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直通式袋式除尘器气流分布数值分析 ＊ 党小庆 1 高蕊芳 1 马广大 1 陈隆枢 2 姚 群 2 闫东杰 1 1.西安建筑科技大学, 陕西 西安 710055; 2.中钢天澄环保科技有限公司, 湖北 武汉 430081 摘要 利用 CFD 方法对燃煤电厂大型直通式脉冲袋式除尘器气流分布进行数值分析, 给出了袋式除尘器箱体流量分 配、每个滤袋单元处理风量、滤袋迎面气流速度的大小和分布, 数值分析结果与模型试验、现场测试的结果基本吻合, 可作为除尘器结构设计优化的依据。 关键词 燃煤电厂 袋式除尘器 CFD 气流分布 ＊国家“863”计划项目资助课题 2005AA642010 0 引言 袋式除尘器除尘性能不受煤质成分和粉尘比电 阻影响,PM10粉尘排放浓度低, 运行稳定可靠。近年 来随着滤袋材质 、 清灰装置和运行管理等关键技术问 题的解决 ,在燃煤电厂特别是燃用低硫煤电厂采用大 型脉冲袋式除尘器或者将电除尘器改造为袋式除尘 器的比例迅速提高 [ 1,2] 。 袋式除尘器比电除尘器的运行阻力大,是目前燃 煤电厂应用大型袋式除尘器普遍关注的问题之一。 直通式袋式除尘器在普通长袋低压脉冲袋式除尘器 结构基础上 ,通过调整进气和箱体气流分配方式, 大 幅度减小了箱体气流流通阻力 。 1 直通式脉冲袋式除尘器 普通大型袋式除尘器一般采用上进风或下进风, 进风口设在除尘器中箱体的上部或下部 或灰斗处 。 直通式袋式除尘器进风方式如图 1所示。 图 1 直通式脉冲袋式除尘器结构 烟气经进口喇叭、气流分布板、导流板和导流通 道进入中箱体。直通式脉冲袋式除尘器结构主要由 上箱体 、 喷吹装置 、中箱体和灰斗等组成 , 气流流程 短,流动顺畅,箱体流通阻力小 。现场测试结果表明, 直通式脉冲袋式除尘器箱体流通阻力只有 300 Pa 左 右,与电除尘器相当 [ 3,4] 。 直通式脉冲袋式除尘器设置气流分布板 、 导流板 和导流通道 ,组织气流按一定比例进入预定空间, 均 匀输送和分配到各个滤袋单元 , 不影响除尘效率, 可 以降低运行阻力 ,防止冲刷损坏滤袋, 保证滤袋的使 用寿命。关键技术问题之一是如何调整分布板、 导流 板和导流通道的几何参数和布置,实现袋式除尘器内 预定空间气流流量分配的均匀程度能达到设计要求。 220MW 机组锅炉袋式除尘系统由 4 台并联运行, 对 称布置的直通式脉冲袋式除尘器组成,每台处理风量 为412 500 m 3 h ,在此以单台除尘器 图 2 为计算区 域,除尘器箱体进口断面气体流量分配设计要求如 图3 所示。 图 2 直通式袋式除尘器计算区域 图 3 直通式脉冲袋式除尘器进口断面流量分配 袋式除尘器气流分布结构参数设计一般根据经 验类比或者流动相似性原理 , 采用模型试验方法确 定。相对于电除尘器而言 ,袋式除尘器气流分布问题 研究时间不长, 研究内容也不尽相同, 模型试验方法 38 环 境 工 程 2007年 8 月第25 卷第4 期 技术难度大,结果只能显示箱体进口断面气流速度分 布 状 况。 计 算 流 体 动 力 学 computational fluid dynamics,CFD 是研究各种流体流动问题的数值分析 方法 。CFD 以离散化方法建立数值模型, 并通过计算 机进行数值计算和分析, 得到在时间和空间上离散的 数据组成的集合体, 最终获得定量描述流场的数值 解。采用 CFD 数值分析方法研究袋式除尘器箱体内 部气流流动规律 ,可以减少模型试验次数 ,甚至不需 要模型试验,并能解决一些因试验条件限制难以解决 的问题 ,为袋式除尘器箱体结构的优化设计提供依 据 [ 5- 8] 。该项目对直通式袋式除尘器箱体气流分布的 CFD方法进行研究 ,并通过模型试验 、 现场测试对数 值分析得到和箱体气流分布结果进行验证。 2 流量分配的 CFD 方法 如图 4 所示 ,CFD方法的步骤包括 6 个步骤。 图 4 CFD 数值分析流程 2. 1 建立几何模型并生成网格 数值分析范围包括单台除尘器及其进 、出口管 道。袋室内部气流流动数值分析需要解决的主要技 术问题有 2 个 ①中箱体内滤袋数量大、 排列紧密 ,必 须生成十分细密的网格才能实现有效的空间离散 ; ② 下箱体 灰斗 结构复杂, 结构化网格难以满足要求。 通过比较, 简化滤袋结构 ,应用结构化 非结构化混合 网格技术, 解决以上 2 个问题。 过滤层压降采用 Darcy 定律描述 Δp - μ α us 或 u -cΔp 1 式中 Δp 压降 Pa; μ 流体的粘滞系数 Pa s; u 气流速度 m s; α 过滤介质的渗透性 m 2 ; s 过滤介质的厚度 m; c 表观渗透率 m sPa 。 简化后 ,滤袋数量和过滤面积与实际值相同, 方 程 1 中过滤速度与过滤层两侧压力差成线性关系, 对模型的表观渗透率作相应线性处理, 可以保证简化 模型与实型力学相似 。本研究采用结构化和非结构 化混合型网格, 进口喇叭和出口喇叭采用结构化网 格,上箱体 、 滤袋空间和灰斗采用非结构化网格,其数 值分析网格见图 5。 图 5 数值分析网格 2. 2 计算模型和边界条件 袋式除尘器箱体内部流场是复杂的三维湍流流 场,为方便计算, 假定流体是不可压缩的, 作定常流 动,整个模拟过程为等温过程 。计算模型选用标准 k- ε 双方程模型, 控制方程包括 连续性方程 、 动量方 程、 湍动能 k 方程、耗散率 ε 方程 [ 9] 。 连续性方程 u x v y w w u i xi 0 动量方程 t ρ ui xj ρ uiuj- p xi τij xj ρ giFi 式中 p 静压; Fi 包含了其它的模型相关源项, 如多孔介 质和自定义源项。 应力张量由下式表示 τ ijμ ui xj uj xi -2 3 μ ul xlδ ij 湍动能 k 方程 ρ k t xi μ μt σk k xi Gk-ρ ε 耗散率 ε 方程 ρ ε t xi μ μ t σk ε xi C1ε ε k -C2ερ ε 2 k 式中 u , v , w 气流速度的各个分量 m s; ρ 流体密度 kg m 3 ; k 湍动能 m 2 s2 ; ε 湍动能耗散率 m 2 s3 ; P 时均压力 Pa; μ 层流动力粘性系数 Pas; μ t 湍流动力粘性系数 Pas。 除尘器进口采用速度进口边界条件 ,出口采用压 力出口边界条件, 分布板和滤袋采用多孔介质边界 条件 。 39 环 境 工 程 2007年 8 月第25 卷第4 期 2. 3 计算求解 三维湍流流场的计算采用有限容积法离散控制 方程,算法采用 SIMPLE 算法 , 对流项差分格式采用 二阶迎风格式, 近壁面处采用壁面函数法处理 。 2. 4 数值分析结果 利用流体力学分析除尘器箱体内部的流动状况 和速度场 。通过调整分布板和导流通道的几何参数 和布置,得出基本符合设计要求 图 3 的内部流场, 除尘器内部任意几个断面速度矢量图如图 6所示 图 中未显示滤袋 , 通过 Fluent 软件输出箱体进口断面 气流 速度 数值 , 结果 为 断 面 Ⅰ 平 均气 流速 度 0. 76 m s,断面Ⅱ平均气流速度 1. 13 m s,断面 Ⅲ平均 气流速度 2. 42 m s。 图 6 袋式除尘器箱体内部任意断面速度矢量图 2. 5 数值分析 、 模型试验和现场测试的结果对比 通过模型试验和现场测试结果验证数值分析结 果。袋式除尘器气流分布模型试验范围与数值分析 范围相同 。根据气流流动相似原理 ,模型比例为1∶ 6, 模型内部与原型内部气流流动处在同一自模区。模 型试验测试结果为 ,断面 Ⅰ平均气流速度 1. 22 m s, 断面 Ⅱ平均气流速度 0. 93 m s,断面Ⅲ平均气流速度 2. 76 m s。 袋式除尘器气流分布现场测试按照水平方向间 隔900 mm ,垂直方向间隔1 000 mm 布置测点, 用热球 风速仪测量进口断面气流速度 。测试结果为 ,断面 Ⅰ 平均气流速度1. 2m s,断面 Ⅱ平均气流速度1. 7m s, 断面 Ⅲ平均气流速度 4. 41 m s。 除尘器箱体进口断面气流流量分配的数值分析、 模型试验和现场测试结果比较见表 1。 表 1 数值分析、模型试验和现场测试结果流量百分比 项目断面Ⅰ断面Ⅱ断面Ⅲ 数值分析353332 模型试验343630 现场测试333334 3 讨论 3. 1 滤袋单元流量分配 运用数值计算分析计算得出滤袋单元气体流量 如图 7 所示 ,其中横轴代表从除尘器入口到出口的滤 袋编号。如图 7 所示, 除尘器下游滤袋单元处理气流 流量偏大, 中游滤袋单元处理气流流量较小 ,最大流 量与最小流量偏差为 23。数值分析结果说明, 满 足进口断面气流流量分配要求 ,并不能保证每个滤袋 单元流量分配均匀 ,还需要灰斗上方设置挡风板, 进 一步调整优化袋底空间的气流状况 。 图 7 滤袋单元气流流量 3. 2 滤袋迎面气流 滤袋迎面气流速度过大会造成含尘气流对滤袋的 冲刷,缩短滤袋的使用寿命。数值分析不仅能给出袋 式除尘器箱体进口断面气流速度, 还可以根据设计需 要显示箱体任一断面的气流速度大小和分布。由进口 断面迎面气流速度值 断面Ⅰ ,计算出平均迎面流速为 0. 76 m s,最大风速为 1. 05m s,符合设计要求。 图7 显示,除尘器下游滤袋单元处理气流流量较 大,图 8 显示袋底空间大部分气流从灰斗流向下游滤 袋,造成此处滤袋迎面风速较大。电厂对袋式除尘器 运行检修中发现, 破损滤袋大部分集中在除尘器下 游,这与此处滤袋迎面风速过大密切相关 。 图 8 除尘器箱体内局部气流流线 4 结论 利用CFD方法对燃煤电厂大型直通式脉冲袋式 下转第 55 页 40 环 境 工 程 2007年 8 月第25 卷第4 期 氢的去除率可提高 11。 3 实验条件下 1号塔和 2 号塔对NO2去除效果 不理想,去除率分别为 51和 37。 参考文献 [ 1] 郝桂玉, 徐亚同, 黄民生. 污水收集系统臭气的土壤生物过滤系 统有效控制. 能源环境保护, 2004, 18 1 1 -4. 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Keywords hydrolysis acidification, sequencing batch reactor andmultiple pharmacy wastewater ADVANCED PROCESS FOR TREATING DE -INKING WASTEWATER IN PAPERMAKING PROCESSYu Guanlong Yang Chunping Ma Shuguang et al 28 Abstract An advanced process for treating de -inking wastewater is described. The principles, schematic flow diagram, and major structures of this advanced treatment process are presented, and the effects of parameters of design and operation of this process are discussed. A de -inking wastewater treatment project has been set up using this process in a big papermaking factory. The effluent water from this process meets the limits of the class two in the National Comprehensive Wastewater Discharge Standards GB8979 -1996. Measureshave been proposed to troubleshoot the problems in the oepration of this process. Keywords de -inking wasterwater, organic compounds, activated sludge process, advanced oxidation technology andwasterwater treatment THE CONTROL OF AERATION RATE AND THE VARIATION RULES OF PH AND DO IN A O PROCESSPeng Feng Peng Yongzhen Ma Yong 31 Abstract The effect of aeration rate on nitrification, and the variation rules of DO and pH in aerobic zones, were studied at different operational conditions. It is found that the average nitrification rate and DO concentration were gradually increased, but the increased range was reduced. The nitrification rate could be indirectly controlledby aeration rate, so as to meet the effluent standard. The average DO concentrationand the type of pH profiles could be used to determine the aeration if excessive, sufficient or insufficient. Keywords aeration rate, DO , pH, A O process and control EXPERIMENT ONTHE COLLECTION OF FINE DUST WITH HIGH RESISTIVITY BY A BIPOLAR DISCHARGING ESPChen Ling Xia Liangjian Shen Gaopeng et al 34 Abstract A new electrostatic precipitator ESPfor avoiding the back corona of the high resistivity dust layer is developed by fixing the barb nail discharging electrodes on the grounded plate electrodesbased on the analysis of the phenomenonof the back corona of the high resistivity dust layer deposited on the grounded plate electrodes. Therefore, this ESP becomes a bipolar discharging ESP because the negative and positive ions are generated simultaneously by the high voltage discharging electrodes and the grounded barb nail discharging electrodes respectively. The ionic wind is measured by a particle image velocimetry PIV because the ionic wind plays an important role in collecting the fine dust with high resistivity. The positive and the negative ion wind velocities in core area are about 2m swhen the distance between the opposite electrodes is 100 mm at the voltage of 3. 4kV. In our comparison experiments, the overall efficiency of the bipolar discharging ESP for collecting the silica flour with 0. 159μ m mass median diameter is higher than that of the unipolar discharging ESP at the mean electric field of 3. 4 kV cm at the room temperature and pressure. The experimental observation shows that the there is no back corona in the bipolar discharging ESP even when the very high resistivity silica flour 2. 4104Ψ cmis used. Keywords ESP, bipolar discharging, dust resistivity, ionwind and collection efficiency NUMERICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL STUDY ON GAS FLOW DISTRIBUTION OF STRAIGHT-THROUGH FLOW BAGHOUSEDang Xiaoqing Gao Ruifang Ma Guangda et al 38 Abstract By using computational fluid dynamics CFD , the gas flow distribution of a large straight through baghouse in the coal- boiler power plantwas analyzed numerically. Through numerically analyzing gas flow distribution in the tank body, air volume of every filter bag cell, head-on gas flow velocity distribution of filter bag were demonstrated. The calculated results were better consistent with the model experiment and the measured results in the field. And the results can be as the basis for optimizing structure design of baghouse. Keywords coal-boiler power plant, baghouse, CFD and gas flow distribution EXPERIMENT ON DESULFURIZATION OF SINTERED FUME WITH WASTEWATER FROM CONVERTERLu Gang Xu Bing Xing Yi et al 41 Abstract A simulation experiment was carried out on desulfurization of fume by waste water from converter. Factors as gas speed, start SO2 concentration, ratio of liquid and gas, reaction duration, temperature are studied to find the impacts on desulfurization. Under the designed experiment situation, good deculfurization result was got through controlling the experimental parameters. Keywords waste water from converter, fume from sinter and desulfurization STUDY ONDYNAMIC ADSORPTION OF CHLORO BY ACTIVATED CARBON FIBRE TaoYangyu Kang Juan Xu Zelin et al 44 Abstract In order to study dynamic adsorption of chloro organic waste gas by using activated carbon fiber ACFas adsorption material, the influence of chloro inlet concentration, gas flow rate, temperature, the times of regeneration on adsorption efficiency and the 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25,No. 4, Aug . , 2007