燃煤电厂袋式除尘器入口烟道烟气温度偏差调整

党小庆，谢照亮，胡红胜，李倩，郑钦臻

(西安建筑科技大学，陕西西安 710055)

燃煤电厂袋式除尘器入口烟道烟气温度偏差调整

党小庆，谢照亮，胡红胜，李倩，郑钦臻

(西安建筑科技大学，陕西西安 710055)

应用计算流体力学(CFD)方法对某燃煤电厂袋式除尘器入口烟道烟气流场进行了三维数值模拟研究，分析了导致除尘器入口烟道烟气温度偏差的原因，主要是由于回转式空气预热器的工作原理所致。为此，提出了减小除尘器入口烟道烟气温度偏差的方向及措施，为燃煤电厂除尘器入口烟道的改造、设计提供参考。

燃煤电厂;入口烟道;烟气温度偏差;数值模拟

0 引言

袋式除尘器具有对烟尘适应性强、不受粉尘比电阻的影响、除尘效率高等优点，因此在燃煤电厂逐步得到广泛的应用［1－3］。而袋式除尘器在大型化过程中却显现出一个新的问题——由多台除尘器并联组成的大型袋式除尘器其中一台除尘器滤袋较早破损。滤袋破损的重要原因在于滤袋所处烟气环境条件及工作状况的变化，对一个系统来说，各台除尘器的主要差别在于烟气温度和气流分布［4］。根据行业标准《火力发电厂烟气袋式除尘器选型导则》(DL/T 387－2010)，袋式除尘器在设计前应进行气流分布模拟试验，保证其气流分布的均匀性，因此在气流分布均匀的情况下，烟气温度则是影响袋式除尘器滤袋寿命的主要因素。

燃煤电厂300～600MW机组锅炉通常配2台双室除尘器。据报道，除尘器入口烟道之间烟气温度相差10～20℃，有时烟气温度高侧甚至要高于袋式除尘主要滤料PPS(聚苯硫醚)的连续工作温度。按照Arrhenius法则，温度每升高10℃，化学反应速度就会增加一倍，因此除尘器入口烟道烟气温度偏差使袋式除尘器滤袋寿命长短不一，影响了大型袋式除尘器的应用。烟气温度偏差原本在电除尘器中也存在，但由于其对电除尘器正常运行所产生的影响并不明显，因此并未引起足够的重视，而这一问题在袋式除尘器中就显得尤为突出。

本文采用计算流体动力(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法对300MW机组回转式空气预热器传热过程及袋式除尘器入口烟道内流场进行了数值模拟试验，并通过在空气预热器下方空间安装导流板来减小除尘器入口烟道烟气温度偏差。

1 数值模拟

CFD方法是研究各种流体流动问题的数值分析方法。CFD采用离散化方法建立数值模型，并且通过计算机进行数值模拟和分析，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。CFD方法的步骤包括7个:建立几何模型，划分计算网格，确定计算模型，定义边界条件，给定解控方程，求解离散方程和后处理。

1.1 建立几何模型及网格划分

本文旨在研究袋式除尘器入口烟道烟气温度偏差问题，且燃煤电厂除尘器一般置于热交换设备空气预热器之后，因此模拟范围从锅炉回转式空气预热器入口断面至除尘器喇叭入口断面全部烟道。烟道及除尘器布置如图1所示，锅炉回转式空气预热器至2台除尘器的烟道形状相同，对称布置，因此数值模拟只模拟1台除尘器入口烟道模型(即图1中虚线方框标示的区域)。数值模拟采用FLUENT前处理软件GAMBIT对除尘器入口烟道进行建模。本文采用结构化和非结构化混合网格技术，完成网格划分。除尘器入口烟道网格划分见图2。

图1 烟道及除尘器平面布置示意

图2 除尘器入口烟道网格划分示意

1.2 计算模型和边界条件

计算模型选用标准k－ε方程模型，控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能k方程及耗散率ε方程［5－6］。入口采用质量入口边界条件，出口采用压力出口边界条件;回转式空气预热器内部波纹板，把转子空间分割成缝隙结构，烟气从板间夹缝通过并与受热面换热，符合多孔介质的结构特征［7］，故将转子部分简化为多孔介质以模拟其内部的流动情况和阻力特性。烟气的物性参数(烟气密度、动力粘度以及导热系数)随温度变化而变化，反过来也会影响烟气温度和压力的大小，为此模型考虑了烟气变物性对计算结果的影响。

1.3 计算方法

采用有限容积法离散控制方程，数值计算采用SMPLE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 模拟结果与讨论

图3是300MW机组锅炉空气预热器转子下方监测断面abcd(见图2)的烟气温度分布图。

如图3所示，当回转式空气预热器顺时针旋转时，其下方空间内烟气温度分布不均匀，且随着空气预热器的旋转方向烟气温度呈逐渐增大的趋势，与文献［8］趋势一致;在靠近芯轴处形成一个高温区，烟气温度最大值与最小值之间相差约30℃。

图3 监测断面烟气温度分布

图4 A、B烟道出口断面速度分布

根据空气预热器的工作原理可知［9］，当转子从空气侧进入烟气侧时，受热面的温度最低，随着烟气对受热面的加热，受热面温度逐渐升高，因此，受热面随着旋转方向吸收的热量逐渐降低，即对烟气的冷却程度逐渐降低，导致空气预热器下方空间内烟气温度分布不均匀。图4为除尘器入口烟道A、B烟道出口断面速度分布图，在保证除尘器两室流量偏差在5%范围内时(见表1)，模拟所得除尘器入口烟道A、B烟道烟气温度分别为138℃、159℃，与电厂现场测试数据143℃、159℃相接近，证明了本文所建立的多孔介质模型是切实可行的;同时也说明除尘器入口烟道烟气温度偏差主要是由空气预热器的工作原理所造成的。

图5为空气预热器下方空间内导流板安装位置。由于导流板的作用，使空气预热器下方空间内的烟气得到了一定程度的混合，如图6所示，高温区范围明显减小，A、B烟道间烟气温度仅相差4℃，但此时烟道的阻力增加了约110Pa。图7为安装导流板后A、B烟道出口断面速度分布。

表1 除尘器入口烟道数值模拟结果

图5 空气预热器下方空间内导流板安装位置

图6 安装导流板后监测断面烟气温度分布

图7 安装导流板后A、B烟道出口断面速度分布

对于现役且短期内并无改造工程的除尘器，可以采用启动高温侧烟道紧急喷雾降温装置对烟气进行喷雾降温［10］，喷嘴投入使用的数量应根据烟气温度偏差情况进行调节，喷水量及液滴直径应能保证雾滴在进入除尘器之前完全蒸发，防止结潮糊袋，增大收尘阻力，降低收尘效果。

3 结语

(1)通过对燃煤电厂回转式空气预热器换热过程和袋式除尘器入口烟道内流场的数值模拟可知:由于空气预热器的工作原理，使其下方空间内的烟气温度分布不均匀，导致除尘器入口烟道内烟气温度存在偏差，影响了大型袋除尘器的应用。因此，对于袋式除尘器，不仅要解决气流分布问题还要解决除尘器入口烟道烟气温度偏差问题。

(2)通过在空气预热器下方空间内安装导流板，可使烟气得到一定程度的混合，烟气温度偏差减小到4℃，可见在空气预热器下方空间内安装导流板是减小烟气温度偏差的一种有效措施。

(3)应用FLUENT进行一系列烟气流场变化模拟，可以清晰地反映烟道内烟气温度的分布情况，所得结果对新建项目及工程改造具有一定参考价值。

［1］肖宝恒，崔云寿.燃煤电厂电除尘器改造为袋式除尘器的可行性研究［J］.电力环境保护，2002，18(2):17 －18.

［2］姚 群，陈隆枢，韦鸣瑞，等.大型火电厂锅炉烟气袋式除尘技术与应用［J］.安全与环境学报，2005，(8):1 －4.

［3］党小庆，高蕊芳，马广大，等.燃煤电厂电改袋式除尘器气流分布数值分析［J］.电力环境保护，2008，24(1):31 －33.

［4］孙 熙，柳静献.浅谈袋式除尘大型化［C］.2007年全国袋式除尘技术研讨会论文集.抚顺:2007.

［5］陶文铨.数值传热学［M］.西安:西安交通大学出版社，2001.

［6］党小庆，李倩婧，潘民兴，等.电除尘器气流分布数值计算方法研究［J］.环境工程，2009，27(3):103 －107.

［7］赵振宙，金保升，熊源泉，等.锅炉烟风系统数学建模和数值计算［C］.第三届工程计算流体力学会议文集.2006.

［8］Drobnic B.A numerical model for the analyses of heat transfer and leakages in a rotary air preheater［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2006，(49):5001 －5009.

［9］应静良.电站锅炉空气预热器［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［10］肖宝恒.袋式除尘器在燃煤电厂应用的技术特点［J］.电力环境保护，2003，19(1):25－26.

Flue gas temperature deviation adjustment in inlet flue of bag filter in coal－fired power plant

The flow field in the inlet flue of bag filter in a coal－fired power plant are numerically simulated with CFD，the causes leading to flue gas temperature deviation in the inlet flue of bag filter have been analysed，it is believed that the reason is mainly due to the working principle of rotary air preheater.Therefore，the direction and measures for reducing the flue gas temperature deviation in the inlet flue of bag filter have been put forward，and the reference for alteration of the inlet flue of bag filter in coal－ fired power plant are provided.

coal－fired power plant;inlet flue;flue gas temperature deviation;numerical simulation

X701.2

B

1674－8069(2012)02－020－03

2011-12-07;

2012-03-11

党小庆 (1964-)，男，陕西汉中人，博士，主要从事大气污染控制技术和设备研究工作。E－mail:dangxq@163.com