CFD仿真技术在燃煤电厂袋式除尘器中的应用
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摘 要：本文结合新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》，介绍燃煤电厂除尘技术的现状，对旁通式布袋除尘器的结构形式及烟气流向进行了直观的介绍，详细分析讨论了旁通式布袋除尘器的气流均布。
关键词：燃煤电厂锅炉、袋式除尘器、气流分布、流场模拟
中图分类号： TK229 文献标识码： A
1 概述
2011年环境保护部颁布了新的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）。新标准制定了30mg/m3以下粉尘排放标准；社会舆论对PM2.5的控制也是呼声渐高。
目前全国各大发电企业燃煤锅炉80%以上采用电除尘技术，针对新标准就电除尘器而言，实现达标排放变得越来越困难。而布袋除尘器其高效的过滤机理决定了它不受燃烧煤种变化的影响，具有稳定的比电除尘器更高的除尘效率，能够较好地收集重金属以及PM10以下级别的粉尘，对PM2.5也有较好的捕集能力。通常布袋除尘器除尘效率可达99.99%以上，排放烟尘浓度能稳定低于30mg/Nm3，甚至可达10 mg/Nm3以下,几乎实现零排放。
目前应用最广的袋式除尘器结构形式为旁通式，烟气在这种结构中通过时流向多此发生变化,易造成穿过滤袋时分布不均匀, 影响滤袋的使用寿命。通过计算机辅助流场模拟技术，在除尘器特定位置设置合理的导流板, 以便得到穿过滤袋时的流场更均匀。
2旁通式袋除尘器介绍
2.1 袋式除尘的过滤原理
袋式除尘是通过滤料及附着在滤料表面的粉尘层对烟尘颗粒的机械过滤作用而达到除尘的目的，从理论上讲，只要滤料纤维间的空隙足够细小，烟气中的任何固体颗粒都能被截留下来。图1 为滤料过滤烟尘示意图。
图1 滤料过滤烟尘示意图
2.2 旁通式袋除尘器的结构介绍
旁通式袋除尘器矩形烟道及对称分布在矩形烟道两侧的过滤仓室组成，矩形烟道由斜隔板分为上、下两个独立楔形通道，上部通道为出风烟道、下部通道为进风烟道，斜隔板上安装有若干个旁通阀，正常工作时，旁通阀处于关闭状态，紧急状态下旁通阀打开、进风烟道与出风烟道间短路，烟气直接外排。在进风烟道入口处布置了导流板以尽量将烟气均匀分布到各个进风支管。烟气经进风支管进入各过滤仓室, 每个仓室匹配两路进风支管。之后含尘烟气经滤袋过滤进入净气室，净气室和过滤仓室之间由花板密封隔离, 滤袋固定悬挂在花板之下。除尘后干净的烟气经圆形出口离线阀汇集到斜隔板上部的出风烟道并排出除尘器。图2中箭头方向为为整台除尘器右半部分结构烟气流动方向示意。图3为旁通式袋除尘器结构三维示意图。
图2 旁通式袋除尘器烟气流向示意
图3 旁通式袋除尘器结构三维示意图。
3 旁通式袋除尘器内部流场分析
本文以华北地区某2×300MW机组新建工程布袋除尘器为例进行探讨，本工程除尘器设计处理烟气量：2100000m3/h；入口烟气温度：155 ℃；入口含尘量： 55g/Nm³；保证出口含尘浓度：≤30mg/m3；阻力：＜1300Pa，单锅炉配两台除尘器，图4所示为单台旁通式袋除尘器平面结构布置示意图。
图4旁通式袋除尘器平面结构布置示意图
3.1 模拟方案
假设流体作定常流动且整个流动过程为等温过程, 烟气为不可压缩流体。模拟方案为: 首先通过数值模拟比较在进风烟道入口处及过滤仓室内未设置任何导流板和均设置导流板条件下的结果。然后对设置的导流板进行优化, 方法是调整导流板的宽度、角度和安装位置，最终选用最优流场效果的导流板设置方式应用在实际工程中。
3.2 中部烟道导流设置模拟
取烟道下部楔形进风通道为流场模拟对象，每个过滤仓室由2个进风支管与楔形进风通道相连通，共12个进风支管，图5所示为中部进出风烟道立面示意图。
图5除尘器中部进出风烟道立面示意图
利用FLUENT计算机仿真软件对除尘器中部进风通道内流场进行数值模拟，该速度场分布见图6。气体沿通道流动, 在末端位置轴向速度迅速降为零, 动压转化为静压, 致使末端的静压增大，因此在烟道入口未设置导流板的情况下，末端进气支管内的气流远大于前端进气支管，各支管内气流分布不均，导致进入6个过滤仓室的烟气量不同。
图6未设导流板时速度场分布模拟图
东北地区某2×330MW机组新建工程布袋除尘器的设计参数及结构形式与此实例相似，但中部烟道入口处未设置任何导流板，在锅炉启炉预涂灰的过程中实测得各仓室滤袋内外压差值见表1，由实测结果可见烟道末端仓室内滤料的过滤负荷的大于见烟道前端仓室内滤料，因此计算机仿真模拟结果与实际使用效果具有较高的一致性。
表1实测各过滤仓室内滤袋内外压差值
③室压差值
800 Pa 烟气方向 ⑥室压差值
800 Pa
②室压差值
580 Pa ⑤室压差值
850 Pa
①室压差值
300 Pa ④室压差值
340 Pa
在中部烟道入口处设置三块导流板来改变楔形进风通道内的流场分布，经过多次模拟优化后，导流板的形式见图7示意。
图7烟道入口处导流板设置示意图
设置该形式的导流板后，模拟的速度场分布见图8所示，由计算机仿真模拟结果可见通过这三块导流板的设置，基本解决了速度分布不均匀的现象。通过计算，由①仓室至③仓室各进风支管平均气流分布速度为：5.5 m/s、6.2 m/s、6.4 m/s、7.7 m/s、8.3 m/s、10.3m/s，基本实现了速度场的均匀分布。
图8设导流板后速度场分布模拟图
3.3 仓室内导流设置模拟
单台除尘器沿中部进出风烟道两侧对称分布6个过滤仓室，取单个仓室为流场模拟对象，图9所示为过滤仓室立面示意图。
图9仓室立面示意图
对过滤仓室内流场进行数值模拟，在未加任何导流板的情况下速度场分布见图10所示。可见在未采取任何导流措施的情况下，与进风支管入口相对的墙板中部处的气体流速最高，因此在除尘器实际运行时如不在过滤仓室内设置导流板，则在此范围内的滤袋磨损最严重。
图10未加导流板时仓室内速度场分布模拟图
在进风支管入口处及与入口相对的墙板下部各设置一块导流板来改仓室内的流场分布，经过多次优化后，导流板的形式见图11示意。
图11仓室内导流板设置示意图
设置该形式的导流板后，模拟的速度场分布见图12所示，由此可见，这两块导流板的设置完全改变了仓室内的气流分布，此时在仓室内安装滤袋的区域，烟气流场分布基本均匀，在实际运行时基本避免了局部范围内的滤袋磨损现象。
图12仓室内设导流板后速度场分布模拟图
4 结语
对于烟气流向多变的旁通式布袋除尘器，导流技术是实际工程设计中的重点工作，在计算机技术高度发达的今天，利用FLUENT计算机仿真软件对旁通式布袋除尘器的中部烟道与过滤仓室内部的流场进行了数值模拟, 分别获得了中部烟道及过滤仓室内未设置导流板和设置导流板时各处流场的分布情况,通过对导流板设置的优化设计,使整台除尘器各滤袋的过滤负荷均匀化,以提高滤袋的过滤效率及使用寿命。
参考文献：
[1]王志刚,高原,闵 健. 工业布袋除尘器三维流场的数值模拟[J]. 石油化工设备,2010, 39( 5):22-26.
[2]张景霞,沈恒根,方爱民,等. 袋式除尘器喷吹管内气流数值模拟分析[ J]. 电力环保保护, 2008, 24( 3) :30-32.
[3]王福军. 计算流体动力学分析[M].清华大学出版社,2004
作者简介：
张军强( 1979-) , 男, 甘肃天水人, 工程师, 学士, 从事环保工程设计工作。