性，对提高电除尘器的环境 效益、社会效益和经济效益均具有重要的意义。 本文采取模拟模型模拟实型的技术路线，首先以菜钢厂2 6 4 m 2 电除尘器为原型， 依据计算流体动力学基本原理，以f l u e n t 软件为平台，探索出适合于电除尘器流场数 值模拟的方法和规律，分析了气流调节装置对流场的影响，并进行了模型试验的对照检验。 然后以此对河北辛集澳森钢铁有限公司1 4 5 m 2 电除尘器实型进行了流场计算，并将所得 方案工程实用，取得了良好的效果。 本文得出的主要结论如下： ( 1 ) 使用计算流体动力学软件hi7 e n r 软件，采用标准r 一8 模型和壁面函数法 对电除尘器流场进行数值模拟计算，计算方法可靠，计算准确度满足工程需求，可直接指 导工程实践。 ( 2 ) 气流遇上气流分布板时，中间部位速度大的气流动能减小程度最大，气体静压 增大的程度大，周围气流受到阻力后动能减小的程度小，静压增大的程度也小。进气烟箱 内设置两层气流分布板时，静压的变化主要集中在第一层分布板处，第二层分布板处的静 压变化不明显。 ( 3 ) 用多孔跳跃模型对气流分布板进行简化计算，在分布板附近计算出来的速度分 布与模型试验结果差别较大，但离开分布板一定距离后，速度分布是趋于一致的。 ( 4 ) 仅在进气烟箱内设置气流分布板是不够的，要视情况布置导流板；出气烟箱内 设置气流分布板会改善电场出口断面的流速分布，但对电场区内的气流分布影响不大。 关键词：电除尘器；气流分布；数值模拟；模型试验 西安理工大学硕士学位论文 1 1 t i e ：n u m e r i c a ls l m u l m o na n ds t u d yo fa i r f l o w d i s t r i b u t i o ni ne l e c t r o s l a t i cp r e c i p i t 再r m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：y u e m i n s u p e r v i s o r = p r o f g u o s h e n gx u a b i s t r a c t s i g n a t u r e ：血4 垫 s i g n a t 叭：盖曲 a l o n gw i t hn e we m i s s i o ns t a n d a r do fa i rp o l l u t a n t sc o m i n go u t , e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r f a c e sg r e a ts t r e s sa n dc h a l l c g e h o wt oi m p r o v ed u s tc o u e e t i n ge f f i c i e n te c o n o m i c a l l ya n d e f f e c t i v e l ya n dr e d u c ed u s te m i s s i o nq u a n t i t ya r eb e c o m i n gf o c u s e sw h i c ho p e r a t o r sr e s e a r c h o n a i r f l o wd i s t r i b u t i o ni so n eo fi m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gd u s tc o l l e c t i n ge f f i c i e n c yo f e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r p r e v i o u s l y , a i l r n o wd i s t r i b u t i o na d j u s t i n gi ss o l v e db ym o d e l e x p e r i m e n t s ，b u tm o d e le x p e r i m e n t st a k eag r e a td e a lo fm a n p o w e r , t i m ea n dm a r t i a l r e s o u r c e s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt e c h n i q u e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb e c o m e s a s t r o n gm e a l l st os o l v et h i sk i n do fp r o b l e m sg r a d u a l l y s i m u l a t i n gf l o wf i e l di ne l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o ru s i n ge f f e c t i v ec f d s o f t w a r ec a no f f e ri m p o r t a n tp a r a m e t e r st oa i r f l o wd i s t r i b u t i o n d e s i g na n da l t e r a t i o n , s h o r t e ne x p e r i m e n tp e r i o da n dd e c r e 蠲eb l i n d n e s s , i th a sv i t a ls i g n i f i c a n c e o na d v a n c i n ge n v i r o n m e n t a lb e n e f i t , s o c i a lb e n e f i ta n de c o n o m i c a lb e n e f i to fe l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r t h i sp a p e rt a k e st h et e c h n i q u ew a yo fs i m u l a t i n gm o d e l s i m u l a t i n ga n t e t y p e , t a k e st h e e l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o rw i t h1 4 5 m 2e l e c t r i cf i e l da r e ao f c e r t a i ns t e e lm i l l 船a n t e t y p e ，b a s e so n p r i n c i p l eo fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n dt a k e sf l u e n t a sp l a t f o r m m e a s l e sa n dl a w s s u i t a b l ef o re l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rf l o wf i e l ds i m u l a t i o ni se x p l o r e da n dt h ee f f e c to fa i r f l o w a d j u s t i n gd e v i c e so nf l o wf i e l di sa n a l y z e d ，t h er e s u l t so fc a l c u l a t i o na r ec o m p a r 甜w i t hm o d e l e x p e r i m e n t t h c n , t h ef l o wf i e l do fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rw i t h1 4 5 m 2e l e c t r i cf i e l da r e ai n h e b e ix i n j ia o s e ns t e e lc o r p o r a t i o ni ss i m u l a t e d ，t h es c h e m eg o tf x o ms i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n i su s e dp r a c t i c a l l ya n dg a i n sf a v o r a b l ee f f e c t m a i nc o n c l u s i o n so b t a i n e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ： ( 1 ) t h ef l o wf i e l do fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o ri ss i m u l a t e du s i n gf l u e n t ，s t a n d a r d j r sm o d e la n dw a l lf u n c t i o n , t h i sc a l c u l a t i o nm e t h o di sr e l i a b l e t h er e s u l t sm e e tt h en e e d so f i i p r o j e c t , i tc a ng u i d ep r a c t i c a lp r o j e c td i r e c t l y ( 2 ) w h e na i r f l o wm e e t sa i r n o wd i s t f f o u t i o nb o a r d ，a i r f l o wi nt h em i d s tw i t hh i g hs p e e d l o s e sg r e a t e s tk i n e t i ce n e r g ya n dh a sg r e a t e s ts t a t i cp r e s s u r ei n c r e a s e d ；a i l 咀o wa l la r o u n dl o s e s t i t t l ek i n e t i ce n e r g ya n dh a st i t t l es t a t i c p r e s s u r ei n c r e a s e d w h e np u t t i n gt w oa i r f l o w d i s t n b u t i o nb o a r d si nt h ei n l e ts m o k e b o x , t h ec h a n g eo fs t a t i cp r e s s u r ec o n c e n t r a t e so nt h ef i r s t b o a r d , t h ec h a n g eo ft h es e c o n db o a r di sn o to b v i o u s ( 3 ) w h e ns i m u l a t i n g a i r f l o w d i s t n b u t i o n b o a r d u s i n g p o r o u s - j u m p m o d e l , t h e r e i s g r e a t e r d i f f e r e n e eb e t w c e nc a l c u l a t i n gr e s u l t sa n de x p e r i m e n tr e s u l t sd e a rt h eb o a r d , b u tv e l o c i t y d i s t r i b u t i o no f t h e mg o e sc o n s i s t e n tw h e nt h e r ei sac e r t a i nd i s t a n c ea w a yf r o mt h eb o a r d ( 4 ) i ti sn o te n o u g ht op u ta l l o wd i s t r i b u t i o nb o a r d si nt h ei n l e ts m o k e b o xo n l y , i tn e e d s t os e t u pa i r n o wg u i d ep l a t e sr e g a r d i n gc i r c s a i r f l o v , d i s t r i b u t i o nb o a r d si nt h eo u t l e ts m o k e b o x c a ni m p r o v ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h es e c t i o na tt h ee l e c t r i cf i e l do u t l e t , b u ti th a st i t t l e i n f l u e n c eo l l lt h ea i r n o wd i s t r i b u t i o ni ne l e c t r i cf i e l d 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 ：a i r n 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 ) m o d e l e x p e r i m e n t 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所沦述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：篷j 熟 婀年7 月刁日 学位论文使用授权声明 本人星熟在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：岳熟 导师签名：龟坌迥2 螬埘年；月刁日 绪论 1 绪论 1 1 引言 中国是典型的煤炭型污染国家，烟尘污染阿题过去曾经是、现在也还是、未来一段时 间内恐怕仍然是制约中国可持续发展战略实旋的重大环境问题之一 火力发电厂等燃煤企业是中国最主要的烟尘排放源，也是烟尘污染治理的重点。当前， 我国电力行业进入了一个新的发展阶段，为达到2 0 2 0 年经济总量在2 0 0 0 年的基础上翻两 番的目标，电力需求量将大幅增长，预计届时全国总装机容量必须达9 亿1 0 亿千瓦才 能满足经济发展的要求。而按照目前的排放控制水平，我国火电厂年排放的烟尘、二氧化 硫和氮氧化物将分别达到5 0 0 万吨、2 1 0 0 万吨和1 0 0 0 万吨以上，因此，如果火电厂排放 的大气污染物得不到有效控制，我国将面临十分严峻的大气环境恶化问题，电力行业的可 持续发展也将成为一纸空谈n 。此外，水泥、冶金、有色、造纸、化工等行业的烟尘排放 量也不容忽视。 进入2 1 世纪以后，我国把“大力推进科学技术进步，加强环境科学研究，积极发展 环保产业”作为经济发展的重要相关政策，环保产业进一步得到重视。随着国家对污染控 制要求的不断提高，对粉尘排放的要求也大幅提高。火电厂大气污染物排放标准 ( g b l 3 2 2 3 - 2 0 0 3 ) 规定新建电厂的粉尘排放浓度需控制在5 0 m g n m 3 以下，大大低于以前的 2 0 0m g n m 3 ”。 电除尘器净化效率高、设备阻力小、工作稳定可靠、运行费用低、处理烟气量大“1 ， 是火电厂除尘的主导设备。随着新的污染物排放标准的颁布，电除尘器面临着前所未有的 压力和挑战，原标准下建造的设备大多无法满足新的排放要求，因此，如何经济、有效地 提高除尘效率，降低粉尘排放量，已成为电除尘工作者研究的热点问题4 1 。 1 2 研究目的和意义 影响电除尘器除尘效率的因素很多，其中气流分布是一个重要因素。电除尘器内气流 分布情况与本体结构、气流调节部件的设置及管道设计等因素有关。理论计算和类比数据 表明，这些因素综合起来往往会使除尘效率变化2 0 3 0 “1 。在进行电除尘器的设计和 改造时，均要进行气流分布试验。目前国内外的气流分布研究方法主要有两大类：模型试 验方法和数值模拟方法。 现阶段电除尘器的气流分布设计通常依据模型试验确定。但模型试验往往带有较大的 随机性和主观性，调试较为困难，致使劳动强度大、耗时长，且当工程设计结束后，针对 具体工程建立的气流分布模型试验台不能重复使用，造成材料的较大浪费。 此外，由于环保标准的日益严格，大批项目的改造迫在眉睫。某些改造方案通常采用 增大集尘面积、增加电场长度或增多电场数量来弥补收尘效率不高的缺陷，但这样往往使 设备的长期运行费用增大，而且许多旧设备改造不允许增加电场和设备规格。相比之下， 应用气流分布技术进行气流分布调整，对进、出风口及内部系统稍加改造就可使除尘效率 西安理工大学硕士学位论文 明显提高，工作量小、经济易行，且适用于所有的电除尘器改造项目n 1 ，但通过气流分布 模型试验进行气流分布调整耗时过长，有时无法满足改造工期短的要求，而采用数值模拟 方法则可以克服以上缺点。 与耗费大量的人力、物力、时间进行模型试验相比，采用数值模拟方法研究电除尘器 内气流分布情况，分析气流调节装置对流场的影响，使气流分布呈现预定状态，实现气流 流态的可控化，周期短、费用低。数值模拟可以形象地再现流动情景，随着各种数值计算 方法和计算软件不断得以完善、计算结果的准确性不断得以提高，数值模拟方法在应用中 所占的比例会越来越大n 1 。因此，利用高效、便捷的计算流体力学软件对电除尘器内部流 场进行仿真，为气流分布的设计和改造提供重要参数，缩短了工程周期，减少了设计和改 造的盲目性，有效提高了电除尘效率，对提高电除尘器的环境效益、社会效益和经济效益 均具有重要的意义 1 3 气流分布研究方法 目前国内外的气流分布研究方法主要有两大类：模型试验方法和数值模拟方法。数值 模拟方法与模型试验方法相互依赖、互为补充。一方面，数值计算的结果是否正确，必须 经模型试验或原型实测进行验证；另一方面，借助于流体动力学计算，可以更全面、更深 刻地认识所研究的流动现象，可以大大减少试验的工程量、缩短研究周期、提高研究水平。 某种计算方法或某些计算结果若得到实践检验的认可，就可以应用于工程实践。虽然这两 种方法还不能相互替代，随着各种数值计算方法和计算软件不断完善、计算结果的准确性 不断提高，数值模拟方法在应用中所占的比例会越来越大。 1 3 1 模型试验方法 电除尘器内气流流型的确定主要是通过气流分布模型试验来实现的，在模型内调整影 响气流分布的主要部件，使模型的气流流型达到预计流型，同比放大到实型中，稍做调整 即可。 几乎所有国内外有名的公司及研究机构( 美国柯特雷尔公司、德国鲁奇公司、瑞士依 莱克斯公司、瑞典菲达公司、南方研究所等) 都建立了电除尘器气流分布试验台“1 。随着 国内电除尘技术的日趋成熟，许多科研单位及生产厂家，如：武汉冶金安全技术研究所、 宣化冶金环保设备厂、诸暨电除尘器研究所、西安重型机械研究所、西安理工大学环境科 学研究所等单位，都相继建立了不同形式的气流分布试验台，气流分布研究也逐步深入开 展。 模型试验建立在严格的流体力学基础上，只要使实体和模型满足流体运动三大相似定 律的基本条件，一般能使模型试验和现场测试的结果在气流特性和气流形态方面获得十分 一致的定量效果。由于粘性流体在流动时具有“自模性”和“稳定性”，因此只要保证二 者几何严格相似和流动状况同在第二自模区内，就可将模型测试结果应用到实体设计中。 为兼求经济和测试准确，模型实体比一般为1 ；8 1 ：1 6 “1 。模型中一般应考虑设置模拟 2 绪论 极板和模拟阻力，模拟极板设置与否，与其对电场区气流分布影响大小及气流流向有关， 在电场区用不模拟阻力的平板会使模型测得的结果比实体差。 一般气流的测定断面选择在每个电场的入口侧且紧靠收尘极板处，因为该断面的气流 均布性能代表相应电场的气流流动情况，测定断面与进气烟箱的气流分布板距离应大于孔 径的8 1 0 倍，以防穿过孔板的射流影响其测定效果“1 。通过对电除尘器中气流流动状况 的分析可以发现气流穿过分布板后达到稳定的距离约在0 ? m 1 0 m ，故测量断面应设在 距离分布板l m 左右的地方，测点只要保证在水平方向上每个通道上布设一个、垂直方向 上两测点之间的距离不大于l m 即可n 1 ( 模型内同比缩小) 电除尘技术标准里规定进行 气流均布测试时，一个测试断面至少要布设6 4 个测点。对于在一除尘器内串连几个电场 的情况，由于第一电场的气流均布性较其它电场差，所以仅测定第一电场入口断面上的气 流分布情况即可，当然，这只适合于正常运行的“无病”除尘器，对于有多处漏风及空间 障碍物干扰的除尘器，则另当别论n ”。 现阶段气流分布模型试验及测试发展较快，但测试数据的分析处理进展缓慢，一般都 是针对某个项目搭建试验台，项目结束后模型报废，数据被弃之一旁，很少系统地分析归 纳总结，也未引进先进的数据处理方法，没有得出一定的调试规律，从而导致调试的工作 量和难度一如继往 1 。3 2 数值模拟方法 数值模拟的理论基础是计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lh u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 。 a c 印简介 计算流体动力学是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立 科学，通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系 统所做的分析。 c f e ) 的基本思想可归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度 场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建 立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的 近似值。c f d 可以看做是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方 程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个 位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的 变化特性7 c f d 方法与传统的理论分析方法、试验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体 系。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导试验 研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化， 才有可能得出理论解。试验测量方法得到的试验结果真实可信，它是理论分析和数值方法 的基础，其重要性不容低估。然而，试验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量 精度的限制，有时很难通过试验方法得到结果。此外，试验还会遇到经费投入、人力和物 3 西安理工大学硕士学位论文 力的巨大耗费及周期长等许多困难。而c f d 方法恰好克服了前两种方法的弱点，在计算 机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理试验，通过计算并将其结果在屏 幕上显示，就可以看到流场的各种细节 采用c f d 方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤： ( 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反映问题 各个量之间关系的微分方程及其相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。没有正确完善 的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守 恒方程、能量守恒方程以及这些方程相应的定解条件 ( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法， 如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方 法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些内容是c f d 的核心。 ( 3 ) 编制程序和进行计算。这部分工作包括网格划分、初始条件和边界条件的输入、 控制参数的设定等这是整个工作中花时间最多的部分。由于求解的问题比较复杂，数值 求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过试验加以验证正是从这个意义上讲， 数值模拟又叫数值试验。 ( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分析质量 和结果有重要参考意义。 b c 印软件简介 c f d 软件于2 0 世纪7 0 年代诞生在美国，现已成为解决各种流体流动与传热问题的 强有力的工具，成功应用于航空、航天、船舶、动力、水利、化工、核能、冶金、建筑、 环境等各种科学技术领域。常用的c f d 软件有p h 0 恸虹c s 、c f x 、s t a r - c d 、f i d i p 、 f l u e n t 等，这些软件的显著特点是： ( 1 ) 功能比较全面、适用性强，几乎可以求解工程界中的各种复杂问题； ( 2 ) 具有比较易用的前后处理系统和其他c a d 及c f d 软件的接口能力，便于用户 快速完成造型、网格划分等工作同时，还可让用户扩展自己的开发模块； ( 3 ) 具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高； ( 4 ) 可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行 本课题进行模拟计算采用的软件是f l u e n t 软件。 f l u e n t 软件是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一， 其市场占有率达4 0 左右。f l u e n t 软件针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合 于它的数值解法以在计算速度、稳定性和精度等方面达到最优。 f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包括三角形、 四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型 非结构网格，允许用户根据解的具体情况对网格进行修改。f l u e n t 可用于二维平面、 二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不 4 绪论 可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、 多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析等。f l u e n t 可以让用户定义多 种边界条件，如流动入口及出口边界条件、壁面边界条件等，可采用多种局部的笛卡儿和 圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。 f l u e n t 提供的用户自定义子程序功能，可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量 方程或组分输运方程中的体积源项，自定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的 标量方程和多孔介质模型等在f l u e n t 中，解的计算与显示可以通过交互式的用户界 面来完成。用户还可使用基于c 语言的用户自定义函数功能对f l u e n t 进行扩展e 1 4 1 。 f l u e n t 软件的计算结构主要由前处理、求解器及后处理三大模块组成n ”。在使用 f l u e n t 进行数值计算之前，首先使用f il j e n t 的专用前处理软件g a m b i t 建立几何模 型，划分网格，初步定义边界类型；之后将生成的网格文件输入到f l u e n t 中进行计算 分析；最后对计算结果进行后处理。用f l u e n t 进行模拟计算时的通用程序如图1 - 1 所 示： 甸嘭甸嘭两甸 确定边界尺寸 计算结果可视化 图1 - 1f l u e n t 软件运行的通用程序n “” f i g 1 - 1f i a j e n tg e n e r a lp r o g r a m 1 4 气流分布数值模拟概况 二十世纪八十年代中期至九十年代中期，随着计算机技术的发展，国外开始采用流体 动力学软件计算电除尘器内气流分布和压力分布情况，给出不同气流分布板的布置方法。 n i e l se n i e i s c n , l e i f l i n d 等人利用s t a r - c d 软件模拟电除尘器中的气流分布，集中 模拟安装在电除尘器进、出口的气流分布板，计算显示在集尘板底部被吹起的粉尘在均匀 气流状态下产生的二次飞扬比在斜气流状态下严重，计算结果表明电除尘器中紊流数学模 型是一种强有效的研究工具，可以部分代替在试验中进行测试的物理模型k 1 8 | 。 m j e d r u s i k ，a s w i e r c z o 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 结果证明了通过合适的加装阻流分布板和偏折导流板所获得的不同弯曲程度的气流流速 5 昌 扫 钐 西安理工大学硕士学位论文 廓线可以得到比均匀气流廓线更高的除尘效率n ” 侯争胜、高海宁等人使用c f x - t a s cf l o w 计算软件，引入非正交网络、非交错网 络技术计算某电除尘器4 个室之间的烟气量偏差和气流均匀性，并得出了烟道内导流板、 气流分布板的优化布置方案哺- 。 党小庆、袁胜利等人在电除尘器气流分布模型试验基础上，运用f l u e n t 软件对电 场进口断面气流分布状态进行了数值模拟，根据电除尘器布置条件和进口喇叭气流分布板 结构特点，对计算模型做了适当简化，计算结果与模型试验吻合n ”“。 杨衡等人在对电场内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”1 涂建华、袁伟峰、朱培军提出了一种电除尘器内气流分布的简易计算模拟方法，把气 流分布板作为均匀的透气板看待，使多孔板阻力与均匀透气板阻力等效，从而大幅度减少 网格数量和计算时间“1 张颉、张泽、胡永峰提出并证明了利用近流线数值模拟方法可以详细真实地模拟高浓 度电除尘器入口封头内部结构及其气固两相流动，得出了气相速度分布、颗粒浓度分布和 流动阻力特性分布憎， 胡满银等人对常规均匀气流设计了五种不同渐扩管扩散角度的烟箱模型，分别进行三 维流场数值模拟计算，对进气烟箱出口处的气流分布均匀程度进行评价胁1 ，并对横向极 板电除尘器= 维流场进行数值模拟研究，通过改变除尘器入口的烟气流速，得到内部流场 随进口流速变化的规律瞄1 。 1 5 研究方法和研究内容 本文综合考虑当前对原型直接进行数值模拟的准确性问题和模型试验的可靠性，采取 模拟模型模拟实型的技术路线，依据计算流体动力学基本原理，对某钢厂2 6 4 m 2 电 除尘器气流分布模型进行流场实测和数值模拟计算，用实测数据检验计算结果，探寻适合 于电除尘器流场数值模拟的方法和规律，分析气流调节装置对流场的影响，然后结合河北 辛集澳森钢铁有限公司1 4 5 m ? 烧结机头电除尘器实型进行计算，观测其运行效果，进一 步检验计算方法的可靠性，为最终开发出准确、便捷的电除尘器流场计算通用程序，提升 气流分布技术水平，提高收尘效率，扩大电除尘器的应用范围奠定基础。 ( 1 ) 建造模型试验台，进行模型试验，根据进、出气烟箱内气流分布板的不同形式 和布置方式将试验分为若干组，分别采集测试断面上各测点的风速值和用于数值计算赋值 的有关参数，并对各组进行流向观察试验，分析气流分布板对流场的影响，总结气流分布 板不同形式和布置方式下的气流分布规律； c 2 ) 根据电除尘器内气流流动特点，参照国内外相关模型，结合本课题所依照的物 理模型的情况，建立几何模型和数学模型进行试算，分析网格类型、网格数量、边界条件、 控制方程的离散格式、离散方程的求解方法和相关参数的设置等因素对计算结果的影响， 探索适合于电除尘器流场数值模拟的方法和规律； 6 绪论 ( 3 ) 根据模拟计算的特点和模型试验的实际情况，分别针对进、出气烟箱内气流分 布板的不同布置方式进行模拟计算，分析在气流分布板的不同布置方式下除尘器内压力、 气流流向和速度大小的变化规律。对比数值计算结果和试验结果，以二者的吻合程度判断 该数值计算方法是否可靠、实用： ( 4 ) 按照前面确立的数值模拟方法对河北辛集澳森钢铁有限公司1 4 5m 2 电除尘器实 型的流场进行模拟计算，根据该除尘器的结构特点和原始状态下的流场特点，分析烟道弯 头内导流板对气流的影响和进气烟箱内导流板的宽度、角度、数量、安装位置对流场的影 响，尝试不同的导流板布置方案，最终确定使电场内气流均匀分布的导流板优化布置方案， 将该方案用于实际工程观测其运行效果以进一步检验该计算方法是否可靠。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 电除尘器基本原理及其空气动力场分布特性 2 1 电除尘器工作的基本原理 电除尘器利用高压电源产生的强电场使气体电离，即产生电晕放电，使悬浮尘粒荷电， 并在电场力的作用下使尘粒沉积在集尘极上，将尘粒从含尘气体中分离出来。 电除尘器的除尘过程大致可分为三个阶段：悬浮粉尘粒子的荷电、荷电粉尘粒子在电 场中的迁移和捕集、振打清灰”。 ( 1 ) 悬浮粉尘粒子的荷电：在两个曲率半径相差较大的金属阳极和阴极上，通以高 压直流电，维持一个足以使气体电离的电场，气体电离后产生的电子、阴离子和阳离子， 吸附在通过电场的粉尘上，实现粉尘的荷电。 ( 2 ) 荷电粉尘粒子在电场中的迁移和捕集：荷电粉尘在电场力的作用下，向电极性 相反的电极运动，并沉积在电极表面。 ( 3 ) 振打清灰：电极表面上的粉尘沉积到一定厚度后，用机械振打等手段将其清除 掉，使之落入下部灰斗中。 2 2 影响电除尘器性能的因素 影响电除尘器性能的因素主要包括粉尘特性、烟气性质、本体结构性能和供电控制质 量四大类5 1 t 3 l l 。 ，粉尘特性：粉尘比电阻、粉尘粒径、粉尘密度、粉尘粘附性 i烟气性质：烟气的温度、压力、成分、湿度、含尘浓度 除尘性能影响因素 本体结构性能：本体几何参数、电场风速、气流分布均匀性、 i 电极配置、清灰方式、外壳严密程度 供电控制质量：电压波形、匹配阻抗、控制方式 粉尘特性和烟气性质是影响电除尘器性能的外在的不易控制的因素，也是在电除尘器 本体结构设计时应重点考虑的因素，应做到量体裁衣、有的放矢、扬长避短。对于已投运 的电除尘器，由于燃烧煤种和锅炉负荷的变化，必然会影响到电除尘器的性能，此时应重 点考虑充分发挥供电控制设备的作用，选择不同的供电方式和控制特性，以自动跟踪和适 应各种工况条件的变化，使电除尘器长期保持高效、安全、稳定运行电除尘器内气流分 布情况是影响除尘效率的一个重要因素，气流分布情况与本体结构、气流调节部件的设置 及管道设计等因素有关，理论计算和类比数据表明，这些因素综合起来往往会使除尘器的 效率变化2 0 3 0 。因此，在进行电除尘器的设计和改造时，很有必要进行气流分布模 型试验或流场模拟计算，以此来确定导流板和气流分布板的形式和安装位置，使除尘器内 气流分布满足均匀性要求。 2 3 电除尘器空气动力场的描述 实际运行中的电除尘器内的空气动力场相当复杂。人们总是希望烟气能够按相同的设 8 电除尘器基本原理及其空气动力场分布特性 计速度均匀地平行通过各电场内极板间的平行通道，然而，由于设备本身的结构特性和某 些组成部件在布置上的不尽合理及其它种种原因( 如漏风等原因) ，致使气流出现各种紊 乱状态睁”。这些紊乱包括： ( 1 ) 气流沿电场整个流通截面上的分布不均。可分为沿截面上下方向( 纵向) 上的 不均和沿左右方向( 横向) 上的不均。 气流 亡= = = 图2 - 1 入口纵向断面气流分布不均 f 蟾2 - 1u n u n i f o r ma i l t l o wd i s t n b u f i o ni nl c - n g t h w a y so r i e n t a t i o na tt h ec n t t a n g e 气流 c = 图2 - 2 入口横向断面气流分布不均 h g 2 - 2u n u n i f o r ma i l n o w d i s t r i b u t i o ni nl a n d s c a p eo r i e n t a t i o na tt h ee n u a n c e ( 2 ) 电场内局部区域出现涡流和偏离方向的气流冲击、射流或大的脉冲气流等，由 于各种设备的结构形式及其具体安装和布置上的差异，紊流程度各不相同。 2 4 气流分布对除尘效率的影响 电除尘器内空气动力场分布状况是影响电除尘器性能的最主要因素之一。除尘器内 气流分布不均对电除尘器总收尘效率的影响，不亚于电场内作用于粉尘粒子的静电力对收 尘效率的影响“，。 从降低除尘器造价和减小占地面积的观点出发，应该尽量提高电场风速，以缩小电 除尘器的体积，特别对旧企业的改造，减少电除尘器的占地面积尤其重要。但是如果电场 风速过高，荷电粉尘来不及沉降就被气流带出，同时也容易使已经沉积在收尘极的粉尘层 产生二次飞扬，特别是在电极进行清灰振打时更容易产生二次飞扬。确定电场风速的大小 除了与粉尘性质有关外，还与收尘极板的结构形式、粉尘对极板的粘附力大小及电晕极放 电性能等因素有关电场风速与电收尘性能的准确定量关系很难确定，但是从收尘效率公 式来看，一般规律是电场风速增高，收尘效率会相应降低。按照设计要求电除尘器电场风 9 西安理工大学硕士学位论文 速应小于或等于1 2 m s ，这可以根据电除尘器处理烟气量的要求和电场流通断面确定，但 这样确定的风速仅是断面平均风速，并不能保证断面各点的风速“1 。 气流分布不均匀将对电除尘器的运行产生以下影响“儿踟啪1 ： ( 1 ) 在气流速度不同的区域所捕集的粉尘量不一样。即气流速度低的地方收尘效率 高，捕集的粉尘量多；气流速度高的地方，收尘效率低，捕集的粉尘量少但因风速降低 而增大的粉尘捕集量并不能弥补由于风速过高而减少的粉尘捕集量，从而导致总除尘效率 的大幅下降。 ( 2 ) 局部气流速度高的地方会出现冲刷现象，将已经沉积在收尘极板上和灰斗内的 粉尘再次大量扬起，即产生二次扬尘。 ( 3 ) 局部气流速度过高将使收尘极板表面产生压力梯度，使颗粒受到与电场力相反 的压力，阻碍微小颗粒向收尘极板接近 ( 4 ) 过高的电场风速将在局部产生涡流。 ( 5 ) 在低流速区域，电晕线上可能积灰过多，抑止电晕的产生，引起不均匀的电晕 放电，使除尘过程处于不正常的状态，并且会形成低温区域而引起局部的壳体腐蚀 ( 6 ) 可能除尘器进口的含尘浓度就不均匀，导致除尘器内某些部位堆积过多的粉尘 若在管道、弯头、导流板和分布板等处存积大量粉尘，会反过来又进一步破坏气流的均匀 性。 2 5 气流分布不均匀的原因 气流分布不均匀的原因主要有以下几个方面脚1 ： ( 1 ) 电除尘器入口前的水平烟道太短，弯头未设导流板或导流板设计不合理，造成 除尘器来流不均匀。 ( 2 ) 入口烟箱和气流分布板设计不合理，造成除尘器进流不均匀。 ( 3 ) 电除尘器本体结构设计缺陷，造成局部阻力过大 ( 4 ) 电除尘器左右室或并联的两台设备之间烟气分配不均，产生偏流。 ( 5 ) 锅炉运行不稳定，实际烟气量大大高于设计值，造成局部涡流 ( 6 ) 燃用煤种灰分不稳定，实际灰分大大高于设计值，致使烟气含尘浓度过高。 ( 7 ) 设备漏风严重。 上述( 1 ) ( 4 ) 项属于设计原因，( 5 ) 、( 6 ) 项属于运行原因，第( 7 ) 项通常为设 备维护原因。当然由于设备维护造成气流分布不均的原因还有很多，如导流板和均布板锈 蚀、脱落，入口烟道和烟箱底部严重积灰等。此外，除灰系统等附属设备的设计安装不合 理、运行不正常也会影响电除尘器的空气动力场。 2 6 改善气流均匀性的措施 2 6 1 导流板 电除尘器基本原理及其空气动力场分布特性 当烟道突然拐弯时，气流被迫发生转向。烟道内侧气流转向的曲率半径小，受扰动 大，这时气流往往有沿烟道内侧壁面逆向流动的特性，形成大的涡流。而外侧气流转向的 曲率半径大，受扰动小，气流的动压头损失小，加上受内侧气流的挤压，流速不仅不降低， 反而增大。安装导流板可以使这种情况有所改善，这也是电除尘器管道系统设计中常采用 的一项措施。 图2 - 3 垂直向上转水平烟道弯管的气流分布 f i g 2 - 3a r n o wd i s t n 3 ，u t i