（动力机械及工程专业论文）省煤器灰斗结构对电站煤粉锅炉烟气的预除尘性能研究.pdf

北京交通大学硕士论文中文摘要 中文摘要 摘要：近年来，环境保护越来越受到重视。火力电站的燃煤锅炉在生产时产 生大量的废气，包括氮氧化物、硫氧化物、飞灰等，因此，火力电站是颗粒污染 物的重要来源之一。目前，电除尘器是电站的主要除尘设备之一，当烟气没有经 过预除尘时烟气中粉尘颗粒的含量较多，电除尘器的除尘效率较低，能量损失大。 为提高电站的除尘效率，减少能量损失，减少烟气的颗粒物对于空气预热器等的 磨损，在省煤器下增设灰斗对烟气进行预除尘，能够很好的满足生产要求。 为较大限度地提高除尘效率、减少压力损失，对省煤器灰斗系统进行优化， 包括对灰斗的形状以及在转向室中所布置的导流板。通过冷态锅炉实验与数值模 拟相结合的方法研究系统的性能，研究过程中对于冷态实验的搭建及改进提出了 一些建议，并验证了模拟的可行性。实验中为保证流动相似采用了欧拉相似准则， 在满足第二自模区要求的同时能够降低对动力设备的要求，减少风机的给风量。 本文采用了商业软件f l u e n t ，应用颗粒轨道模型对系统进行数值模拟计算，并 与实验结果进行对比。通过对多种情况下的气相流场性能、颗粒运动轨迹、除尘 效率及压力损失的分析，发现导流板的布置位置对于系统的性能有很大的影响。 研究发现，颗粒的大小以及颗粒进入系统的位置对于颗粒的运动轨迹有着重要影 响，直接影响系统的除尘效率，初始位置距离出口较远及直径较大的颗粒容易被 灰斗系统所收集；导流板可以优化出口的流场分布，减轻由于速度分布不均而对 烟道某一侧面造成的磨损；导流板的角度、位置、数量等对于系统的性能有重大 影响，且存在一定的规律，通过这些规律能够很快为实际生产提供一个可行的方 案。 关键词：冷态实验；数值模拟；气固两相流；灰斗 分类号： 北京交通人学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：r e c e n t l y ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw e r ep a i do ne n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n al a r g en u m b e ro fe m i s s i o n s ，i n c l u d i n gn i t r o g e no x i d e s ，s u l f u ro x i d e sa n d f l ya s h , w e r ep r o d u c e dd u r i n gc o a l f i r e dp o w e rs t a t i o n so p e r a t i o n ，n l ep o w e rp l a n t s w e r et h es o u r c e so fp a r t i c l ep o l l u t i o n t h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ( e s p ) w a sw i d e l y u s e di np o w e rp l a n t b u tt h ee s ph a sl o we f f i c i e n c ya n dn e e d sm o r ee n e r g yw h e ni t d e a l tw i t hf l u ew i t h o u tp r e c o l l e c t i o n i no r d e rt oi n c r e a s et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d r e d u c et h ew e a ra n do fa i rp r e h e a t e r , o n ee a s yw a yi st h ep r e c o l l e c t i o no f f l ya s hb e f o r e e s pb ya d d i n ga s h - h o p p e r sd o w n s t r e a mt h ee c o n o m i z e r t oo b t a i nh i g h e rs e p a r a t ee f f i c i e n c y 、析ml o w e rp r e s s u r el o s s ，i ti sn e c e s s a r yt o o p t i m i z et h ea s h h o p p e r ss t r u c t u r et of m dr e a s o n a b l ea r r a n g e m e n t sf o rt h eb a f f l e s w h i c hw e r eu s e dt oc h a n g et h ef l o wd i r e c t i o no ff l o wg a si nt h ef l u e t h er e s u l t so f s y s t e mp e r f o r m a n c ew e r eo b t a i n e df r o mt h ei s o - t h e r m a le x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n t h e r ew e r es o m ea d v i s e sm e n t i o n e df o rt h ei s o - t h e r m a lm o d e le x p e r i m e n t ，a n dt h e r a t i o n a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o nr e s u l tw e r ev e r i f i e db yt h ei s o - t h e r m a le x p e r i m e n t s t h ee u l e rs i m i l a r i t yc r i t e r i o nw a sa d o p t e di ne x p e r i m e n t , s ot h ei s o t h e r m a l e x p e r i m e n t sc o u l de n t e rt h es e c o n ds e l f - m o d e l i n gr e g i o nt ob es i m i l a rt ot h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so fp r o t o t y p e i nt h i sc a s e ，l e s se n e r g yw a sn e e d e df o r t h ep o w e ro f e x p e r i m e n ta n dl e s sa i rf r o mf a n s n en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u tb yt h ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r e ，f l u e n t i tw a sf o u n dm a tt h es y s t e ms t r u c t u r e ，e s p e c i a l l yt h eb a m e sa n dt h eb a f f l ea r r a n g e m e n t s ， i s i m p o r t a n tt ot h ep e r f o r m a n c e t h em o s ts u i t a b l e s t r u c t u r ew a sf o u n dt h r o u g h s i m u l a t i o nr e s u l t si n c l u d i n gt h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ef i e l d so fg a sp h a s e ，t h ep a t h l i n e s o fp a r t i c l e s ，t h ep r e s s u r ed r o pa n dt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c y 1 1 1 ed i a m e t e ra n dt h e r e l e a s el o c a t i o no fp a r t i c l e sh a dg r e a ti n f l u e n c et ot h e i rp a t h l i n e s p a r t i c l e sf a rf r o mt h e e x i ta n dw i t l ll a r g ed i a m e t e rw e r ee a s i l yt r a p p e d t h eb a f f l e sc o u l du s e dt oo p t i m i z et h e v e l o c i t yf i e l d ，d e c r e a s i n gt h ew e a ro ff l u ef r o mp a r t i c l e s t h ea n g l e s ，a r r a n g e m e n t , q u a n t i t yo fb a f f l e sw e r ea l li m p o r t a n tf o rt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h e r ew e r es o m e l a w sf o rt h es y s t e mp e r f o r m a n c ew h e nt h e yc h a n g e d t h o u g ht h el a w s ，t h em o s t v a l u a b l es t r u c t u r ew a sp i c k e dq u i c k l y k e y w o r d s ：i s o - - t h e r m a le x p e r i m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；g a s - s o l i dt w op h a s ef l o w ； h o p p e r 北京交通大学硕+ 论文a b s t r a c t c l a s s n 0 ： 北京交通大学硕十论文 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师何伯述教授的悉心指导下完成的，何伯述教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 何老师对我的关心和指导。 何伯述教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向何老师表示衷心的谢意。何老师对于我的科研 工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李道强、裴晓辉等同学对我给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 1 1 研究背景 1 引言 国家发改委副主任、国家能源局局长张国宝在第九届中美油气工业论坛上说， 2 0 0 8 年，中国一次能源总产量达到2 6 亿吨标准煤，消费总量为2 8 5 亿吨标准煤， 是世界第一大能源生产和第二大能源消费国。在能源一次性消费中，煤炭占7 0 2 ， 石油占1 8 4 ，天然气占3 ，水电占6 6 ，仍然是以煤为主的能源结构。 中国是以煤炭为主要能源的国家，在全国已探明的化石能源资源储量中，煤 石油和天然气所占比重分别为9 4 、5 4 和0 6 ，这种“富煤贫油少气”的 资源特点，决定了中国能源生，消费以煤为主的格局将长期存在。根据国内外相 关权威研究机构预测。中国在积极推进节能减排、火力发展和利用可再生能源的 基础上，未来煤炭在能源消费结构中的比重将持续下降，但煤炭的需求总量仍将 保持增加态势。综合考虑经济结构调整、技术白和节能降耗等冈素，预测2 0 2 0 年、 2 0 3 0 年国内煤炭消费量需求量将分别为3 5 亿吨、3 8 亿吨左右，煤炭在一次能源 消费结构中的比重将分别为6 0 、5 3 | 1 lo 在其中火电厂锅炉的燃煤利用占了绝 大数，火力发电在我国处于主要地位，我国发电方式所占比例如下图1 2j 所示。 1 4 7 戮火力发电 隧水力发iu ；纛核能发i 乜 新能源发电 图1 12 0 0 6 年中国各种发电方式的发电量所r 1 1 的比例 f i g 1 1s t r u c t u r eo f p o w e r - g e n e r a t i n gi n s t a l l a t i o n si nc h i n a , 2 0 0 6 电站锅炉的燃煤利用占用了用煤总量的绝大数，在电站燃煤锅炉的运行中， 由于煤本身的些物理性质，如煤中所含的狄分以及煤的不完伞燃烧等因素影响， 致使锅炉在烟道中含有大量的颗粒物，颗粒物的存在对于锅炉的烟气的硫氧化物、 氮氧化物【3 1 等的处理带来了困难，同时也使空气预热器的磨损加重1 4 1 。因此，必须 在烟气进行预处理，减少对后续设备的损害。为了既满足这些设备的要求，尽量 北京交通人学硕士论文 减少对这些设备的磨损，同时又要使其能量损失最小，减少烟气的温度降低值， 一般不必采取特别复杂的设备来进行除尘，以减少能量损失。 灰斗在锅炉机组中是一个容易被忽视的部件，灰斗的结构简单，但在锅炉运 行中起着重要的作用。在大容量锅炉中，灰斗处于低温省煤器出口与空气预热器 之间( 或者处于与脱硝装置之间) ，能够实现烟气转向以及向空气预热器分配烟 气的功能，对下游的空气预热器的工作状况有显著的影响，主要表现在3 个方面： 摩擦磨损【5 j 、积灰与烟气分配。同时，灰斗还对除尘系统及环境保护有间接影响。 在锅炉设计中，都相对忽视了对灰斗设计的规范，未能让灰斗发挥出分离灰料、 减轻磨损的功能恂j ，l 1 1 1 。 在使用的锅炉中，绝大部分在空气预热器之前未设置除尘系统，烟气中粉尘 几乎全部由尾部的低温除尘系统来消除。但伴随锅炉容量的增大、煤质的恶化， 灰斗下游空气预热器磨损和积灰堵塞问题日趋严重。因此有必要在大容量锅炉中 设置高温或中温除尘系统，以减轻空气预热器等的受热面磨损、积灰及低温除尘 系统的负担【8 】。中温分离部件灰斗作为首要考虑的原因是：灰斗处有较大的几何 空间供各类除尘措施的实施，在其中加入导流板可以在很大程度上加大除尘效率； 灰斗处烟气温度不太高，有利于除尘设备的使用；对灰斗处进行改造时只须 改动较少的锅炉本体，有较好的经济性。有利于对已投产锅炉的改造。 w g z l11 2 1 1 7 5 3 型锅炉是配宁夏某电厂2 3 3 0 m w 发电机组的1 11 2 t h 亚临 界自然循环锅炉。该炉是在总结国内3 3 0 m w 机组锅炉运行经验的基础上，结合宁 夏某电厂地理条件、燃煤特点，根据技术协议的具体要求设计的。锅炉的省煤器 下的烟道没有设置灰斗装置，因此没有经过对烟气的初步处理便直接进入空气预 热器中，这对空气预热器的损害是巨大的，使其磨损加大，寿命严重减短。本文 针对这种情况，搭建冷态锅炉实验台，进行相似实验并根据气固两相流的理论并 应用f l u e n t 仿真软件进行对烟道的模拟计算，提出对于烟道的改造措施，从而来满 足生产要求。初步的改造方案是在省煤器的下方增设省煤器灰斗，使烟气中的灰 尘能够沉积下来，并在其中增加导流板，提高除尘效率。 1 2 国内外电厂除尘的发展现状 电厂除尘主要分为两大类：一种是依靠除尘器对烟气进行后续处理，从而减 少对环境的排放；一种是减少粉尘的生成量，如采用低灰分的煤种。但是低灰分 的煤种的数量是有限的，而且分布不均，由于各地区的煤种分布不同，各地区的 锅炉设计煤种也不尽相同。因而低灰分的煤种的选择只适合部分区域，因此靠采 取低灰分煤种燃烧的方法来减少对环境的粉尘排放是有限的。绝大多数的电厂都 2 引言 需要安装除尘器对烟气进行处理，以减少粉尘的排放。锅炉安装的除尘器可分为 两大类 9 1 ：干式除尘器：包括旋风除尘器、重力沉降室、电除尘器、布袋除尘器、 惯性除尘器。湿式除尘器：包括水膜除尘器、喷淋塔、泡沫除尘器、冲击式除 尘器和文丘里洗涤剂等。目前常见的运用最多的是旋风分离器、静电除尘器与布 袋除尘器。其中旋风分离器磨损严重，最常用的解决办法是内壁衬装耐磨陶瓷。 1 2 1除尘器的基本原理及优缺点 目前采用的除尘设备主要有以下几种： ( 1 ) 重力除尘器。工作原理：气体与粉尘的比重不同，在气体流动过程中，粉 尘因为重力作用而逐渐沉降下来，从而从其中分离。重力除尘器通常称为沉降室 或降生室。工作时含尘气体从一侧进入沉降室，在沉降室运行一段时间后，部分 粉尘逐渐从气体中分离，净化后的气体从另一侧排除。这种除尘方法简单、易操 作、易维护；但是体积较大、除尘效率低。 ( 2 ) 惯性除尘器。工作原理：粉尘在气体流动中受到惯性力，根据惯性力的不 同使粉尘从气体中分离出来。惯性除尘器通常称为惰性除尘器。工作时在含尘气 流的前方设置障碍物，改变气流的方向，粉尘在气流方向改变时由于密度较大会 受到较大的惯性力，使粉尘从气体中分离出来。 ( 3 ) 旋风分离器。工作原理：含尘气流沿切向进入旋风分离器，在旋风分离器 中沿器壁螺旋下降，粉尘由于受到离心力的作用向器壁移动并随着旋流下降到除 尘孔，净化后的气流从旋风分离器的中间上升，通过排气孔排出。旋风分离器由 于结构、操作简单、设备费用低，现在被广泛的应用于电站的除尘。 ( 4 ) 布袋除尘器【l o 】。工作原理：含尘气流通过布袋除尘器时，由于布袋的筛滤 作用使直径大于滤料的纤维间的空隙或滤料上的粉尘间的间隙的粉尘颗粒不能通 过滤料而被分离，气体则从间隙中穿过。比较大的颗粒由于受到重力作用而沉降 下来。布袋除尘器是通过滤布进行过滤出除尘的，工作时由于长时间的积累会在 滤布上有大量的粉尘沉积，粉尘在滤布上沉积后会减小滤布的缝隙，从而增大除 尘的效率。但是在粉尘沉积到特别大时会使能量损失较大，且有可能发生阻塞现 象，因此工作时要对布袋除尘器进行定期的震荡，使滤布上的粉尘从滤布上进行 脱离。滤布的震荡对滤布的除尘有较大的影响，震荡过大使滤布的空隙增大，大 量粉尘从滤布上逃逸；震荡过小，气流较难通过滤布，能量损失较大。 ( 5 ) 静电除尘器【l 。静电除尘器是由接有高压直流电源的阴极线和接有高压电 源的阳极线构成，烟气在通过静电除尘器时会受到强烈的电场作用，由于阴极发 生电晕放电，使气体被电离带负电荷，气体电离后受到电场力的影响向阳极移动， 3 北京交通大学硕+ 论文 在移动的过程中会与粉尘颗粒发生碰撞，使粉尘也带负电，同理，粉尘在电场力 的作用下也向阳极移动，最终带电粉尘沉积在阳极板上，从而净化烟气。 静电除尘器目前也是电厂的主要除尘设备，它的除尘效率较高、处理烟气量 大、能够连续操作，且在较高温度的烟气中，也有较好的除尘效果。但是由于它 占地面积比较大，且一次性投资较高，一般应用于大型电站中。 ( 6 ) 高温陶瓷除尘器【1 2 】。高温陶瓷除尘器一般用于燃煤联合循环发电系统( 即 i g c c ) 。因为高温陶瓷除尘器既能满足燃气轮机的要求同时又能满足环境保护要 求的净化烟气，它是燃煤联合循环发电技术真正商业化的关键技术之一。陶瓷过 滤器目前采用高密度材料，形式主要有棒式、管式、交叉式三种。烟气进入过滤 器的通道，在通道内受到过滤陶瓷的过滤作用，经过一定的距离之后进入比较长 的净化烟气通道，各通道的烟气在长通道内逐渐进行汇集，最终进入净化烟气集 箱。此除尘器的优点是能够处理高温烟气，烟气温度可达6 0 0 摄氏度，甚至高达1 0 0 0 摄氏度。对于烟气中含有的s 0 2 等有较好的防腐蚀性。目前也有将高温陶瓷材料替 换成金属纤维，因为高温陶瓷材料缺乏柔性，不易撞击，采用金属纤维之后可以 增强它的耐撞击性，但是耐腐蚀性有所下降。一般在工业应用中可以结合考虑。 ( 7 ) 水膜除尘器【l3 。水膜除尘器是在一个塔形等圆柱形封闭空间内，通过喷嘴 等设备在圆柱形的壁面附近产生一层水膜，烟气从除尘器的下方沿切向旋转进入 除尘器，烟气在水膜除尘器中旋转上升，在旋转时，烟气中的颗粒会受到离心力 的作用而向壁面处移动，移动到壁而附近时被水膜所吸附，并随着水膜向下运动， 含尘的水在下部的锥形体中汇集、排除。这种除尘器有价高的除尘效果，且结构 简单、耗材少、耗水少，但是其本身高度较大，布置困难，在运行过程中有带水 现象。 1 2 2 国外除尘的研究现状 日本在2 0 0 0 年前大机组主要采用的是常规的除尘、脱硫、脱硝技术，一些新 技术在实验阶段。2 0 0 0 年后随着火电厂环保工艺的发展和对环保的高度重视，多 项除尘、脱硫新工艺兴起并得到成熟发展，目前应用较多的是电除尘器，较为先 进的除尘技术也以电除尘器为对象进行改造。现在的先进技术工艺主要有低温电 除尘器工艺、移动极板电除尘器工艺、电除尘器调制除尘工艺等。 目前，国外新上的大型火电机组大多数采用了低温电除尘器工艺技术。该技 术是在电除尘器之前布置套热媒体烟气加热器，简称m g g h 。通过m g g h 进行 热交换，烟气的温度由原来的1 5 0 。c 降到9 0 左右，温度的降低使粉尘颗粒的电阻 降低，提高了电除尘器的除尘效率。同时由于温度的降低使s 0 3 因结露而吸附在粉 尘颗粒上，并随粉尘颗粒移动，因此不会附在m g g h 上引起腐蚀情况的发生。移 4 引言 动电极板除尘器是相对于原始的固定极板电除尘器而言的，原始的除尘器由于电 极板固定不动，随着除尘器吸附粉尘颗粒量的增加导致电极板的表面被粉尘颗粒 覆盖，其电晕电流减少，影响除尘器对于高比电阻粉尘颗粒的吸附。移动电极板 除尘器采用移动阳极板结构和旋转电刷对电极板进行清灰，保证其点晕电流在较 大值，对于高比电阻的粉尘颗粒具有较强吸附能力。电除尘器调质除尘工艺是指 在烟气中加入一定量的添加剂，以提高烟气中粉尘的荷电能力，使粉尘颗粒的表 面物理特性满足电除尘器的要求，满足提高除尘效率的目的。 除对于电除尘器进行改进之外，很多国家着手于环保型电厂的研究设计。美 国【1 4 】执行了火电厂改进计划，主要的工艺技术采用i l n o x 燃烧器、s c r ( 选择性 催化还原技术) 、烟气循环流化床脱硫、活性炭脱贡和布袋除尘器等装置。除尘 器选择多种除尘器进行分级除尘，整套设备的运行使电厂的烟气净化达到较高的 水平。 从国内外的研究现状可以看出：为了满足需要和提高效率及经济性，一般都 用复试除尘器【1 5 1 ，这样可以结合两种或多种除尘器的优点，对于烟气进行分级除 尘，满足生产的要求。如静电袋式复合除尘器是基于静电除尘器和布袋除尘器两 种成熟的除尘理论而提出的一种新型的除尘技术。它结合了静电除尘和布袋除尘 器的优点，除尘效率高，排放浓度低，既能满足新的环保标准，又能满足运行可 靠性，降低电场的除尘成本。所以可以看出，复试除尘器将有广阔的应用前景。 同时从对国外电厂的除尘设备的研究发现，电除尘器有着广泛的应用，且通 过对现有除尘器设备的改造来加大除尘量，尽可能的使烟气中的粉尘含量少。但 是随着烟气净化率的提高，除尘设备的耗能量是成倍的增长，这使烟气净化的成 本成倍的增长。 1 - 3 气固两相流理论的发展现状 1 3 1 两相流理论的发展 气固两相流理论在生产生活中有着重要的作用，大到河流流动、工业生产， 小到血液流动，都涉及到了颗粒流动系统的研究范畴。例如沙尘暴现象、管道粉 尘输运等，尤其在我国以煤炭为主要能源的燃煤电厂中，包括煤粉炉、循环流化 床炉在燃烧、排烟过程中都涉及到了气固两相流的理研究。因此近几十年来，人 们建立了各种各样的数值模型，用计算机模拟来研究颗粒在流体中的流动状况。 气固两相流在这几十年中也得到了较快的发展，t o m l i i a y 和j o h n s t o n e 0 6 在1 9 5 2 年最早的建立了两相模型的理论，d a v i d s o n 在此基础上建立了描述鼓泡流化床中 的气泡运动的d a v i d s o n 模型。 湍流气固两相流是非常复杂的，湍流对颗粒的扩散有作用，同时颗粒的运动 5 北京交通人学硕士论文 也会影响湍流流动，颗粒与颗粒之间的碰撞或颗粒与壁面的碰撞【1 7 】都会影响颗粒 的运动，进而影响湍流流动。因此，要详细深入的研究湍流气固两相流，就要在 湍流影响颗粒运动的基础上充分考虑颗粒对湍流的影响。 早先对于两相流的研究主要考虑的是流场对于颗粒的作用，即只考虑了流场 对于颗粒的受力情况，而忽略了颗粒的运动导致的流场变化。由于气固两相流的 复杂性，所进行的研究主要是经验性的，进行的实验测量也主要依靠经典流体力 学中解析研究方法及实验中探针测量方法，测量的精度及范围都比较小。但随着 时间的推移和研究的进展，大型计算机模拟及激光测量的研究方法投入应用，近 代气固两相流模型越来越得到完善。考虑了颗粒对于流场的反作用，同时也将分 子动力学理论运用到两相流模型中。通过微观颗粒动力学理论的进入，利用了 b o l t z m a n 方程和统计平均的概念和理论，建立了两相流中各相的基本守恒方程， 使流体和颗粒都有各自的基本方程。以后发展的两相流理论就是通过某种方法来 将基本方程中的未知项进行封闭。在解决这个问题的过程中主要分为了两种情况【1 8 】 一种是以e u l e r - e u l e r 坐标的解决方法，一种是以e u l e r - l a g r a n g e 坐标的解决方法。 这两种模型也称为e u l e r - e u l e l 模型，即双流体模型和e u l e r - l a g r a n g e 模型，即颗粒 轨道模型。 e u l e r - e u l e r 模型是将颗粒相考虑成连续性的流体来进行计算的，它除把流体作 为连续介质外还把颗粒群作为拟流体，即假设其在空间中有连续的速度分布、温 度分布和等价的输运性质，如粘性、扩散、导热等【1 9 1 。它认为颗粒相与气相都有 各自的速度、温度的分布，在每个单元组内有相同的速度和温度，充分考虑了颗 粒对于湍流的影响，把每一颗粒相与气相的质量、动量、能量的相互作用均考虑 在内，同时由于自身的湍流变动造成的质量、动量、能量的湍流输运也考虑在内。 这种模型的优点是全面考虑了颗粒的湍流输运，并用同一的方法处理流体相及颗 粒相，数值模拟结果易于和实测结果相对照，易于检验。缺点是，由于它充分考 虑了颗粒的湍流变动及颗粒问的碰撞，对于颗粒比较少的气固两相流不适用。 e u l e r - l a g r a n g e 模型【2 0 j 将流体相作为连续相进行处理，而对于颗粒相作为离散 相进行处理。流体相与颗粒相之间有温度和速度的滑移。虽然颗粒群的分组分布 与e u l e r - e u l e r 模型的分组分布相同，即每组颗粒的质量、速度、温度都相同，但 是，e u l e r - l a g r a n g e 模型认为每组颗粒从初始位置开始沿各自的轨道进行运动，其 质量、速度、温度的变化也可沿轨道进行追踪。同时e u l e r - l a g r a n g e 模型考虑了颗 粒相对于流体相的作用，认为颗粒作用于流体的质量、动量及能量等价分布于气 相单元内。e u l e r - l a g r a n g e 模型将颗粒相用拉格朗日方法进行处理，有效的避免了 颗粒的伪扩散，同时能够节省计算存储量，但颗粒轨道模型的计算结果在复杂的 流场内不能给出连续的颗粒速度和浓度的空间分布，难以和实测的结果进行对比。 多位学者提出了一些对于上述模型进行改进的模型，如“小滑移 的双流体 6 引言 模型、有滑移和扩散的双流体模型、七一占一k 。模型、七一占一肋f 模型【2 、统一二 阶矩模型( u s m ) 等。 湍流气固两相流的过程比较复杂，有颗粒相和流体之间的耦合作用及颗粒之 间的相互作用。在研究这些问题中最主要的就是研究颗粒的扩散和湍流变动。湍 流变动是指两相流中颗粒较浓时，颗粒对于湍流脉动有着不可忽略的影响，使单 向流的湍流脉动发生较明显改变的物理过程。相反，当颗粒浓度比较小时，可以 忽略颗粒对湍流脉动的影响，此时只需考虑湍流对颗粒的作用。当然，当颗粒密 度较大时还需要考虑颗粒颗粒之间的碰撞作用，在碰撞过程中的产生的力也会改 变颗粒的运动轨迹，使颗粒发生旋转。 e l g h o b a s h i 2 2 】研究表明，当颗粒弛豫时间与湍流时间尺度的比大于某一值时， 颗粒增强湍流；反之，当颗粒弛豫时间与湍流时间尺度的比小于某一值时，颗粒 削弱湍流。他认为，在气固两相流中，当颗粒相的体积分数t ；t 。小于1 0 由时，颗粒 相对于湍流没有影响。当颗粒相的体积分数口。在l o 击与1 0 。3 之间时，如果颗粒弛 豫时间f 。与湍流大涡团的时间尺度f 。的比大于1 ，颗粒增强湍流；反之，颗粒削 弱湍流。而当颗粒相的体积分数小于1 0 。3 时，颗粒间的碰撞概率增大且不能忽略， 湍流会受到颗粒相的严重影响，如下图所示。e l g h o b a s h i t 2 3 j 的研究也是对于气固两 相流中稀相和密相的研究，关于稀相和密相，气固两相流模型有了较大的区别， 这对于气固两相流的细分有着重要的影响。 l o o 1 0 2 1 0 _ 4 l 颗 忽略对湍流 的影响 颗粒使湍 流衰减 图卜2 颗粒与湍流变动关系 f i g 1 - 2i n f l u e n c eo fp a r t i c l e st ot u r b u l e n c e s q u i r e s f 2 4 】等人对于各项同性强制湍流进行了直接数值模拟。模拟结果发现， 颗粒会在高应变区域发生颗粒富集。当发生颗粒富集现象时，两相关联的耗散率 s 。大于气体单项的耗散率占，原因是湍流流体的耗散率方程中由颗粒作用而附加 的作用相的符号与湍动能方程中的符号不一致，由原来的负值变为正值，从而增 加了耗散作用而不是衰减作用。s q u i r e s 等人认为，局部富集现象与颗粒的的质量 7 北京交通人学硕士论文 载荷有关，小颗粒容易发生富集现象，中颗粒次之，大颗粒一般不容易发生富集 现象。通过直接数值模拟结果也表明了，由于富集现象的发生使传统的k 一占方程 中的系数不在是常数，因为常数只适合应用于不发生富集的区域，对于发生富集 区域的计算会有较大的误差。 1 3 2 湍流气固两相流模型 ( 1 ) 湍流模型的类型1 2 习 k s 湍流模型：标准k 一占模型是典型的两方程模型，它是在一方程模型的基 础上引入一个关于湍流耗散率占的方程形成的，组成两个独立的输运方程。在工程 上得到了广泛的应用，对流动和热传递模拟即精确有经济，但它是一个半经验模 型，在推导过程中，假定了流动是充分发展的并且忽略了分子粘性的影响。因此 标准的k s 模型的使用范围比较有限，一般主要用于计算平面平行湍流、边界层 型流动、管内流动、剪切流动、有回流的流动等一些较为简单的充分发展流动， 所以有许多学者对其进行了修正。如由y a k h o t 及o r z a g 提出的r n g k g 【2 6 1 模型 修正了湍流粘度，使耗散率占增大，湍动能k 减小，能够反映主流的时均应变率， 使r n gk s 模型可以更好的处理大剪切率所产生的强烈的各向异性效应以及非 平衡效应。由a s h a b b i r 等人提出的r e l i z a b l e k s 模型在第四章中详细介绍。 雷诺应力模型：雷诺应力模型是直接对r e y n o l d s 方程中的湍流脉动应力建立 微分方程式并进行求解，模型采用各向异性的湍流粘度来计算湍流应力，考虑了 旋转流动及流动方向表面曲率变化的影响。此模型已广泛应用于均匀湍流、自由 射流、边壁射流、尾流、二维和三维管流等湍流中。能够很好的预测平均流速分 布和雷诺应力分布并与实测值比较符合，在预测边壁射流中的边壁效应更为有效。 缺点是对称射流和圆盘后尾流，预测的结果并不理想。另外，在固体表面附近， 由于分子粘性的作用，湍流脉动受到阻尼，雷诺数很小，雷诺应力模型不再适用。 大涡模拟( l e s ) ：湍流具有多尺度特性，在湍动能传输链中大尺度涡几乎包含 所有湍动能，小尺度涡主要是耗散湍动能，而且趋于各向同性，其运动具有共性。 大涡模拟在湍流数值模拟中只计算大尺度涡，而小尺度涡对大尺度涡的影响则通 过一定的模型在针对大尺度涡的瞬时n s 方程中体现出来。在流场的大尺度结构 和小尺度结构尺度之间，选一滤波宽度对控制方程进行滤波，把所有变量分成大 尺度量和小尺度量。对大尺度量进行直接模拟，而对小尺度量采用亚格子模型进 行模拟。在选用合适亚格子模型的条件下，大涡模拟可以得到精度较高的数值仿 真，其模拟结果是真实的物理瞬态流场。大涡模拟中直接求解大涡，对小涡进行 模型化，因而使得对网格分辨率要比d n s 要小得多，一般来说比后者要小一个数 8 引言 量级。大涡数值模拟的目标是高雷诺数的复杂湍流，但在有壁面的湍流中遇到技 术困难。壁面附近的湍流尺度很小，如果准确模拟湍流，在壁面附近的网格精细 程度应当和直接数值模拟一样。目前，最先进的计算机还达不到这一水平。 ( 2 ) 气固两相流模型的类型【2 7 】 【2 8 l 颗粒相模型按照对于颗粒相的处理主要分为连续型模型和离散型模型。连续 性模型中有小滑移模型、无滑移模型( 单流体模型) 和拟流体模型( 多流体模型) ； 离散型模型主要有单颗粒动力学模型和颗粒轨道模型。 小滑移模型：此模型认为颗粒相对于流体流动有较小的扰动或者完全忽略颗 粒相对于流体流动的影响。此模型应用于稀疏颗粒悬浮硫，认为颗粒的运动是由 流体的夹带而引起的，流体的与颗粒间的速度滑移相对于平均流动来说是小量， 这一滑移是颗粒扩散的结果。对于小滑移模型，多相流体混合物中第k 相的连续 性方程和颗粒扩散方程为： 孕+ 三( p k v 茸) = o 0 - 1 ) o t o x j 孕+ ( 风1 ，。，) ：( 仇几孚) ( 1 - 2 ) g t c x jg 嘎jc 嘎j 无滑移模型：此模型进行了几条假设对于实际情况进行简化：1 ) 、每一寸组 的颗粒时均速度等于当地气体时均速度，即= q ( 动量平衡，无滑移) ；2 ) 、颗 粒温度保持常温或等于当地气体温度( 能量平衡) ；3 ) 、颗粒相看作一种气相组分， 和其它气相组分一样以相同的速率扩散唯= y r ，即认为颗粒扩散和流体组分扩散 相同( 扩散平衡) ；4 ) 、颗粒群可以按初始尺寸组分布分组，可以按当地尺寸分布 分组。经过假设简化得到颗粒的连续方程和扩散方程为： 警+ 毒( 风y 户毒( 毒肌t 静棚以 ( 1 - 3 ) 警+ 毒( v 户瓦0 。石t ) 8 瓦o n k ) ( 1 4 ) 该模型与单相流体流动方程相比，单流体模型仅增加了几个颗粒相连续方程， 类似于气相组分扩散方程，并在气相方程中增加了颗粒源相，因此模型比较简单。 缺点是假设了气体与颗粒之间无速度与温度滑移与实际不符，导致其预报结果与 实验值相差很大。 一 。 多流体模型：该模型认为颗粒相是与真实流体相互渗透的拟流体，是一种模 拟颗粒湍流脉动的方法。模型认为颗粒相与气相有自己的温度、速度和体积分数， 在每个尺寸组的颗粒具有相同的温度和速度，且其速度、温度和体积分数分布在 空间中连续；颗粒相与气相有有动量、能量和质量的相互作用，自身的湍流脉动 造成了颗粒质量、动量和能量的湍流输运。该模型是在湍流多相流动时均方程组 9 北京交通大学硕士论文 的基础上得到的一个简化后的时均方程组，含有多种关联量，应用统一二阶矩模 型对于关联量进行模化可以使方程组封闭。对于无旋无浮力的各向同性湍流气固 两相流动，统一二阶矩模型可以退化为k s k 。模型。该模型的优点是全面考虑 了颗粒的湍流输运，将颗粒相视为拟流体，其数值模拟结果易于和实测结果相对 照，便以检验。 单颗粒动力学模型：是研究气固两相流的最简化的模型，在模型中忽略颗粒 存在对流体流动的影响，在已知流场中，忽略颗粒脉动，考虑单颗粒的受力和运 动，包括颗粒平均运动或对流运动的轨道，以及颗粒速度及温度沿轨道的变化。 在非均匀流场中单颗粒运动方程的一般形式可写为： 拿：尘鱼屺( 1 - 5 ) d 气“ 一 颗粒轨道模型：该模型在拉格朗日坐标下处理颗粒相，即把颗粒相视为离散 相，颗粒从初始位置开始沿各自的轨道运动，模型考虑了与颗粒扩散无关的、两 相间的速度滑移和温度滑移，在确定的轨道上考虑了颗粒相与气相之间的相互作 用，颗粒的质量、动量及能量的变化沿颗粒轨道跟踪。优点是将颗粒相用拉格朗 日坐标处理能够有效避免伪扩散，能够模拟较复杂的颗粒运动。缺点是不能给出 连续的颗粒速度和浓度的空间分布，难于和实测值进行结果对照，且不能全面的 考虑颗粒的动量、质量和能量的湍流扩散过程。 1 4 除尘性能指标 衡量分离器性能的指标有很多，包括表示分离效果的分离效率和分级效率； 表示耗能指标的分离器阻力；表示分离器对颗粒捕集能力的临界粒径；表示生产 能力的气体处理量；表示经济指标的单位处理量的造价、操作费及寿命。最为关 心的一般为分离效率和压力损失。 1 4 1除尘效率 除尘效率是指含尘气流在通过分离器时所捕集下来的颗粒量占进入分离器的 颗粒量的百分数，即： 刁告舢 m 6 ， 其中，q 进入分离器的颗粒量，k g ； g c 被捕集的颗粒量，k g 。 1 0 引言 除尘效率是衡量灰斗的气固分离能力的指标，它除了与灰斗结构有关外，还 取决于被分离物料的物性、气体的性质及运行条件等因素。 1 4 2 压力损失 分离器的阻力损失是评定分离器性能的另一重要指标，它表示气流通过分离 器是的压力损失。通常分离器的阻力是指分离器前后管道中气流的平均全压之差。 a p = 只一t o + 乓+ ( 1 7 ) 式中：只：分离器进口处管道内平均全压，p a ：分离器出e l 处管道内平均全压，p a 只：分离器前后动压差，p a 名：等于( 成一p g ) g h ，高温情况下在大气中浮力校正值，p a 日：分离器前后高度差，m 见：大气密度，k g m 3 p 。：分离器内气体密度，k g m 3 由上式可知，b 与分离器的前后管道所处的高度有关，当两者高度相差不大 时可以忽略此项；只与进出e l 管道内的气流速度有关，当两者速度没有明显变化 时忽略此项，这时压力损失表现在分离器的静压之差。分离器阻力与分离器的结 构和分离器运行条件( 如颗粒浓度、入口速度、分离器内气流温度) 有关。一般 的在进行数值模拟计算时，分离器的压力损失直接用分离器的进出口的总压表示。 1 5 课题研究内容及方法 本课题的研究目标是通过在省煤器下增设灰斗对于烟气进行预除尘，同时在 转向室内增设导流板来提高省煤器灰斗的除尘效率，减少烟气中粉尘颗粒的含量， 减轻烟气对空气预热器的磨损。 本课题拟采用在省煤器灰斗下面安装灰斗，通过相似实验和数值模拟相结合 的方法对系统进行改造优化，选择出最优的方案使烟气在进入空气预热器前能够 最大限度的减少烟气中的含灰量，减少对空气预热器的磨损。方案主要考虑了省 煤器灰斗的形状以及省煤器灰斗中的导流板的布置位置、布置角度及其数量等因 素。从单个因素的影响中推测出导流板的组合布置及灰斗形状的最佳有效方案， 为实际生产提供改造要求。本课题通过实验与数值模拟相结合的方法来验证最佳 的方案，既要保证较高的除尘效率，又要使灰斗的出口与进口压降在规定的范围 内( 本文要求不能超过1 0 0 0 p a ) 。首先通过对于几组导流板的布置进行实验，同时 北京交通大学硕士论文 采用商业软件f l u e n t 对于这些工况进行模拟，通过对于两者的比较，验证模拟结果 的准确性；在模拟结果准确的条件下，增加其他的工况研究并推广至实际的锅炉 模型中，最终通过数值模拟分析为电站锅炉的生产改造提供可行方案。本课题的 主要内容如下： ( 1 ) 实验台的搭建及调试，根据实际电站锅炉的模型及相似理论按照1 ：3 5 搭建 实验模型，根据相关准则检验实验的可行性。通过模型的尺寸及实际锅炉的运行 参数确定实验的初始条件； ( 2 ) 对不同情况下的导流板、灰斗进行除灰分离实验，分析除尘效率及压力损 失； ( 3 ) 通过实验与模拟的相互佐证，确定模拟结果正确性，并通过模拟对于其他 多种工况进行研究分析，研究系统的性能； ( 4 ) 建立实体模型，包括实验台的模型与原电站锅炉的模型，对于所建的模型 进行划分网格，应用f l u e n t 软件进行数值模拟计算及结果分析，对于多种工况进行 了模拟计算结果的对比分析，确定出最有效的方案； ( 5 ) 通过实验及模拟的研究，将计算结论应用到实际模型中，在实际模型中研 究除尘效率及压力损失。根据实验的要求得到了适合的工况，为电站锅炉的改造 提供依据。 1 2 冷态实验台系统 2 1 冷态模化实验原理 2 冷态实验台系统 电站锅炉实体尺寸较大，因此研究锅炉炉膛的空气动力场，除了在己建成的 锅炉机组上实际测试外，通常按照一定的模拟方法建立模型实验台。在模型实验 台对炉内空气动力场进行实验研究，将其研究结果用以指导实际锅炉的设计及运 行。国内外大量研究表明：一般情况下，在冷态等温模型上得到的流速分布、压 力分布规律与实际的热态设备的情况接近；得出的流动特性与同等几何形状、运 行工况之间的关系的规律适用于热态设备。 在流动过程中对于流体流动的判断依据是雷诺准则：r e = w d v ，雷诺数反映 了流动惯性力与粘性力的大小，它能反映气流运动的阻力特性。欧拉准则与雷诺 准则有一定的关系，通常以欧拉准则e u 来表明压力与惯性力的比值，即： e u ：罢：( r e ) ( 2 1 ) p m 欧拉数与雷诺数可以作为流体运动是否进入第二自模区的依据，所谓气流运 动状态进入自模化区，就是指当r e 大于某一个定值后，e u 值不再与r e 数有关而 保持为一个定值，即此时惯性力是决定因素，而粘性力的影响可以忽略