CFD與工業(yè)煙塵凈化和霧霾的關系，CFD創(chuàng)新應用

2017-02-19  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

近幾年,全國大范圍內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣要求著更加穩(wěn)定高效的除塵、脫硫、脫硝等環(huán)保設備,此時,CFD數(shù)值模擬技術越來越受到重視,成為了環(huán)保設備優(yōu)化設計的主要乃至必要手段之一。那么,穹頂之下,CFD能做些什么呢?本文結合工程實際應用介紹了CFD模擬技術在大氣污染物排放設備優(yōu)化設計過程中所起到的作用。應用結果表明,CFD數(shù)值模擬技術對于提高設備運行效率、減少污染物排放具有重要的工程意義。

隨著國民經(jīng)濟的穩(wěn)步快速發(fā)展,我國的能源需求不斷加大,燃煤鍋爐(電站鍋爐和工業(yè)鍋爐)數(shù)量也相應地不斷增加,使得大氣污染物的排放呈現(xiàn)快速增長的趨勢,由此引發(fā)了一系列環(huán)境問題,如酸雨、臭氧層破壞等,尤其是近幾年全國大范圍內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣,嚴重影響了我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民的生活健康。燃煤鍋爐排放的大氣污染物主要有粉塵顆粒、SO2、NOx等有害物質(zhì),其過量排放是造成我國大氣污染嚴重的主要因素,為了有效控制粉塵顆粒、SO2、NOx等污染物的排放,除塵、脫硫、脫硝等環(huán)保設備的合理設計是關鍵,CFD數(shù)值模擬技術在近幾年來作為環(huán)保設備優(yōu)化設計的主要手段之一起到了重要的作用。計算流體力學(CFD,Computational Fluid Dynamics)是采用數(shù)值計算的方法對流體流動規(guī)律進行研究的學科,通過計算機數(shù)值計算求解流體流動方程和圖形顯示技術來實現(xiàn)對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進行分析。由于除塵脫硫脫硝設備運行效率與流體流動傳熱等過程密切相關,因此采用CFD數(shù)值模擬技術對燃煤鍋爐污染控制設備進行優(yōu)化設計越來越受工程設計人員的重視。通過多年研究與經(jīng)驗積累,CFD數(shù)值技術在龍凈環(huán)保產(chǎn)品優(yōu)化設計已具有成熟的應用體系。在典型的燃煤電站鍋爐煙氣治理流程中,CFD數(shù)值模擬優(yōu)化的應用范圍主要如圖1所示;在典型的工業(yè)爐窯煙氣治理流程中,CFD數(shù)值模擬優(yōu)化的應用范圍主要如圖2所示。

圖1 CFD在燃煤電站煙氣治理中的應用范圍

圖2 CFD在工業(yè)爐窯煙氣治理中的應用范圍

1.CFD技術在除塵設備中的優(yōu)化設計應用

1.1 靜電除塵器流場優(yōu)化設計的CFD數(shù)值模擬

電除塵器利用高壓靜電作用實現(xiàn)煙氣除塵,具有阻力小、除塵效率高、處理煙氣量、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,是燃煤鍋爐進行煙氣除塵的最重要、最有效的環(huán)保設備之一。

大多數(shù)工業(yè)規(guī)模的ESP系統(tǒng)包含若干個相同的除塵室,并由進出口煙道系統(tǒng)連接。為了使各個室流量分配盡可能均勻(通常設計要求各個室的流量偏差控制在5%以內(nèi)),需要在煙道內(nèi)設置導流板。圖3是印度某7×660MW燃煤鍋爐配套電除塵器及煙道內(nèi)部導流板三維圖,電除塵器流場數(shù)值模擬和物模試驗如圖4所示,流量分配對比結果如表1所示。結果表明:電除塵器流量偏差得到了有效的改善,數(shù)值模擬結果和物模試驗結果吻合較好。

圖3 電除塵器CFD模型

圖4 電除塵器流場數(shù)值模擬和物模試驗

表1 流量分配的數(shù)值計算及物模試驗結果對比

氣流分布對電除塵器的收塵效率具有重要影響,其可使除塵效率變化20~30%。當煙氣進入除塵器電場時,氣流速度不均勻容易造成沖刷,使收塵極板上和灰斗里的粉塵大量揚起,并且高速區(qū)粉塵顆粒難以被捕集,進而降低除塵效率。為使電除塵器內(nèi)氣流均勻分布以提高除塵效率,電除塵器進口喇叭的合理優(yōu)化設計是關鍵。圖5是福建某600MW機組配套電除塵器內(nèi)部流線圖,電場第一斷面氣流分布數(shù)值模擬和試驗對比結果如圖6所示,數(shù)值模擬很好地預測了電場內(nèi)部氣流分布趨勢,通過數(shù)值模擬優(yōu)化設計對于改善電場內(nèi)部氣流分布,提高電除塵器性能具有重要參考價值。

圖5 電除塵器內(nèi)部流線圖

圖6 電除塵器電場第一斷面氣流分布數(shù)值模擬和試驗對比結果

1.2 電袋復合除塵器流場優(yōu)化CFD模擬

電袋復合除塵器是電除塵、袋除塵捕集機理有效結合而延伸出來的一種高效除塵設備,其結合了電除塵器和袋式除塵器的優(yōu)點,可使排放濃度長期穩(wěn)定在20mg/Nm3以下,并且具有對煤種變化適應性強及占地面積小等優(yōu)點。電袋復合除塵器大型化應用中氣流流場分布是關鍵技術問題之一,直接影響電袋復合除塵器的性能。電袋復合除塵器內(nèi)氣流均勻分布可以減少氣流沖刷、使各個濾袋單元氣流分配均勻,同時使濾袋單元內(nèi)流場均勻平緩,降低設備運行阻力和能耗。圖7是山東某150MW機組配套電袋復合除塵器三維示意圖,通過采取增設和調(diào)整導流板、孔板、導流葉片的優(yōu)化措施,電袋除塵器內(nèi)的氣流分布得到了改善,結果如圖8~10所示,良好的氣流分布有利于降低高濃度粉塵對袋區(qū)的沖刷以及運行阻力損失,并延長濾袋壽命。

圖7 電袋復合除塵器CFD模型

圖8 電袋復合除塵器速度分布

圖9 電袋復合除塵器壓力分布

圖10 電袋復合除塵器電場前斷面速度分布

2.CFD技術在脫硝中的優(yōu)化設計應用

2.1 SNCR脫硝氨噴射的優(yōu)化

SNCR脫硝技術因其系統(tǒng)簡單、投資低、周期短、不需單獨設備等優(yōu)點得到廣泛應用,也是環(huán)保部為火電廠推薦的兩種煙氣脫硝技術之一。盡管還原劑與NOx的反應時間很短,但反應窗口很小,所以還原劑的噴射位置對SNCR脫硝來說是關鍵。圖11是某150MW機組CFB鍋爐SNCR脫硝CFD模型內(nèi)部流場分布模擬結果,通過建立爐內(nèi)煙氣流動、傳熱和組分輸運等三維數(shù)值模型,圖12給出了不同的噴射角度條件下還原劑濃度分布的模擬結果,不同噴槍布置方案的還原劑濃度分布模擬結果對比如表2所示。結果表明不同的噴射位置和噴射角度對還原劑的混合效果影響較大,通過數(shù)值模擬可以為SNCR脫硝工程還原劑的設計找到最佳噴射位置和噴射角度。

圖11 CFB鍋爐內(nèi)部流場

圖12 不同噴射角度數(shù)值模擬結果

表2 不同噴射方案模擬結果

2.2 SCR脫硝流場優(yōu)化設計

目前,選擇性催化還原(SCR)脫硝技術是治理燃煤電站NOx污染的最有效形式,其以裝置結構簡單、可靠性好、脫硝效率高等優(yōu)點占據(jù)了世界80%的煙氣脫硝市場。除了與催化劑活性有關外,SCR脫硝性能很大程度上決定于SCR裝置內(nèi)的流場。理想的流場可以減少催化劑沖刷磨損和積灰堵塞隱患,延長催化劑的使用壽命;可以使煙氣與氨氣在進入催化劑前混合均勻,有利于氨氣與NOx充分反應以提高脫硝效率和減小氨逃逸率。圖13是唐山某300MW鍋爐SCR脫硝裝置CFD模型網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬結果,圖14是優(yōu)化前后催化劑入口斷面速度分布和濃度分布對比的模擬結果。優(yōu)化后的方案按1:10比例搭建物理模型(圖15),并進行了物模試驗驗證,對比統(tǒng)計結果表3所示。研究結果表明:SCR脫硝系統(tǒng)沒有優(yōu)化措施時,第一層催化劑上游速度偏差很大,最大流速超過12m/s,濃度分布極不均勻;優(yōu)化后第一層催化劑上游的速度分布和氨濃度分布都得到了改善,有利于減少催化劑層磨損、堵塞和氨逃逸,并提高脫硝效率;數(shù)值模擬結果和物模試驗結果吻合進一步保證了優(yōu)化設計的可靠性。

圖13 SCR脫硝裝置CFD模型網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬結果

圖14 優(yōu)化前后催化劑入口斷面速度分布和濃度分布對比

圖15 SCR物模試驗

表3 CFD數(shù)值模擬和物模試驗結果對比

3.CFD技術在濕法脫硫中的應用

濕法煙氣脫硫(WFGD)是當前大型燃煤電廠煙氣脫硫的主導技術,吸收塔為WFGD系統(tǒng)的核心設備,塔內(nèi)流場的合理分布對于強化煙氣與漿液之間的混合與傳質(zhì)、延長氣液在吸收區(qū)的接觸時間、增大氣液接觸面積并盡量降低系統(tǒng)阻力有著重要的意義,此外,塔內(nèi)流場的均勻性還會影響除霧器的除霧效果。圖16~18是優(yōu)化前后脫硫塔內(nèi)流場分布的數(shù)值模擬結果,從圖中可以看出優(yōu)化前,塔內(nèi)吸收區(qū)域的流場不均,這會導致在吸收塔橫截面上不同區(qū)域的SO2去除效率也各不相同,其結果是造成吸收塔的總體脫硫效率降低;出口煙道除霧器前氣流很不均勻,將會降低除霧器的除霧效率。優(yōu)化后,在多孔托盤的均流作用下,塔內(nèi)吸收區(qū)域的流場得到了改善;通過設置導流板,出口煙道除霧器前氣流分布均勻性良好。

圖18 脫硫塔出口煙道除霧器上游斷面速度分布

4.工業(yè)爐窯脫硫—濕法電除塵一體化優(yōu)化設計CFD模擬

盡管單個工業(yè)爐窯排放量相對較低,但由于工業(yè)爐窯數(shù)量眾多,排放總量仍不可忽視,工業(yè)爐窯污染物的優(yōu)化設計仍具有重要的實際意義。圖19是山東某企業(yè)鏈條爐后麻石脫硫塔內(nèi)流場優(yōu)化數(shù)值模擬結果,通過在塔內(nèi)設置合理的導流葉片,強制煙氣在塔內(nèi)做旋流運動,延長了煙氣在塔內(nèi)的停留時間,從而達到提高脫硫效率的目的。濕法電除塵器作為粉塵顆粒精處理設備,也可作為工業(yè)爐窯脫硫設備的電除霧器,防止酸水霧逃逸等現(xiàn)象的產(chǎn)生。圖20是某工業(yè)爐窯濕法電除塵器流場優(yōu)化數(shù)值模擬結果,通過在入口煙道設計導流板,在進口喇叭設置合理的整流措施,使得煙氣均勻平穩(wěn)通過收塵區(qū)域;設計倒喇叭型出氣方式防止水霧逃逸和偏流現(xiàn)象。

圖19 麻石脫硫塔內(nèi)煙氣流線

圖20 工業(yè)爐窯濕法電除塵器內(nèi)煙氣流線

5.總結

CFD數(shù)值模擬技術在除塵、脫硫、脫硝中的應用,幾乎涵蓋了燃煤鍋爐污染物治理的所有領域。同傳統(tǒng)經(jīng)驗設計相比,CFD具有明顯的優(yōu)勢:減少了物理模型試驗,縮短了研發(fā)周期,為工程設計和優(yōu)化提供了科學的指導。工程實踐表明CFD數(shù)值模擬技術在大氣污染控制設備優(yōu)化設計具有不可替代的作用。

福建龍凈環(huán)保股份有限公司 工業(yè)煙塵凈化國家地方聯(lián)合工程研究中心

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