鍋爐尾部煙道阻力診斷及粉塵濃度分布影響

賈瑞龍張選馬鵬飛王立新 張恒遠(yuǎn)閆金山 田俊武 張翠婷梅夢蓉

(1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯010399; 2.中國航天空氣動力技術(shù)研究院 北京100074)

0 引言

近年來，隨著我國社會的快速發(fā)展，國家不僅重視經(jīng)濟(jì)水平，而且對環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求，國家發(fā)改委與環(huán)境保護(hù)部均提出了煤電改造與超低排放的行動計(jì)劃。全國各地的燃煤電廠相繼開展改造工作，多種超低排放技術(shù)路線得到進(jìn)行[1]。超低排放的改造實(shí)施中可能會升級或增加一些設(shè)備，給機(jī)組的煙風(fēng)系統(tǒng)帶來負(fù)載的增加，使得現(xiàn)有部分設(shè)備無法繼續(xù)使用，這會增加改造成本。隨著現(xiàn)有技術(shù)手段的發(fā)展，倘若能夠?qū)燂L(fēng)系統(tǒng)某些部件進(jìn)行優(yōu)化，比如鍋爐尾部煙道，把原有的煙道阻力給降下來，平衡掉新設(shè)備帶來的阻力，則可以實(shí)現(xiàn)原有設(shè)備的繼續(xù)使用，這樣更為經(jīng)濟(jì)。

目前，電廠中的煙風(fēng)系統(tǒng)是重要耗能部件，要降低該能耗，無外乎是提高風(fēng)機(jī)效率，或者降低煙道阻力。在煙道方面，優(yōu)化降低阻力、使各個煙道內(nèi)流量均布等已經(jīng)成為研究重點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的煙道能夠降低整個煙氣運(yùn)行系統(tǒng)的阻力，降低能耗，許多研究工作針對該方面得到開展[2-6]。為此，本文將重點(diǎn)研究煙道構(gòu)型方面?，F(xiàn)有煙道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煙氣流動也復(fù)雜，文中將使用實(shí)驗(yàn)測量手段與兩相流數(shù)值模擬手段，對煙道進(jìn)行研究，考察數(shù)值模擬手段的可靠性，分析煙道內(nèi)的流動情況、粉塵濃度分布與阻力分布，為以后的煙道優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 4#機(jī)組尾部煙道構(gòu)型

準(zhǔn)能矸石電廠4#機(jī)組的鍋爐尾部煙道的實(shí)物照片如圖1所示，圖中僅展示了室外的部分煙道。實(shí)際運(yùn)行中，從鍋爐出來的煙氣首先分成兩路，分別自上而下流經(jīng)兩臺空預(yù)器，而后各自水平拐彎進(jìn)入聯(lián)箱，在聯(lián)箱上部再經(jīng)兩路爬升煙道進(jìn)入布袋除塵器，之后經(jīng)過一系列處理進(jìn)入煙囪。該煙道結(jié)構(gòu)的布局過于緊湊，水平拐彎和直角彎頭較多，預(yù)計(jì)煙道阻力較大，因此針對該煙道開展了測量與數(shù)值計(jì)算研究，分析阻力分布情況與產(chǎn)生原因。

圖1 準(zhǔn)能矸石電廠4#機(jī)組煙道實(shí)物

2 實(shí)驗(yàn)測量設(shè)備與測點(diǎn)布置簡介

在煙道的實(shí)驗(yàn)測量中，使用了電子微壓計(jì)SWEMA3000和煙氣分析儀TESTO350，如圖2所示。煙道的模型如圖3所示測點(diǎn)位置分別稱作空預(yù)器出口測點(diǎn)、水平煙道測點(diǎn)和除塵器入口測點(diǎn)，由于煙氣流經(jīng)兩條管路，而這兩條管路呈對稱分布，所以圖中僅給出了一側(cè)的測量位置，另一側(cè)的測量位置與之對稱。每個測量位置有5至6個測量孔，在每個測孔處又進(jìn)行了4至6個不同深度位置的測量，本文僅側(cè)重阻力研究，所以表1中只給出了壓力、溫度等相關(guān)的測量數(shù)據(jù)。最后得到的煙道阻力，空預(yù)器出口測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)，A側(cè)大約680 Pa，B側(cè)大約730 Pa，水平煙道測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)，A側(cè)大約400 Pa，B側(cè)大約450 Pa。

(a)電子微壓計(jì) (b)煙氣分析儀

圖3 煙道模型圖及測量位置示意

表1 煙道內(nèi)流動參數(shù)測量數(shù)據(jù)

續(xù)表1

3 數(shù)值計(jì)算理論方法及邊界條件設(shè)置

電廠尾部煙道內(nèi)，煙氣流動會經(jīng)過很多拐彎，在彎頭或彎曲部件附近可能會產(chǎn)生流動分離，形成漩渦，并且煙道內(nèi)部的支撐桿也會對煙氣流動造成影響，這些都會增大煙道的阻力。數(shù)值計(jì)算基于ANSYS-Fluent軟件架構(gòu)，其已在工程上取得廣泛應(yīng)用[7]。計(jì)算中使用Navier-Stokes方程并結(jié)合了工程上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型[8]，模擬研究煙道內(nèi)煙氣湍流流動，還使用了隨機(jī)軌道模型[9]模擬粉塵顆粒的運(yùn)動，并考慮了氣體顆粒兩相間的相互作用，計(jì)算格式使用了二階迎風(fēng)格式，其主要流動控制方程如下。

質(zhì)量方程:

(1)

動量方程:

(2)

能量方程:

(3)

控制方程可以轉(zhuǎn)換為通用形式:

(4)

φ表示為通用變量，分別代表密度、速度和組分還有焓。源項(xiàng)如下：

(5)

湍流流動的計(jì)算使用了k-ε模型，有關(guān)它們的方程有：

μT=cμρk2/ε

ε方程為：

(6)

k方程為：

(7)

煙氣中粉塵顆粒運(yùn)動使用了隨機(jī)軌道模型，假若設(shè)正X方向垂直向下，考慮到作用在粉塵顆粒上的力主要是氣相阻力和重力，其他力相對較小可忽略不計(jì)，則其三維瞬時運(yùn)動方程可寫為：

(8)

(9)

(10)

煙道的網(wǎng)格建模如圖4所示，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以使用了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的混合網(wǎng)格，并且構(gòu)建了內(nèi)部支撐桿結(jié)構(gòu)，為了準(zhǔn)確模擬煙氣流動情況，在一些局部位置都進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總量大約在670萬。

計(jì)算中，煙氣體積總流量234e+4 m3/h，溫度約145 ℃，煙氣成份大致為N2為73%，O2為2.66%，CO2為14.9%，H2O為9.45%(均為體積占比)；粉塵顆粒流量約為87 t/h，尺寸從15m到200m，分成了10組；氣相入口使用質(zhì)量流量入口邊界條件，出口使用壓力出口邊界條件，煙道壁面假設(shè)無熱交換。

(a) 整體網(wǎng)格

(b)局部網(wǎng)格

4 煙道阻力測量結(jié)果與數(shù)值計(jì)算仿真結(jié)果的比較與分析

表2給出了煙道阻力的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的比較。如表所示，測量結(jié)果有，從空預(yù)器出口測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)之間的阻力測量平均值約在705 Pa，從水平煙道測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)之間的阻力測量平均值約在425 Pa。為了與測量數(shù)據(jù)相互比較，對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，結(jié)果有，從空預(yù)器出口測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)之間的阻力，不含粉塵粒子的情況下約564 Pa，含粉塵粒子的情況下約609 Pa，從水平煙道測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)之間的阻力，不含粉塵粒子的情況下約375 Pa，含粉塵粒子的情況下約408 Pa。用含粉塵的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行相互比較，并以實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，則有，空預(yù)器出口測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)的阻力，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量二者數(shù)值相差約96 Pa，計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果低了約14%，水平煙道測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)之間的阻力，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量二者數(shù)值相差約17 Pa，計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果低了約4%。由于實(shí)際情況下，煙道可能存在積灰，會帶來更大的阻力，而數(shù)值計(jì)算未能考慮積灰效應(yīng)，所以數(shù)值計(jì)算值均比實(shí)驗(yàn)測量數(shù)值偏低，且相互之間存在差異。

圖5給出了含粉塵計(jì)算結(jié)果的煙道氣相總壓分布。從圖5(a)可以看出，在煙道拐角、爬升等部位總壓損失較大，是煙道阻力主要集中的部位。圖5(b)給出的煙道內(nèi)部剖面氣相總壓分布也可以看出，在直角彎頭和聯(lián)箱附近及爬升段，是壓力損失較大的地方。

圖6給出了含粉塵計(jì)算結(jié)果的煙道內(nèi)部剖面顆粒相濃度分布?？梢钥吹?，粉塵粒子隨著氣流不斷運(yùn)動，由于拐角、聯(lián)箱、爬升段等部位的存在，使得氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)流動，造成粉塵粒子的濃度在氣流中出現(xiàn)了不均勻的分布情況，在靠近壁面的區(qū)域、直角拐角區(qū)域、支撐桿區(qū)域粉塵濃度較高，而水平拐彎進(jìn)入直角彎頭之前的流動漩渦內(nèi)，粉塵顆粒濃度則很少。

圖7給出了含粉塵計(jì)算結(jié)果的煙道內(nèi)部剖面氣相流線。從圖中可以看出，煙氣自上而下流經(jīng)兩臺空預(yù)器之后，在灰斗上方水平拐彎，再經(jīng)過直角彎頭在方形聯(lián)箱處匯合，而后分別從聯(lián)箱上部的兩側(cè)爬升并流至除塵器入口。在流動過程中，可以看到煙氣流線混亂，存在很多流動漩渦結(jié)構(gòu)，尤其聯(lián)箱內(nèi)有更大尺寸的漩渦結(jié)構(gòu)，在除塵器之前的煙道內(nèi)，煙氣也在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)流動，這些復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)均會增加流動阻力，是煙道阻力主要產(chǎn)生的原因。

表2 煙道阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

(a)側(cè)視圖

(b)內(nèi)部剖面圖

圖6 煙道內(nèi)部剖面粉塵顆粒濃度分布

圖7 煙道內(nèi)部剖面氣體流線

5 結(jié)論

本文開展的電廠機(jī)組尾部煙道阻力測量與數(shù)值計(jì)算研究，將得到的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)針對空預(yù)器出口測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測量得到的煙道阻力平均值約705 Pa，數(shù)值計(jì)算得到的煙道阻力數(shù)值含粉塵情況下約609 Pa，二者數(shù)值相差約96 Pa，計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果低了約14%；針對水平煙道測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測量得到的煙道阻力平均值約425 Pa，數(shù)值計(jì)算得到的煙道阻力數(shù)值含粉塵情況下約408 Pa，二者數(shù)值相差約17 Pa，計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果低了約4%。由于數(shù)值計(jì)算未能考慮煙道中積灰情況，使得計(jì)算數(shù)據(jù)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏低，但得到的流動與阻力變化規(guī)律是一致的。

(2)氣體粉塵兩相流動的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，對水平煙道測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)之間區(qū)域來說，不含粉塵粒子的情況下煙道阻力約375 Pa，含粉塵粒子的情況下煙道阻力約408 Pa，即粉塵帶來的阻力影響約33 Pa，該差異占比不超過9%；對空預(yù)器出口測點(diǎn)至除塵器入口測點(diǎn)之間區(qū)域來說，不含粉塵粒子的情況下煙道阻力約564 Pa，含粉塵粒子的情況下煙道阻力約609 Pa，即粉塵帶來的阻力影響約45 Pa，該差異占比不超過8%。粉塵顆粒對煙道阻力的評估有一定影響，使用兩相流即考慮粉塵顆粒影響的數(shù)值計(jì)算結(jié)果比不考慮粉塵顆粒的單純氣相數(shù)值計(jì)算結(jié)果，更加接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明對于煙道內(nèi)氣體粉塵流動，使用兩相流數(shù)值模擬技術(shù)得到的數(shù)據(jù)具有更高的可靠性。

(3)經(jīng)過對煙道內(nèi)部數(shù)值計(jì)算的流場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在拐角附近、聯(lián)箱中、爬升段也產(chǎn)生有復(fù)雜的漩渦運(yùn)動，尤其聯(lián)箱內(nèi)有更大尺寸的漩渦結(jié)構(gòu)，是煙道阻力主要產(chǎn)生的地方。同時，這些地方氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)流動，造成粉塵粒子的濃度出現(xiàn)不均勻的分布情況，在靠近壁面的區(qū)域、直角拐角區(qū)域、支撐桿區(qū)域粉塵濃度較高，而水平煙道的流動漩渦內(nèi)，粉塵顆粒濃度則很低。這些部位可以通過添加導(dǎo)流板的方式減小阻力，或者使用更為優(yōu)化的煙道布局與構(gòu)型。