（环境工程专业论文）“电改袋”的理论分析及内部流场的数值模拟.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 引言 第一章绪论 由于环保标准的提高，特别是既要降低烟尘排放浓度，又要严格控制硫的排放【l 】，使 得早期投入使用的静电除尘器有相当一部分已经无法达到国家新的排放标准要求。因此， 必须对静电除尘器进行技术改造，如增加电场等，但这势必会增加巨大的投资。而袋式除 尘器因滤料发展成熟和过滤技术日益完善，使其在除尘行业的市场占有率越来越高。很多 工程实践【2 , 3 j 表明，将电除尘器改造为袋式除尘器，不仅能达到新的排放标准，还具有很好 的经济效益。在呼和浩特热电厂因变换煤种在国内首例将电除尘改为袋式除尘器获得成功 【4 】后，我国河南等另外一些地区的燃煤电厂也相继将电除尘器改造成袋式除尘器以控制烟 尘排放，而且运行良好，达到了预期的除尘效梨5 1 ，不但能够满足烟尘排放标准，而且还 有利于降低硫的排放，这些工程都起到了很好的示范、借鉴作用。 1 2 除尘器的发展现状 按捕集粉尘的作用力及原理，除尘设备可分为4 类：机械式除尘、电除尘、过滤式除 尘和湿式洗涤除尘设备。按除尘效率可分为：高效除尘设备，包括电除尘、袋式除尘、高 效文丘里除尘等；中效除尘设备，包括旋风除尘及湿式除尘等；低效除尘设备，包括重力 沉降、惯性除尘等。从粗除尘到高效除尘的一系列除尘技术及设备，在各自除尘领域起着 重要作用【6 】。电除尘器、袋式除尘器在高效除尘领域应用非常广泛。 1 2 1 电除尘器的发展现状 自1 9 0 6 年f g c o t t r e l l 在工业上应用静电除尘器( e s p ) 以来，e s p 已发展成一种公 认的高效除尘装置f 7 1 。目前在化工、发电、水泥、冶金、造纸等工业部门被广泛应用。尤 其在我国燃煤电厂，除尘设备基本都使用e s p 。2 0 世纪8 0 年代电厂锅炉曾经试用过袋式除 尘，由于种种原因，未获成功推广，电除尘成为电厂锅炉烟气污染治理的主流方式【8 】。但 是，当前电厂电除尘面临以下问题： ( 1 ) 环保标准日益严格，按老标准设计现已安装的电除尘设备由于场地限制不能增 加电场，从而不能达到环保新标准的排放排放要求； ( 2 ) 新建工程则由于3 电场以下电除尘难以达标，4 e e 场以上又造价昂贵，电除尘缺 乏市场竞争力； ( 3 ) 某些煤种的a l 2 0 3 含量很高，比电阻也偏高，含s i 0 2 高灰又较细，电除尘很难收 尘； ( 4 ) 呼吸性粉尘p m i o ( 悬浮在空中，空气动力当量直径 1 0 0 9 m 3 ) 、高温( 3 5 0 ) 、高比电阻( 1 0 1 3 q e m ) 烟尘和含 有腐蚀性气体场合的电除尘还不普遍或难以胜任； ( 6 ) 有的电除尘在清灰时会造成高浓度排放污染。 目前，我国在使用静电除尘器时带来的问题尤为明显。2 0 0 4 年1 月1 日起，通过建设项 目环境影响报告数批审的新建、扩建、改建或电厂建设项目，烟尘最高允许排放浓度为5 0 m g m 3 。大大高于原来的2 0 0m g m 3 【9 】。许多电厂将燃用低硫煤或采取相应的脱硫措施，从 而导致静电除尘器的除尘效率下降，尤其对于煤中硅、铝含量超过8 5 的电厂，采用静电 除尘器处理的烟尘排放浓度已远远达不到环保要求【i o 】。为此，一些除尘器制造厂投入了相 当大的精力，采取了很多措施。如增加电场、改变极配、更换电源等，做了不少试验，力 图对电除尘器设备进行全方位的改造，但是见效不大。这种希望通过改造电除尘器本体 来适应高比电阻低硫煤粉尘，从而提高电除尘器除尘效率的努力，早在2 0 世纪7 0 年代国外 已尝试过。比如澳大利亚燃用的是典型的高比电阻低硫煤，他们在使用电除尘器时，为保 证排放的烟气中粉尘浓度 4 0m g n m 3 ，采用降低锅炉负荷运行方式，但长期降低负荷运行 则提高了发电成本；而采用向烟气中加人n h 3 来改善除尘效果的方式，又会产生很牯的沉 积物，导致振打清灰性能恶化；用水洗又造成e s p y 壳和极板腐蚀j 。在“山穷水尽 的 情况下，陆续的出现了电除尘器的改造【3 1 2 1 。 1 2 2 袋式除尘器的发展现状 国外对袋式除尘器的研究始于1 9 世纪末期，2 0 世纪5 0 年代，德国首次推出机械振打清 灰袋式除尘器，反吹风袋式除尘器出现并逐步大型化和自动化，使反吹清灰袋式除尘器开 始应用。随着化纤工业的突飞猛进，新型材质的研究不断得到深入，滤料己由材质的改进 进展到滤料的表面涂层处理，再通过对除尘系统的适当处理，使得袋式除尘技术的应用范 围大大超过其它类型的除尘设备。 我国袋式除尘器的发展经历了3 个阶段。第l 阶段，2 0 世纪8 0 年代以前，国内少数几个 设计、研究单位在前苏联、美国、日本等国的脉冲式、机械反吹扁袋式袋式除尘器的基础 上开发了自己的产品。这个时期除尘设备的特点主要是小型，一般过滤风量在1 0 万m 3 h 以 下。第2 阶段，8 0 年代全国第2 次环保会议以后，在我国改革开放的大好形势下，各设计科 研单位及大专院校在学习、引进、消化移植国外先进技术的基础上，研制开发了大型反吹 布袋除尘器，广泛地应用于钢铁、有色冶金、水泥等行业，单台设备的处理气量可达1 0 0 万m 3 h 以上。第3 阶段。9 0 年代后，我国袋式除尘技术飞速发展，出现了一批生产袋式除尘 器的骨干企业，尤其是大型脉冲袋式除尘器的开发。使我国的袋式除尘技术上了一个新台 阶。其产品除满足国内需求外，还出口到美国、法国、澳大利亚及东南亚、南亚等国家及 地斟1 3 1 。 目前，我国袋式除尘技术日趋完善，使得袋式除尘行业的市场需求量大大增加。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 1 2 3 袋式除尘器存在的问题 ( 1 ) 袋式除尘器中滤袋的使用寿命是个及其重要的性能参数。在除尘器运行期间【1 4 】， 如果室内即使有一个布袋破裂，都可能导致排灰浓度迅速升高，且气流通过滤袋上很小的 破洞还会导致该滤袋及周围邻近滤袋的快速破坏，甚至造成灾难性损失；另外，在袋式除 尘器的实际使用中发现有某些固定部位经常出现滤袋破损的情况【1 5 1 ，分析其原因是由于含 尘气体进入滤袋内的气流分布不均匀所引起的，正是由于这些部位长期受集中气流的冲 刷，致使滤袋的破损。 ( 2 ) 在袋式除尘器设计时，一般都是以平均过滤风速为基准的。但是在实际的运行 中，由于气流的不均匀分布，不同小室的处理风量各不相同，实际过滤风速相差很大，导 致不同的滤袋荷尘量不同，而且同一滤袋的不同部位也是不均匀的。设计时固然平均过滤 风速能够满足小于规定的极限过滤风速的要求，但是在实际运行中，有些滤袋的过滤风速 却远远大于此平均过滤风速，显然这些部分的滤袋肯定是超负荷运行的，以致细小颗粒更 加容易穿透滤袋，积尘较多，降低了除尘效率，加速了滤袋的磨损，再加上滤袋内积灰的 坠拉作用，更容易发生滤袋破损的现象；而必然还有另外一些滤袋的过滤风速很小，并没 有完全发挥出这些滤袋的过滤作用【l6 1 。这种各滤袋组内气流分布不均匀的现象，主要也是 由于气流分布的不均匀性造成的，因此设计人员在设计时应注意到平均过滤风速的确定是 以气流的均匀分布为前提的。 ( 3 ) 目前，火电厂中使用的袋式除尘器为了避免颗粒物在烟道内的积沉，进口风速 一般都大于l o m s ，而当进口风速较高，袋室空间又较大时，由于气流的惯性喷射作用的影 响，气流分布的不均匀性问题就会比较突出。据冷态试验进入袋室除尘器内部实测，各滤 袋风量最大者和最小者竟然相差1 0 倍左右，而且还会造成滤袋根部的磨损和抖动；即使经 过一段运行时间后，随着滤袋上粉尘层的增厚，由于并联管路阻力的自动平衡，风量的分 配稍有好转，但是还远未达到均匀，除尘阻力就已经超过设计限值而需要清灰，然而在清 灰后仍然是那些滤袋处理风量较高，周而复始，对那些滤袋的磨损会越来越严重，直至破 损【1 7 1 。 鉴于以上袋式除尘器存在的问题，避免滤袋易破损、过滤风速过大、颗粒物在死角沉 积等现象的发生，有必要对“电改袋”后的气流组织作分析研究，以进一步优化“电改袋一 设计参数，改善除尘器的除尘效果。 1 3 课题的来源及意义 1 3 1 课题来源 武钢炼铁厂一高炉槽下6 0 m 2 卧式静电除尘器建于1 9 9 1 年，主要用于处理原料系统2 4 # 转运站和l 群高炉烧结大矿槽产尘，如图1 1 所示。系统总风量1 9 0 0 0 0 m 3 1 1 ，管道总阻力约 5 0 0 0 p a 。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 1 原电除尘系统示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a m o fo r i g i n a le s ps y s t e m 经过十多年的运行，该设备已严重老化，排放浓度高达1 0 0 m g n m 3 ，不能满足国家排 放标准的要求，而且随着工艺的变化，尘源点有所增加，现有设施无法满足生产现场对粉 尘控制的要求。为此，武钢决定对该设备进行改造，将其改造为袋式除尘器。 1 3 2 课题意义 对于武钢炼铁厂的2 电场6 0 m 2 卧式静电除尘器，若采用增加电场扩大电容的改造方法 实现处理更大的烟气量并达到排放标准，投资巨大，并且很难满足要求。目前，布袋除尘 器在解决了布袋质量、提高了使用寿命、降低了维护量以后，其除尘效率高、煤种适应性 强、能耗低的特点，特别适用于大烟气量、低浓度、细粉尘的收集，可以确保实现 5 0m g - m 3 的排放标准，甚至达n 1 0m g m 3 i s 】。根据当前情况，将电除尘器完全废除，再重新建造 袋式除尘器势必会浪费资源，增加设备成本。故将保留电除尘器外壳，在其内部进行滤袋 的设计安装将具有很大的经济价值。 将电除尘器改造为袋式除尘器，由于进气方式的改变，会使得袋式除尘器内的气流紊 乱，分配不均，这不仅会增大设备的阻力，还会影响收尘效果，损坏滤料。故对内部流场 的研究，对“电改袋 的设计有很好的指导作用。 1 4 研究内容 改造后的袋式除尘器由于进气方式或袋室内部结构的变动，可能造成气流的不均匀分 配，各过滤室的阻力相差较大，使一些滤室的滤袋超负荷运行，另外一些滤室的滤袋就必 定无法完全发挥作用。因此，有必要对袋式除尘器的气流均匀分配做一定的研究。本课题 主要研究改造后的袋式除尘器的气流分配情况，使除尘器的结构得到优化，以达到更好的 收尘效率并提高滤料的使用寿命。具体内容如下： ( 1 ) 对电除尘器改造作可行性研究，并对改造后的除尘器结构、环境和经济效益进 行了分析： ( 2 ) 对烟尘过滤中起主导作用的扩散效应分析研究； ( 3 ) 在电除尘器改造设计完成的基础上，针对存在的气流分配不均致使系统阻力大 的问题，引入数值模拟技术进行深入研究； ( 4 ) 建立袋式除尘器气流均匀性研究的数值模型，借助于c f x 软件，分别模拟在不 武汉科技大学硕士学位论文 同模型的气流分配情况，对不同模型下的速度场对比研究， 于工程设计参考。 第5 页 1 5 研究方法 优化袋式除尘器袋室结构，用 对除尘设备的改造问题，由于设备安装空间限制或者没有充分考虑流动均匀性要求而 设计出的某些结构中，流动不均匀问题可能十分严重，使分离效率降低，运行阻力增加， 甚至加速滤袋破损，形成短路流动。c 啪m i l 9 】提出了一些对进气口和导流板进行优化的改 进措施，有一定的借鉴意义。 本论文主要是针对改造后的袋式除尘设备，在原有电除尘器整体结构和进、出风系统 已经完备的情况下进行优化，在此情况下改进进气口将对系统造成比较大的影响，必须对 进气系统进行重新设计，这必然是个庞大的工程；而通过改变导流板来进行优化，对除尘 器的整体结构并没有太大的影响，同时也不影响原有的进，出风系统和设备。因此选定 通过采用气流分布板来优化内部的流场，这样也可以达到以后普遍推广的目的。对这方面 的研究也主要是使用计算流体力学软件进行数值模拟分析，以实现对内部流场的可视化。 一第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 电除尘器改造 第二章电除尘器改造的可行性分析 电除尘器的改造方案有：增加电场，将电除尘器改造为电袋复合除尘器，将电除尘器 改造为袋式除尘器。 2 1 1 增加电场 静电除尘器的除尘效率可由d 吣c h 效率计算公式表示【2 0 1 j ，7 ：l p 7 ( 2 1 ) 式中：，7 除尘效率，； 国电场中尘粒的驱进速度，州s ； 彳收尘板面积，m 2 ； q 姻气量，m 3 s 。 从式( 2 1 ) 可以看出，在其他条件不变的情况下，增加静电除尘器收尘板面积可提高 除尘效率。要增加收尘板面积必须对原静电除尘器进行扩容。目前对已投运的静电除尘器 要进行扩容有2 个方案可供选择： ( 1 ) 将原静电除尘器加宽； ( 2 ) 在原静电除尘器的基础上增加电场。 二者相比，采取增加电场的效果要比采用将原静电除尘器加宽的效果好。这是由粉尘 的荷电特性及被收集的难易程度决定的，不同粒径的粉尘在不同的电压等级和电场强度 下，才能保证其迅速而充分荷电及有效被收集。因此同一台除尘器在收尘面积相同的条件 下，采用多而小的电场要比采用少而大的电场更有利于提高收尘效率在静电除尘器电场 较少、设计效率较低的情况下，可在原有基础上，增加一二个电场使静电除尘器达到四五 个电场，靠增加静电除尘器的收尘面积、增加串联的电场数量来提高除尘器效率，使静电 除尘器除尘效率提高到9 9 0 9 9 9 。但这种方案的投资巨大，目前并没有得到广泛应用。 2 1 2 电除尘器改造为静电袋式复合除尘器 ( 1 ) 结构及工作原理 静电袋式复合除尘器是一种新型的除尘装置，它是静电除尘器和袋式除尘器的有机结 合，第l 级为一电场的静电除尘结构，后面一级为低压脉冲袋式除尘结构。通过这两种成 熟可靠技术的有机串联，它既能充分发挥静电除尘器第一电场具有收尘效率高的优点，又 有袋式除尘单元高效捕集细微粉尘的优点。一电场的静电除尘单元能除去8 0 治v 9 0 的粉 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 表2 1 电一袋除尘器工艺参数 t | b k 2 i1 k h n o l o g i cp a 强m e t e ro f 曩d v 柚c e dh y b r i dp a r 啦u l a t e 优协r 表2 2 电除尘区的结构参数 t i a b k 2 2 & m c 恤n ip a r a m e t e ro fe l e c t m 嘲6 ca m 室数 喷吹管数根 每根喷吹管的喷吹袋数 规格 滤数量 袋材质 6 7 8 临 1 6 ( i i n m 6 5 0 0 m m 1 2 4 8 条 c o 倚地薄膜册处理 玻纤织物滤料，5 7 0 9 ，m 2 总过滤面树m 2 4 0 7 7 过滤风速( 珊b i n ) 脉冲阀 喷吹压力m a o 9 8 ( 在线) 淹没式( g i d v ) 0 2 5 配用空压机 2 6m 3 如i i n ( 4 ) 存在的问题 国外已开始将静电袋式复合除尘器应用于燃煤电厂我国在这方面的研究工作起步较 晚，要将该技术应用于实际燃煤电厂，目前仍需解决以下问题：a 静电除尘单元和袋式除 尘单元之间的结合形式、结合间烟气分配的均匀性问题。气流的均匀性既影响静电除尘单 元的除尘效率，又影响袋式除尘单元布袋的寿命。在大型静电除尘器内烟气通常为水平流 动方式，而袋式除尘器传统的进气方式为下进气。因此，需采取适当的布风措施，既满 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 足烟气在静电除尘单元和袋式除尘单元都能均匀分布，又尽量减少压力损失。b 静电除尘 单元电场和袋式除尘单元运行技术参数的合理选择，复合除尘器内的运行构件等都发生很 大改变，因此，除尘器的运行参数也要做相应调整，特别是袋式除尘单元的喷吹压力、清 灰周期等参数需重新选择。 2 1 3 电除尘器改造为袋式除尘器 与静电除尘器相比，袋式除尘器的最大优点是：除尘效率不受烟气成份、含尘质量浓 度、颗粒分散度及粉尘比电阻等粉尘性质的影响，对微细粉尘捕集率一般可达9 9 9 以上， 排放质量浓度小于5 0 m g m 3 ，甚至更小。袋式除尘器用于收集燃烧低硫煤及对于静电除尘 器来说难收集的高铝、高硅粉尘时，具有明显优势。 改造为袋式除尘器时，改造工作可在不改变原有静电除尘器土建部分及混凝土框架的 基础上进行，拆除原静电除尘器的部分构件，主要包括：静电除尘器内部的阴阳极构件及 槽板、高压变压器及进线和绝缘装置等；保留原静电除尘器的外壳、烟道、输灰系统、进 口烟箱等，在其壳体内布置布袋及脉冲清灰系统，在原静电除尘器的外壳顶部增设净气室， 将其改造成袋式除尘器，见图2 2 。 图2 2 袋式除尘器结构示葸 f i g 2 2s c h e m a 廿cm a g r a mo fb a g 御t e r 袋式除尘器在国外燃煤电厂的应用已较普遍，随着我国滤料和自动控制技术的成熟， 它在我国燃煤电厂中也将得到广泛应用。目前，这种改造方案已在丰泰电厂、焦作电厂及 郑州热电厂等燃煤电厂得到应用，并取得了良好的效果。本文主要研究电除尘器改造为袋 式除尘器后下箱体内的气流分配情况。 2 2 电除尘器改为袋式除尘器的经济分析 电除尘器改造为袋式除尘器较推倒重建、新建袋式除尘器可节省l 3 以上的工程造价。 第1 0 页 一 武汉科技大学硕士学位论文 可以说不花费大量资金、不需要长时间的停( 施) 工即可达到提高收尘效率的目的。下面 以焦作电厂为例对。电改袋一作经济分析。 为了实现“十五一时期焦作市环境保护的总体目标和任务，焦作电厂于2 0 0 3 年1 月完 成了撑3 炉电除尘器改造袋式除尘器工程，取得了较好的效果。经焦作市环保局环境监测站 和省电力环境监测中心站联合监测，改造前后的监测结果和环境效益分析见表2 5 【5 1 表2 5 躬炉电除尘器改造为袋式除尘器后环境效益分析