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袋式除尘设备气流分布的数值模拟
发布时间：2019-04-08 点击次数：2156
袋式除尘设备具有除尘效率高、运行稳定可靠、结构简单、操作维护方便,并可处理高浓度含烟尘气等优点,能够满足日趋严格的环保要求,出口处气体的含尘浓度可达20～30mg/m3,最小可以捕集0.1μm左右的粉尘,因此在国内的应用将越来越广泛。
影响袋式除尘设备除尘效率和滤袋寿命的因素很多,其中烟气进入除尘设备时的分布状况是关键因素之一。气流分布均匀性的影响因素主要有进出管道的几何尺寸、进气管道的气流状况、气流分布板的布置及开孔率。当除尘设备本体及出口管道系统设计确定后,气流均布主要取决于气流分布板型,该板型只能通过模拟实验来确定。因此气流分布板型不具有通用性,每台袋式除尘设备设计完后都应进行气流分布模拟实验,以找出适合该除尘设备气流均布要求的气流分布板型,供设计时参考。
由于除尘设备内部气固两相流动十分复杂,气相流场以及颗粒运动和沉积特性的测量也很困难,因此设计者往往只能依赖于经验数据或简单模型的计算结果,主观性较强,除尘设备的实际性能常常达不到设计期望的水平。近年来,随着计算机软硬件水平的不断提高和CFD(Computational Fluid Dynamics)技术的发展,CFD辅助设计已成为除尘设备技术革新的一种准确、经济和快捷的新手段。
本文应用Fluent数值模拟软件,对某热电厂50MW发电机组袋式除尘设备进口处的气流分布进行了数值模拟。
1 气流分布原理
1.1 气流分布状况分析
由于除尘设备的入口断面往往要比前面烟道的截面大很多倍,也就是烟气由烟道进入除尘设备时有一个面积扩散比很大的喇叭口。如果除尘设备入口处不安装气流分布板(一般为一层到三层多孔金属板),则气流势必造成如下流动状态:即中间流速大,流线稠密;周围流速小,流线稀薄。如果在除尘设备入口处装上气流均匀分布板,则会迫使气流重新分布,使稀稠差距悬殊的流线趋于均匀,因而气流充满整个空间。
出现这种现象的原因是:气流分布板相当一个大的节流多孔板,气流遇上节流板后,由于中间速度大的气流动能最大,故其受到的节流阻力也最大,动能减少程度最大,根据能量守桓原理,一部分动能转化为静压能,亦即中间气流受阻后静压必然增大。当压力超过周围压力后,气流自然就会向四周扩散,从而使气流充满空间而趋向均匀(此时的压力相应达到平衡)。
1.2 数学模型
从锅炉尾部烟道空气预热器出口到除尘设备入口,烟尘的流动过程涉及到气固两相的湍流流动。对气固两相湍流流动中的气体运动按粘性、稳定等温流动看待,对两相湍流中烟尘颗粒的流动采用颗粒轨迹模型处理,即假设烟尘颗粒项是离散项,气相与烟尘颗粒固相存在速度与温度滑移,颗粒沿轨迹运动,其各个参数的变化可沿轨迹跟踪,颗粒作用于流体的质量、动量、能量等量地均布于气相内。计算的理论根据是求解湍流气固两相流动的动量、质量守恒微分方程组,经时间平均化处理后,
各守恒方程的通用形式可表示为
式中:ρ为气相或颗粒固相的时均密度;Υ为时均通用因变量;Vj为气相或颗粒固相在j方向的时均速度;ΓΥ为输运系数;SΥ为气相本身的源项;SΥρ为气固两相相互作用产生的源项。
2 Fluent软件简介
CFD技术,即计算流体力学技术。随着计算机技术的推广普及和计算方法的新发展,几十年来取得了蓬勃的发展。由于数值模拟相对于实验研究有很独特的优点,比如成本低、周期短、能获得完整的数据、能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态,对于设计、改造等商业或实验室应用起到重要的指导作用,故而CFD技术得到了越来越多的应用。
Fluent软件是一个工程运用的CFD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在计算速度、稳定性和精度方面达到最佳,可以计算流场、传热和化学反应。其思想实际上就是做很多模块,这样只要判断是哪一种流场和边界就可以拿已有的模型来计算。
大部分情况下,所测对象的变化趋势能够准确地预测出来,但是具体量的大小不能精确显示。要精确测定必须依靠实验手段。Fluent的作用主要体现在缩短设计过程,减少实验室测定试验的数目,减少产品开发成本等方面。
3 模型的建立及边界条件
3.1 用Gambit构体及网格划分
如图1所示,袋式除尘设备的进气烟箱为梯形结构,B为圆孔型气流分布板,依次放置3层。烟气以10m/s的速度由A面进入,经过三层气流均布板从C面流出后进入三个的并排过滤袋室。构体时以实际尺寸用Gambit建立进气烟箱的模型,为减少运算量,简化模型,先放置一层气流分布板进行数值模拟,气流分布板设为无厚度的圆形均布孔板,如图2所示,利用Tgrid程序对模型进行网格划分。
3.2 数学模型及边界条件
除尘设备所处理烟气为气固两相流,采用标准k-ε双方程模型描述湍流模型,用SIMPLEC算法计算气相速度场,采用FSRT模型Lagrange法计算颗粒场特性,然后将计算得出的颗粒场与气相场耦合,直到得出满意的结果为止。这是一种计算气固两相流动的行之有效的数值模拟方法。
烟气的进口为速度入口(velocity-inlet)边界条件,出口为自由出流(outflow)边界条件,气流均布板及固体壁面为无滑移壁面(wall)边界条件,颗粒相在壁面上取为弹性反射条件。
4 模拟结果及分析
如图3所示,为未放置气流分布板之前的速度矢量图,可以明显看出进气烟箱的中上部区域速度高且气流集中,而两侧及下部气流量少且速度低,与理论上是一致的。图4为放置单层花板之后的速度矢量图,进气烟箱出口的烟气流场分布明显改善,较为均匀。气流不再集中于进气烟箱的中上部,而是比较均匀的分散于整个空间,在出口的顶部气流速度稍大一点,这是由于气流分布板与进气烟箱上壁面之间的间隙所造成的,与实际情况相符。
如图5所示,为放置花板之前出口面z=0的直线上的速度曲线,从图上可以看出速度分布成抛物线状,在y=-500mm(出口的中上部)附近速度达到最大,分布很不均匀。图6为放置单层气流分布板后出口面z=0的直线上的速度曲线图,速度分布有了明显的改善,在y=-3 800mm至y=1 000mm之间速度值基本保持不变,分布均匀。在y=1 000mm至y=1 500mm之间速度稍大,这个位置在进气烟箱的顶部,也是由于气流分布板与进气烟箱顶面之间的间隙所造成的。
5 结束语
①通过Fluent模拟计算结果可以清楚的看到,在放置单层气流均布板前后烟气的流场分布情况有了明显的改善,如果放置三层气流分布板,并合理调整气流分布板的位置、孔径、开孔率,可使除尘设备3个室之间的烟气量及气流分布达到均匀,由此提供最佳的设计方案。
②建立模型时采用实际设备的几何尺寸,计算工况与实际运行工况相同,有效地降低了气流分布模拟试验台与实际几何尺寸和工况条件不同而引起的试验数据偏差。
③采用数值模拟软件进行流体的模拟计算,可以有效地缩短设计过程,避免气流分布模拟试验台因设备不同而不能重复使用造成的浪费,减少了产品开发成本
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