生物质能电厂袋式除尘器流场的数值模拟

1、生物质能电厂袋式除尘器流场的数值模拟时间：2010年9月30日字体：大中小张静1郁金星2胡满银1尹琦1（1华北电力大学环境科学与工程学院； 2河北省电力研究院）摘要本文利用计算流体软件 FLUEN对某75t/h循环流化床锅炉的燃煤烟气和燃生物质烟气在袋式除尘器中的气流分布进行了数值模拟。由计算结果可知，袋式除尘器未采取气流分布措施时，燃煤和燃生物质时的气流分布不均匀现象均很明显， 燃煤时的流场比燃生物质时紊乱；采取气流分布措施后流场的均匀性得到明显改善，烟气在导流板中间区域大颗粒和小颗粒分 离分布在了左右两侧，且都是在绕流。该模拟结果可为生物质能电厂袋式除尘器的设计和运行提供参考。关键词 袋除

2、尘流场数值模拟1引言生物质发电技术是近年来发展比较迅速且可靠的一种生物质能利用技术，随着生物质电厂的普及，生物质电厂的污染情况也越来越受到人的重视。由于生物质相对于煤，氮和硫元素的含量要小很多，所以燃烧后NO、SO等烟气污染物的排放量比煤要低， 排放的主要污染物是粉尘。生 物质燃烧排放的粉尘多是PM10以下的粉尘，能悬浮在大气中，严重影响着大气环境质量，更严 重的是其中有大部分颗粒是危害人类健康的PM2.5以下的微细粉尘。FLUENT软件是用于计算流体流动和传热问题的程序，它通过计算机数值计算将时间域和空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，然后通过求解代数方程组

3、获得描述流场变量的近似 解。采用CFD数值分析方法研究袋式除尘器内部气体流动规律，可以减少模拟试验的次数，甚至不需要模拟试验，并能解决一些因客观条件限制难以解决的问题。本文利用CFD商业软件FLUENT对袋式除尘器处理生物质燃烧烟气进行了模拟计算，并和燃煤烟气的处理结果进行了分析比较。2物理模型和边界条件2.1 计算区域及网格划分本课题中研究的除尘器为下进风外滤式袋除尘器， 分为上下两个箱体，上箱体为长方体，长 4.98m、宽2.38m、高6.2m；下箱体为倒四棱锥台形，高 2m底面长3m宽1.6m。进风管位于箱 体底面中心偏上位置（距底面1.2m）直径0.5m，上箱体中共设置4组滤袋，每组4

4、排，每排9条滤袋。滤袋为圆柱形直径160mm袋长5m。本次设计中对除尘器进行了一定的简化并且用结构 /非结构的混合网格对模型进行网格划 分，共将除尘器划分了 60万网格。计算中将144个滤袋简化成36个按对称线对称分布的大滤袋，简化滤袋与原滤袋等高，每 个简化滤袋的直径按下式计算得到：D' = J斗，（公式1）其中D'简化滤袋的直径；D 原滤袋的直径。简化计算区域，根据计算区域的对称性只取计算区域的一半。图2简化后的模型如图1所示，根据公式1可得袋径320mm其中间距200mm*200mm 为了使袋室内的气流分布更均匀地提高除尘效率，本课题对原除尘器模型进行了改进，在除尘器下箱

5、体 中烟气入口和滤袋底部之间加了一个导流板（如图2），并对该进后的效果进行了模拟计算。图1除尘器模型简图2.2 数值方法和边界条件本文利用flue nt软件模拟计算的三维稳态工况，采用SIMPLE方法求解N-S方程，气固两相 间的湍流计算采用标准k &湍流模型，粉尘颗粒的轨迹场采用基于拉格朗日得随机颗粒轨道方 法。在对守恒方程选用离散格式时，对于动量方程采用一阶上风格式，用Simple方法来处理压力-速度的耦合，为了方程离散时的便利，同时在不影响数值精度的前提下，对能量方程、湍动 能方程、湍能耗散率方程和平均混合分率方程都采用了一阶上风格式。本文在计算时生物质烟气量为 Q=14x10n

6、Vh，得入口风速为24.8m/s，过滤风速取1m/min， 布袋渗透率为1.89e-12。固体颗粒相即生物质烟气中灰分的质量流量为0.05kg/s，平均粒径d=1.5e-6m密度P为600 kg/m3。在计算燃煤烟气时烟气量 Q=18x1dnVh，得除尘其入口风速为31.8m/s，滤袋的过滤风速仍取1m/min,布袋渗透率为1.89e-12。固体颗粒相即生物质烟气中灰分的质量流量为0.1kg/s，平均粒径d=10e6m密度P为3500kg/m3。3结果及分析3.1原除尘器模拟3.1.1生物质烟气Z=0Z=0.26mZ=0.5mZ=0.9m图3与对称面平行的各截面上的压力场分布图由图3可以看出除

7、尘器内的压力场分布并不是特别均匀，只有在Z=0截面（即对称面）上每条布袋的上下位置处压力大小较均匀，但对称面处自左向右压力却有明显增大的趋势，即水平方向上压力分布不均匀。其余截面自上而下压力都有一个明显的跳跃式增大，而且水平方向上也是自左向右有增大的趋势。但是以自上而下压力场发生跳跃的位置为界分为上下两部分，则两部分各自的等压力线分布还是比较均匀的。总体上 来说这个压力场分布不是特别理想。Z=0Z=0.26mZ=0.5mZ=0.9m图4与对称面平行的各截面上的速度场分布图Z=0.3mZ=0.8m图5与对称面平行截面上的速度矢量图图6除尘器内颗粒轨迹图这对滤袋底部的冲刷比由图4、图5可以看出，在

8、除尘器内靠近入口处底部有一个速度明显较大的区域,较强烈，容易造成滤袋的提前破损，随着Z值（离对称面的距离）逐渐变大情况有所改善，但是整个截面上的速度场分布变化得越来越剧烈。Y=0.5m处的截面是两排滤袋的缝隙处，可以看出有很大一部分靠近两边滤 袋的区域速度达到了 1 2m/s,这对滤袋的损害也是很大的。总体上看，滤袋内越靠近出口速度越高，整个除 尘器内右侧靠近入口处的速度分布更高一些，分布不是很均匀，这和压力分布也是能对应起来的。图6为从除尘器入口随即跟踪的63颗粒子的示意图，可以看出整个除尘器内两侧以较小颗粒为主，较大颗粒则集中在中间区域，从进口到达最远处的颗粒为粒径最小的那部分，可以认为

9、较小颗粒的相对速度比大颗粒的更大一些。 大小颗粒都是以垂直向上的速度为主， 只在上部有很由于小颗粒的相对速度较大,小的一部分小颗粒产生回旋，和滤袋不能充分接触，不易被收集 所以在除尘器上部产生回旋的大部分为小颗粒。3.1.2燃煤烟气模拟Z=0Z=0.3mZ=0.5mZ=0.9m图7与对称面平行截面上的压力场分布图Z方向上压力场的分布由图7所示，随着距对称面越来越远的截面压力场的分布变化不是特别大，即在是相对比较均匀的。但是在 X方向和Y方向上的分布则是不均匀的，在Y方向不同截面都是在中间区域有个较大的压力场把整个截面分开,分界处的压力跳跃比较明显， X方向同样如此。总体说来整个除尘器内的压力场

10、分布不是很均匀。Z=0Z=0.26mZ=0.5mZ=0.9m图8与对称面平行截面上的速度场分布图I ?工1.貝lEr-:'- / - rilw w 电FHAU*:* tJari B * "rp_ 二 mwiwfHZ=1.0mZ=0.4m图9与对称面平行截面上的速度矢量图图10燃煤烟气除尘器内颗粒轨迹图如图8所示，各个截面均是在靠近入口的滤袋底部和靠近滤袋出口的上部有一个较明显的高 风速区域，这很容易导致滤袋的提前破损。从速度矢量图9可以看出在除尘器内出现了多个漩涡， 尤其是在下箱体内靠近滤袋底部区域处。总体看来，燃煤烟气和燃生物质烟气经该袋式除尘器处理时流场分布比较类似，都不

11、是很均匀，由于燃煤烟气量较生物质的较大，使得除尘器内燃煤烟气的压力场和速度场较生物质的都稍 大一些。由于燃煤烟气的颗粒浓度比生物质要大，为了更准确的了解颗粒的轨迹，在此随机对100颗粒子进行了颗粒跟踪，如图10所示。和生物质烟气颗粒轨迹比较相同点是：从入口一进入就有 一部分小颗粒直接向上运动，而向前冲到最远处的是粒径最小的一部分颗粒，大颗粒则向前到中间区域就都向上运动了，即从水平方向看，除尘器内两侧以小颗粒为主，中间区域主要为大颗粒， 再有就是大部分颗粒仍是以垂直向上的速度为主， 不利于滤袋收集。不同点就是，在除尘器上部 发生回旋的不再是只有部分小颗粒，还有一部分大颗粒，这与燃煤烟气量大导致入

12、口的风速也较 大有一定关系。3.2 改进除尘器模拟3.2.1生物质烟气Z=0Z=0.3mZ=0.6mZ=0.9m图11与对称面平行截面上压力场分布图各个方向上的压力分布变得比较均匀。如图11所示，加入导流板后除尘器内的压力场得到了明显的改善,Z=0Z=0.3mZ=0.5mZ=0.9m图12与对称面平行截面上速度场分布图Z=0.3mZ=0.6m图14生物质烟气除尘器内图13与对称面平行截面上的速度矢量图颗粒轨迹图如图12所示，加导流板后速度场分布比原来有很大改善，由于加入了导流板，在靠近滤袋 底部的高风速区域被导流板隔开，不会再因对滤袋底部的强烈冲刷造成滤袋的提前破损。从速度矢量图13也可以看出

13、不再有很多个漩涡，只在靠近进口处因碰到导流板出现了一个大的涡流。 总体上看，加入导流板后整个除尘器内的速度场分布变得比较均匀了。图14为对63颗粒子的随机跟踪示意图，可以看出加了导流板后颗粒轨迹也发生了很大变化。颗粒因导流板的作用从入口进来后绝大多数都是继续向前运动，到达中间位置时大颗粒和小颗粒发生了分离，大颗粒一小部分开始向上，而大部分则继续向前到达最前端和除尘器边缘发生碰撞 后才开始向上运动，小颗粒则在中间区域就一部分向上， 一部分在下箱体内经过回旋经反方向向 上运动了。在整个除尘器内大小颗粒则都是在绕流， 较之没加导流板之前的垂直向上更容易被布 袋收集。3.2.2燃煤烟气模拟Z=0.6m

14、Z=0Z=0.3mZ=1.0m图15与对称面平行截面上压力场分布图如图15所示，加导流板后燃煤烟气在除尘器中的压力场分布也有很大改善，在各个方向上分布相对比较均匀了。在导流板下部有一个小的高压区域，但是因为有导流板挡着也不会对滤袋造成大的损害。Z=0.6mI'Z=0Z=0.9mZ=0.3m图16与对称面平行截面上速度场分布图Z=0.9m图18燃煤烟气Z=0.3m图17与对称面平行截面上速度矢量图图除尘器内颗粒轨迹图如图16所示，加了导流板之后燃煤烟气在除尘器内的速度场也得到了很大的改善。也是在 下箱体靠近烟气进口处有一个高风速区域，但是被导流板阻挡，不会对滤袋底部形成强烈的冲刷, 从速

15、度矢量图17可以看出整个除尘器内也只有一个由于这个高风速区域造成的一个大的涡流，但由于涡流几乎在整个除尘器内形成，所以整个除尘器内的速度场还是比较均匀的。总体看来，生物质燃烧产生烟气和燃煤产生烟气经该改进后除尘器模型处理后，流场都变得比较均匀了，而二者在流场分布方面差别不是很大，只是有一点，燃煤烟气两比生物质烟气大一些，从而导致整个除尘器内的平均压力场和速度场也都较生物质烟气稍大些。图18为对100颗燃煤烟气中粒子的随机跟踪图，和生物质烟气相比相同的是仍是在下箱体的中间部分大小颗粒分成了两部分，大颗粒主要分布在了左侧，小颗粒分布在了右侧，但不同的是有部分大颗粒在中间区域也发生回旋经反方向向上运

16、动了。大小颗粒也是在整个除尘器内发生回旋，能和布袋充分接触，利于被布袋收集。4小结（1）原除尘器处理两种烟气时的流场都不是很均匀，存在压力跳跃区域，烟气流在整个除尘器内出现了多个漩涡，尤其对滤袋底部的冲刷比较强烈。颗粒轨迹大部分颗粒是以垂直向上的速度为主，不利于滤袋收集。（2）燃煤烟气的压力场和速度场都比生物质的大一些，更紊乱一些。颗粒轨迹燃煤烟气比 燃生物质烟气在除尘器回旋的颗粒更多一些。（3）模型改进后流场的均匀性得到了明显的改善。靠近滤袋底部的高风速区域被导流板隔 开，。烟气流只在靠近进口处因碰到导流板出现了一个大的涡流。颗粒轨迹在整个除尘器内大小 颗粒则都是在绕流，更容易被布袋收集。（

17、4）燃生物质烟气中颗粒在下箱体导流板中间区域处大颗粒和小颗粒分为两部分，大颗粒 主要分布在了左侧，小颗粒分布在了右侧，而燃煤烟气还有一部分大颗粒也在中间区域发生回旋 经反方向向上运动。参考文献1 国家环境保护总局.国家质量监督检验检疫总局.GB13223-2003.火电厂大气污染物排放标准 S.北京：中国环境科学出版 社，2003-12-232 李勇.袋式除尘器的除尘机理和影响因素J.青岛科技大学机械工程学院.特种橡胶制品，2003，24 （ 1）: 29-333 Dave-Paul DaytonJoan T. Bursey. Source Sampling Fine Particulate Matter: Wood-Fired IndustrialBoiler.Project Summary,20024 W.Permchart, V.Kouprianov. Emission performance and combu