大型电除尘器和袋式除尘器气流分布数值模拟与应用研究

论文摘要

气流分布是影响电除尘器除尘效率和袋式除尘器运行阻力、滤袋使用寿命的重要因素之一。由于除尘器内部气流流动的复杂性,关于气流分布的研究长期依赖于试验观察。模型试验结果只能显示出测试断面气体速度大小分布状况,无法判断电除尘器内气流流动状况对除尘效率的影响程度;由于不能严格满足相似条件,在研究袋式除尘器气流分布问题时受到了很大的限制。利用计算流体动力学（CFD）研究除尘器内部气流流动规律,可以提供除尘器内部气流流动的全部信息,对各种单一因素或交互作用的影响进行系统的研究。本论文利用Fluent软件完成了电除尘器内流场的数值模拟计算,并通过与电除尘器气流分布模型试验对比,验证了模拟计算的可行性和结果可靠性,模拟结果可以作为电除尘器气流分布装置结构参数的设计依据,也可用于指导模型试验,减少试验工作量。通过对直通式袋式除尘器气流分布的数值模拟,提出了符合设计条件的气流分布结构形式和参数,模拟结果和现场测试结果吻合。将滤袋简化为薄膜,采用二维非稳态流动数学模型,对脉冲喷吹气流的流动规律进行模拟,通过文献资料验证了数值模拟结果的可靠性,并利用正交表制定模拟方案,通过比较模拟结果,给出了不同条件下喷吹装置主要参数的取值范围。（1）完成了GP214-Ⅳ型水平进气电除尘器气流分布模型试验,测定了气流分布板导流片三种布置方式下的第一电场进口断面的气流速度大小和分布状况。以模型试验为研究对象,利用Fluent软件完成了电除尘器内流场的数值模拟计算。模拟几何模型与试验模型尺寸相同,多孔气流分布板简化为与之局部阻力相等的均匀透气板,利用结构化/非结构化混合网格方法划分网格,将电除尘器内气体的运动简化为稳定流动问题,选用标准的k-ε两方程计算模型,气流分布板采用等效惯性阻力系数多孔介质模型,模拟结果可以显示不同布置方式下的电除尘器模型内部全流场和不同电场断面的气流分布状况。按相应的导流片布置方案,两种研究方法所得的第一电场进口断面气流速度大小和分布趋势基本吻合,相对均方根偏差分别为5.6%、3.6%和3.2%（考核指标≤±10%）。（2）通过660MW机组电除尘系统气流分布数值模拟,确定了调节除尘器两个进口喇叭流量分配的管道隔流板宽度和布置角度,提出了管道导流板和进口喇叭气流分布板导流片布置几何参数。现场冷态气流分布试验结果表明,电除尘器两个进口喇叭的气体流量偏差为±2.3%（设计考核指标≤±3%）,第一电场进口断面气流速度分布相对均方根σ=0.178（设计考核指标σ≤0.2）。两项指标都达到了电除尘器标准和设计考核的要求。（3）利用240t/h锅炉下进气电除尘系统气流分布数值模拟结果指导气流分布模型试验。模拟结果显示,通过增加进口喇叭第2层气流分布板上的导流片数量,调整导流片之间的间距,第一电场进口断面气流速度分布状况明显改善,并给出了相对均方根σ=0.133（设计考核指标σ≤0.15）时的气流分布板导流片布置方案。根据数值模拟结果安装试验模型的导流片,试验结果第一电场进口断面气流速度分布的σ=0.124,与数值模拟结果基本吻合。（4）以直通式袋式除尘器作为算例,利用Fluent软件对袋式除尘器的气流分布进行了数值模拟,得到中箱体进口断面滤袋迎风面气流速度分布、中箱体进口断面的流量分配、各过滤单元气体流量分配和除尘器阻力损失,模拟计算结果与现场测试结果基本吻合,可以为袋式除尘器气流分布结构优化设计提供依据;数值模拟结果可以直观显示除尘器内部任一断面的气流速度分布,能够解决模型试验难以解决的问题,如灰斗挡风板布置和结构形式对滤袋底区域气流分布和各单元滤袋流量分配的影响,下游过滤单元滤袋的气流冲刷等问题。（5）依照φ160×6000mm滤袋喷吹试验文献中的试验条件进行数值模拟,可以显示不同时刻滤袋壁面压力大小及其在滤袋长度方向上的分布,模拟得到的滤袋壁面峰值压力分布曲线与文献中的试验结果基本吻合。以φ130mm的滤袋作为研究对象,选用L16（45）正交表制定模拟方案,讨论了喷吹压力、喷吹时间、喷嘴直径、喷吹距离和滤袋长度等主要因素变化对滤袋壁面峰值压力、压力上升速率和最大反向加速度的大小及其在滤袋长度方向上的分布的影响,为脉冲喷吹装置结构和喷吹参数的优化设计提供了依据。本文研究表明,利用数值模拟研究除尘器内部气流流动规律,可以提高除尘器的设计水平,达到提高除尘效率,降低设备投资和运行管理费用的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 燃煤发电厂烟尘污染控制
• 1.1.1 燃煤电厂烟尘特点
• 1.1.2 燃煤电厂烟尘治理
• 1.2 燃煤电厂电除尘技术应用和研究
• 1.2.1 国内燃煤电厂电除尘技术应用
• 1.2.2 提高燃煤电厂电除尘效率的技术途径
• 1.2.3 电除尘器电场气流速度大小和分布状况对电除尘效率的影响
• 1.2.4 电除尘器的气流分布研究
• 1.3 袋式除尘技术应用和研究
• 1.3.1 袋式除尘技术应用
• 1.3.2 大型脉冲喷吹袋式除尘器的气流分布研究
• 1.3.3 大型脉冲喷吹袋式除尘器的清灰技术
• 1.4 本文研究思路和主要研究内容
• 2 电除尘器气流分布试验和数值模拟
• 2.1 研究对象和研究方法
• 2.2 模型试验
• 2.2.1 试验条件
• 2.2.2 模型试验结果
• 2.3 电除尘器气流分布数值模拟
• 2.3.1 建立几何模型
• 2.3.2 模型的网格划分
• 2.3.3 计算模型
• 2.3.4 定义边界条件
• 2.3.5 微分方程的离散和离散方程的求解
• 2.3.6 设定求解控制参数
• 2.3.7 模拟计算结果
• 2.4 数值模拟计算结果验证
• 2.4.1 电除尘器模型第一电场进口断面气流速度大小分布数值计算结果
• 2.4.2 数值计算结果的验证
• 2.5 本章小结
• 3 电除尘器气流分布数值模拟方法的应用
• 2电除尘系统气流分布的数值模拟'>3.1 660MW发电机组512M²电除尘系统气流分布的数值模拟
• 2电除尘系统气流分布的数值模拟'>3.1.1 512m²电除尘系统气流分布的数值模拟
• 2电除尘系统现场冷态气流分布试验'>3.1.2 512m²电除尘系统现场冷态气流分布试验
• 3.2 240T/H锅炉电除尘系统气流分布模型试验和数值模拟
• 3.3 本章小结
• 4 脉冲袋式除尘器气流分布的数值模拟和应用
• 4.1 研究对象和研究方法
• 4.2 直通式袋式除尘器气流分布的数值模拟
• 4.2.1 建立几何模型
• 4.2.2 生成网格
• 4.2.3 确定计算模型
• 4.2.4 设定边界条件
• 4.2.5 计算求解
• 4.2.6 求解控制参数设定
• 4.2.7 模拟计算结果
• 4.3 模拟计算结果讨论
• 4.4 数值模拟结果与现场测试结果比较
• 4.5 本章小节
• 5 袋式除尘器脉冲喷吹气流的数值模拟
• 5.1 研究对象和研究方法
• 5.2 脉冲喷吹试验
• 5.3 喷吹气流的数值模拟
• 5.3.1 建立几何模型
• 5.3.2 生成网格
• 5.3.3 确定计算模型
• 5.3.4 设定边界条件
• 5.3.5 计算求解方法
• 5.3.6 求解控制参数设定
• 5.3.7 模拟计算结果
• 5.3.8 模拟计算结果验证
• 5.4 数值模拟方法研究喷吹装置的性能参数
• 5.4.1 不同模拟条件下的滤袋壁面峰值压力
• 5.4.2 压力上升速率
• 5.4.3 最大反向加速度
• 5.4.4 滤袋袋口文丘里管的作用
• 5.4.5 喷吹装置喷吹性能参数的模拟结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 电除尘器气流分布的数值模拟和应用
• 6.2 袋式除尘器气流分布的数值模拟和应用
• 6.3 袋式除尘器脉冲喷吹气流的数值模拟和应用
• 致谢
• 参考文献
• 读博期间发表的论文及参加的科研项目