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利用计算流体动力学 CFD 方法 研究电收尘器斜向气流分布 党小庆 杨 衡 赵昕慰 马广大 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西 710055 摘要 在讨论了电收尘器电场内气流分布对除尘效率影响的基础上, 介绍有效降低粉尘返流损失, 提高电收尘效率的 斜向气流技术 , 进而利用 CFD 方法对电场内的气流分布进行数值模拟, 给出了在电场内实现斜向气流分布时气流分 布板结构调整方法和参数。 关键词 电收尘器 气流分布 斜向气流技术 CFD 1 前言 电场内气流分布是影响电收尘器运行效率的重 要因素之一。按照 Deutsch- Anderson 方程电场内断面 粉尘浓度均匀分布的假设, 电场内的气流均匀分布, 电收尘器的除尘效率最大 [ 1,2] 。有研究认为, 电场内 断面实际粉尘浓度分布的不均匀造成了极板表面粉 尘层厚度不均匀 ,产生了振打返流损失 , 提出了通过 在电收尘器进出口调整气流分布, 使断面的粉尘浓度 分布相对均匀, 来降低振打返流损失, 提高除尘效率 的建议 [ 3] 。在讨论电场气流流型与粉尘返流损失的 关系时,还推测若采用某种特定的不均匀进出口气流 分布, 有可能得到高于均匀气流分布的除尘效率 [ 4] 。 W. T. Sproull 对 1 台运行中的电收尘器各电场出口垂 直断面的粉尘浓度分别进行了连续监测 ,结果发现每 个断面浓度分布不均匀, 粉尘浓度沿高度方向从上到 下逐渐增大 [ 5] 。极板振打清灰落下的尘团 ,受到的空 气阻力很小, 大约以2gh的速度下落, 若下落高度 10 m ,尘团到达灰斗的下落速度远 1 m s 左右的水 平气流速度 ,这些下落尘团扰乱了水平气流 ,灰斗上 部高浓度含尘气体受到扰动容易形成返流。因此 ,在 电收尘器电场内特别是在电场出口底部区域 ,选择一 个合适的气流速度分布能有效提高电收尘器的效率。 2 斜向气流技术 在此基础上 ,L. Lind 提出了电收尘器电场内气流 组织的斜向 气流技 术 Skew Gas Flow Technology , SGFT ,即电场入口断面气流速度分布由下向上逐步 减小, 而在电场断面出口相反, 气流速度分布由下向 上逐步增大 ,以最大限度地减轻返流损失 ,提高电收 尘器效率 [ 6] 。有资料介绍,1 台电收尘器采用了 SGFT 后,除尘效率由 97. 96提高到 98. 52, 飞灰损失降 低了 27. 5。在对飞灰粒径分布的分析中还发现, 粒径 10 μ m 的飞灰的去除率有较大提高 [ 7] 。以色 列采用 SGFT 对 1 台电收尘器进行改造后 ,飞灰损失 降低了约 50～ 60,其中 PM10 粒子的通过率降低 了46. 3 [ 8] 。A. G. Hein用能拟合实测浓度分布的函 数关系 称返流函数 来模拟电场中落灰的返流损失, 采用可变参数来决定模型的准确性 ,计算沉积在极板 上不同位置的粉尘下落时的返流损失量 ,模拟出真实 的断面浓度分布 [ 9] 。M. Sarna 对斜气流在提高电收尘 器效率方面进行了实验分析, 结果表明在返流损失加 重时 ,采用斜气流分布比均匀气流分布的除尘效率更 高 [ 10] 。可见斜气流技术是提高电收尘器除尘效率的 简单有效方法。 通过调整气流分布板布置形式和结构尺寸参数 , 组织电场内部气流流型以实现电场气流斜气流分布 。 通常电除尘器气流分布的研究根据流体相似性原理 , 采用模型实验的方法。模型实验结果只能显示出电场 测试断面气体速度分布状况,不能全面反映电除尘器 电场内气流流动规律 ,若要达到 SGFT 应用要求 ,分布 板模型参数调整幅度不易掌握。计算流体动力学 Computer Flow Dynamic,CFD 方法可以方便有效地模 拟不同条件下流场,得出实现理想斜气流分布的最佳 分布板参数,为进一步实验调整和工程设计提供依据 。 3 几何模型 以1 台 300 MW 机组电收尘器为研究对象 ,单台 收尘器 电场断面积为 220 m 2 , 三电场 , 电场尺寸 17. 1 m 15. 7 m 14. 0 m 。进、出口管道断面尺寸为 4. 8 m 3. 6 m 。在进口喇叭内距进口水平距离分别 45 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 为0. 9、 2. 1、 3. 7 m 处垂直设置 1 、 2 和 3 3 层气流 分布板,在电场出口处设置 1层气流分布板。分布板 上开孔直径为 80 mm,1 、 2 和 3分布板开孔率分别 是 60、55和 50, 出口气流分布板开孔率为 50。几何模型见图 1。 图 1 电收尘器几何模型示意图 4 数值模型 [ 11～ 13] 实际电收尘器内的流场是在电风作用下复杂的 三维湍流场。为计算方便 ,在满足应用条件作适当简 化。根据 Davidson 对均匀气流流场的测定结果,沿通 道宽度方向流速变化不大, 将其作为常数 ,对气流流 速分布计算的影响可以忽略不计, 流场的计算采用二 维稳定湍流场和 k ～ ε双方程模型求解湍流问题。 控制方程包括连续性方程 、 动量方程、 能量方程、 湍流 动能 k 方程以及湍流能量耗散ε方程 。湍流控制方 程从流体力学的基本方程出发 ,引入时均值及脉动值 的概念 ,经过若干的假设和简化, 转化成为适用于湍 流粘性流的湍流时均值方程。 1 连续性方程 ui xi 0 动量方程 Dui Dt 1 ρ P xi xi μ eff ρ ui xj u j xi β cp gi H0-H 式中 μ effμlμt 湍流有效粘性系数; H0 参考焓值。 3 湍流动能方程 k 方程 Dk Dt 1 ρ xj μeff σk,eff k xj μt ρ ui xj u j xi ui xj -ε g iβ ρ cp ΓH,t H xi 式中 σk,eff 湍流动能的有效施密特数, 它与有效 扩散系数 ΓH,t间的关系为 Γk,eff μeff σk,eff ; σH 充分湍流时流体的 Pr 数; ΓH,t μt σH 温度扩散系数。 4 湍流能量耗散方程 ε 方程 Dε Dt 1 ρ xj μeff σε ,eff ε xj c1 μ t ρ ui xj u j xi ui xj -c2 ε 2 k c3 giβ ρ cp ε k ΓH,t H xi 式中 σε ,eff 湍流耗散的有效湍流普朗特数 ,它与 湍流耗散的有效耗散系数 Γ ε ,eff间的 关系为 Γε ,eff μeff σε ,eff 。 5 能量方程 Dρ H Dt xj ΓH,eff H xj SH 式中 ΓH,effΓH,tλ cp 有效湍流扩散系数; SHDp Dt Υp 热的产生项 ,取 SH 0。 6 湍流粘性系数的 k ～ ε 表达式 μ t cDcμK 2 ρ ε 5 计算结果 采用 CFD 计算软件求解以上方程组, 得到不同 分布板结构尺寸参数条件下的流场 。流场计算结果 如图 2 所示 。依据计算结果 ,采取如下调整方案即可 实现斜向气流分布 气流分布板开孔率不变, 进口 2 气流分布板底部 1 3 部分的开孔率增大 ,其余 2 3 部 分开孔率减小; 3 气流分布板底部1 5 部分开孔率减 小,1 5～ 3 5 部分开孔率增大,余下的 2 5部分开孔率 适当减小。 图 2 斜向气流分布流场的计算结果 气流流型表明在电场出口粉尘浓度较高的底部 气流流速较低, 这有利于粉尘的捕集, 并减轻了单位 时间内粉尘的排放量 。而在出口顶部虽然流速较高, 下转第 50 页 46 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 率随 Ca S 的增大而显著增加 ,但当 Ca S 2. 5达到最 佳的脱硫率 ηMAX89. 7 后, 再增加 Ca S , 其脱硫 率反而呈下降趋势。床温对脱硫效率影响很大,对于 云天化CFB 锅炉 ,如果床温控制较高 ,在 950 ℃以上 时,炉内的脱硫效率不高 ,在 Ca S 3. 0 时, 脱硫效率 只有 87。 2 石灰石在炉内停留一定时间 Ca S2. 5时约 100 min 后, 其转化率基本趋于稳定, 脱硫效率接近 平均值。 3 CFB 锅炉采用炉内添加石灰石的脱硫工艺引 起的热效率的降低是有限的, 其影响较小。 4 提高 Ca S 可增加脱硫效率, 但会使床温下 降。对于云天化 CFB 锅炉, 当 Ca S 2. 5 时, 不仅有 最佳的脱硫效率 , 也具有较好的温度下降率 。维持 Ca S2. 5, 可使锅炉各项运行指标在综合范围内 最佳 。 5 含硫量越高的煤,其脱硫率也越高 。 6 与常规锅炉的尾部烟气脱硫 FGD 相比, 循 环流化床锅炉炉内加钙脱硫具有设备投资省 、 占地面 积小 、 能耗低、 操作简单、无水污染等优点 。 参考文献 1 林宗虎, 徐通模主编. 实用锅炉手册. 北京 化学工业出版社, 1997. 436～ 488. 2 于临杰主编. 锅炉运行. 北京 中国电力出版社, 1998. 262～ 338. 3 冯俊凯, 沈幼庭主编. 锅炉原理及计算. 北京 科学出版社, 1998. 263～ 269. 4 刘德昌. 流化床燃烧技术的工业应用. 北京 中国电力出版社, 1999. 42～ 58. 5 邹峥, 俞建洪等. 钙硫比对循环流化床锅炉炉内脱硫影响的工业实 验. 工业锅炉,2003. 81 20～ 22. 6 P. 巴苏 S. A. 弗雷泽著. 循环流化床锅炉的设计与运行. 北京 科学 出版社, 1994. 214～ 263. 7 岑可法等. 循环流化床锅炉理论设计与运行. 北京 中国电力出版 社, 1998. 288～ 312. 作者通讯处 马林转 650093 昆明理工大学莲华校区 5 栋412 E -mail zhuanzhuan2001163. com 2005- 02-01 收稿 上接第 46页 但粉尘浓度很低, 不会增加单位时间内粉尘的排放 量。所以这种流型实现了斜向气流分布 ,能有效提高 电收尘器的效率 。 6 结论 通过 CFD 方法可以弥补模型实验的不足, 方便 地调整气流分布板参数, 实现电场内斜向气流分布, 有效提高电收尘效率 ,减小粉尘排放量 。 参考文献 1 H. J. White , 王成汉译. 工业电收尘. 北京 冶金工业出版社, 1984. 2 S. Oglesby ,G . B. Nichols, 王励前译. 电除尘器. 北京 水利电力出版 社, 1983. 3 高瑞生. 烟尘浓度分布对二次扬尘影响的探讨. 电力环境保护, 2001. 17 3 . 4 杜震宇. 电收尘器出入口气流分布对效率影响的初探. 太原理工 大学学报, 2002. 33 4 . 5 W. T. Sproull. Minimizing Rapping Losses in Precipitators at a 2000 Megawatt Coal-Fired Station. JAPCA, 1972. 22 8 . 6 L. Lind. Influence of gas distribution on precipitator perance .6th Symp. on the Transf. and Utiliz. of Partic. Contr. Techn. , 1982. 7 M. Boyd. The uation of Skewed Gas Flow Technology.Proceedings 8th International Conference on Electrostatic precipitation, May. 2001. 8 J. Lockhart ,O . Weiss. The Application of Skewed Gas Flow Technology at the Israel Electric Corp.MD -A Station.Proceedings 8th International Conference on Electrostatic Precipitation,May. 2001. 9 A. G. Hein.DustReentrainment, Gas Distrbution and Electrostatic Precipitation Perfor mance. JAPCA, 1989. 39 5 . 10 M. Sarna , E. Grys. Some Modifications of a Gas Flow in an ESP For Efficiency Improvement.Proceedings 8th International Conference on Electrostatic Precipitation,May . 2001. 11 史万明. 数值分析. 北京 北京理工大学出版社, 2002. 12 吴子牛. 计算流体力学基本原理. 北京 科学出版社,2001. 13 金忠青. N- S 方程的数值解和湍流模型. 南京 河海大学出版社, 1994. 作者通讯处 党小庆 710055 西安市雁塔路 13 号 西安建筑科技 大学环境与市政工程学院 2005- 01-04 收稿 50 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 THE COOPERATIVE EFFECT OF Fe3CATALYSIS AND MICROOGANNISM METABOLISM ON FLUE GAS DESULFURIZATIONLiu Qiwang et al 42 Abstract Under the acid condition pH 2. 0～ 2. 8, Fe3has a good catalysis oxidation to SO2; whereas Fe2 has inhibition to this reaction. DYB1 Dian Yuan Bacteria 1 in the course of breeding it with Fe2as the energy can turn Fe2 into Fe3 effectively. Combining this functionwith the above -mentioned reaction can keep on the constant concentration of Fe3and maintain circulation of desulfuration. Keywords flue gas desulfurization, Fe3catalysis, microoganism and coordinate effect STUDY ON SKEW GAS FLOW DISTRIBUTION OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR WITH CFD Dang Xiaoqing et al 45 Abstract On the basis of discussing effect of electrostatic precipitation gas flow distribution on dedusting efficiency, it is introduced skew gasflow technology which can reduce reentrainment and improve the efficiency effectively;and the gas flow distribution in electric field is simulated numerically using CFD, which provides a adjusting and parameters of distribution devices that realizing skew gas distribution in electric field. Keywords electrostatic precipitator, gas flow distribution, skew gas flow technology and CFD EXPERIMENTAL STUDY ON CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER DESULFURATION Ma Linzhuan et al 47 Abstract It was conducted that an industrial test of adding limestone to a circulating fluidized bed CFBboiler 75 t h. The effects of Ca S ratio, bed temperature and suphur content of the coal etc on the desulfuration efficiency were obtained when high -sulphor hard coal was combusted. The optimal Ca S ratio and control parameter of desulphuration under actual operation of CFB boiler were also proposed based on the analysis of the test results. Keywords desulphuration, Ca S ratio, CFB boiler and hard coal DEVELOPMENT AND APPLICATION OF AXIAL FAN AT HIGH TEMPERATURE IN WET ARRESTING DUST OF SHAFT CEMENT KILNLiu Jianshou et al 51 Abstract The article introduces a new axialfan used athigh temperature and high moisture and high dust. Itmakes use of structure ofwater cooling and lubrication and protected belt and clean dust door and so no. It features huge diameter, enormous wind and low pressure. Keywords axial fan used in high temperature, shaft cement kiln, wet arresting dust, water cooling and lubrication ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF VERTICAL WELLS AND HORIZONTAL COLLECTORS USED IN LANDFILLZhu Yan et al 53 Abstract Characteristics of two different suction systems for landfill gas in the largest landfill site of Europe are investigated. Based on field testing and data analyzing, the characteristics such as quality and quantity of the landfillgas, the suction pressure, construction and operation costs are discussed. The advantages and disadvantage of the two systems and their applicability are also summarized. The results are helpful to researchers and engineers in developing countries for their new landfill design and construction. Keywords landfill gas LFG, suction system, verticalwell and horizontal collector EXPERIMENTAL STUDY ON SOLIDIFYING FLY ASH FROM REFUSE INCINERATION BY FUEL MELTINGZhao Guangjie et al 56 Abstract Fly ash from refuse incineration is solidified in a melting furnace that takes diesel fuel as its fuel, the solidifying effect is examined. The influence of different environments on the solidifying effect is also explored. The results show that the fly ash has no toxicity after its melt solidification; acidic pH≤4. 5and alkaline pH≥11. 5environments have a greater effect on the solidification, whereas a wet one hasno obvious effect on the solidification. Keywords fly ash from refuse incineration, melt, solidification and leach toxicity RESEARCH ON THE EFFECT OF LEACHATE RECIRCULATION TECHNOLOGY ON GAS PRODUCTIONBY SEMI-AEROBIC LANDFILLHuang Qifei et al 59 Abstract A simulated large scale landfill was established according to the semi -aerobic landfilling theory. A tracer monitoring for the landfill gas concentration variation on the condition of leachate recycling as compared with that of the un-recycling in semi -aerobic landfill. The results shows that leachate recycling in semi-aerobic landfill reduces the amount of leachate, and does not cause the accumulation of NH 4-N concentration. On the other hand, leachate recycling in semi -aerobic landfill can cause the velocity of methane production faster. The methane concentration in leachate recycling system doubled than the un -recycling one. So it does good to accelerate the stabilization of landfill. Keywords semi -aerobic landfill, leachate recycling, municipalwaste solid and methane THE DESIGN AND APPLICATION OF FLY ASH -SLAG PAVEMENT CONCRETE WITHOUT 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 5,Oct. , 2005