CFD與工業(yè)煙塵凈化和霧霾的關(guān)系，CFD創(chuàng)新應(yīng)用

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

近幾年,全國(guó)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(shè)備,此時(shí),CFD數(shù)值模擬技術(shù)越來(lái)越受到重視,成為了環(huán)保設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用介紹了CFD模擬技術(shù)在大氣污染物排放設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中所起到的作用。應(yīng)用結(jié)果表明,CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)于提高設(shè)備運(yùn)行效率、減少污染物排放具有重要的工程意義。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步快速發(fā)展,我國(guó)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(yīng)地不斷增加,使得大氣污染物的排放呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì),由此引發(fā)了一系列環(huán)境問(wèn)題,如酸雨、臭氧層破壞等,尤其是近幾年全國(guó)大范圍內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣,嚴(yán)重影響了我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(guò)量排放是造成我國(guó)大氣污染嚴(yán)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(shè)備的合理設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,CFD數(shù)值模擬技術(shù)在近幾年來(lái)作為環(huán)保設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要手段之一起到了重要的作用。計(jì)算流體力學(xué)(CFD,Computational Fluid Dynamics)是采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)流體流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究的學(xué)科,通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算求解流體流動(dòng)方程和圖形顯示技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析。由于除塵脫硫脫硝設(shè)備運(yùn)行效率與流體流動(dòng)傳熱等過(guò)程密切相關(guān),因此采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)燃煤鍋爐污染控制設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)越來(lái)越受工程設(shè)計(jì)人員的重視。通過(guò)多年研究與經(jīng)驗(yàn)積累,CFD數(shù)值技術(shù)在龍凈環(huán)保產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)已具有成熟的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用范圍

圖2 CFD在工業(yè)爐窯煙氣治理中的應(yīng)用范圍

1.CFD技術(shù)在除塵設(shè)備中的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.1 靜電除塵器流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的CFD數(shù)值模擬

電除塵器利用高壓靜電作用實(shí)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(diǎn),是燃煤鍋爐進(jìn)行煙氣除塵的最重要、最有效的環(huán)保設(shè)備之一。

大多數(shù)工業(yè)規(guī)模的ESP系統(tǒng)包含若干個(gè)相同的除塵室,并由進(jìn)出口煙道系統(tǒng)連接。為了使各個(gè)室流量分配盡可能均勻(通常設(shè)計(jì)要求各個(gè)室的流量偏差控制在5%以內(nèi)),需要在煙道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)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(dǎo)流板三維圖,電除塵器流場(chǎng)數(shù)值模擬和物模試驗(yàn)如圖4所示,流量分配對(duì)比結(jié)果如表1所示。結(jié)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(jié)果和物模試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖3 電除塵器CFD模型

圖4 電除塵器流場(chǎng)數(shù)值模擬和物模試驗(yàn)

表1 流量分配的數(shù)值計(jì)算及物模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

氣流分布對(duì)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(dāng)煙氣進(jìn)入除塵器電場(chǎng)時(shí),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(yáng)起,并且高速區(qū)粉塵顆粒難以被捕集,進(jìn)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(jìn)口喇叭的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。圖5是福建某600MW機(jī)組配套電除塵器內(nèi)部流線圖,電場(chǎng)第一斷面氣流分布數(shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖6所示,數(shù)值模擬很好地預(yù)測(cè)了電場(chǎng)內(nèi)部氣流分布趨勢(shì),通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于改善電場(chǎng)內(nèi)部氣流分布,提高電除塵器性能具有重要參考價(jià)值。

圖5 電除塵器內(nèi)部流線圖

圖6 電除塵器電場(chǎng)第一斷面氣流分布數(shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

1.2 電袋復(fù)合除塵器流場(chǎng)優(yōu)化CFD模擬

電袋復(fù)合除塵器是電除塵、袋除塵捕集機(jī)理有效結(jié)合而延伸出來(lái)的一種高效除塵設(shè)備,其結(jié)合了電除塵器和袋式除塵器的優(yōu)點(diǎn),可使排放濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定在20mg/Nm3以下,并且具有對(duì)煤種變化適應(yīng)性強(qiáng)及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。電袋復(fù)合除塵器大型化應(yīng)用中氣流流場(chǎng)分布是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一,直接影響電袋復(fù)合除塵器的性能。電袋復(fù)合除塵器內(nèi)氣流均勻分布可以減少氣流沖刷、使各個(gè)濾袋單元?dú)饬鞣峙渚鶆?同時(shí)使濾袋單元內(nèi)流場(chǎng)均勻平緩,降低設(shè)備運(yùn)行阻力和能耗。圖7是山東某150MW機(jī)組配套電袋復(fù)合除塵器三維示意圖,通過(guò)采取增設(shè)和調(diào)整導(dǎo)流板、孔板、導(dǎo)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(jié)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(duì)袋區(qū)的沖刷以及運(yùn)行阻力損失,并延長(zhǎng)濾袋壽命。

圖7 電袋復(fù)合除塵器CFD模型

圖8 電袋復(fù)合除塵器速度分布

圖9 電袋復(fù)合除塵器壓力分布

圖10 電袋復(fù)合除塵器電場(chǎng)前斷面速度分布

2.CFD技術(shù)在脫硝中的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 SNCR脫硝氨噴射的優(yōu)化

SNCR脫硝技術(shù)因其系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資低、周期短、不需單獨(dú)設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用,也是環(huán)保部為火電廠推薦的兩種煙氣脫硝技術(shù)之一。盡管還原劑與NOx的反應(yīng)時(shí)間很短,但反應(yīng)窗口很小,所以還原劑的噴射位置對(duì)SNCR脫硝來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵。圖11是某150MW機(jī)組CFB鍋爐SNCR脫硝CFD模型內(nèi)部流場(chǎng)分布模擬結(jié)果,通過(guò)建立爐內(nèi)煙氣流動(dòng)、傳熱和組分輸運(yùn)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(jié)果,不同噴槍布置方案的還原劑濃度分布模擬結(jié)果對(duì)比如表2所示。結(jié)果表明不同的噴射位置和噴射角度對(duì)還原劑的混合效果影響較大,通過(guò)數(shù)值模擬可以為SNCR脫硝工程還原劑的設(shè)計(jì)找到最佳噴射位置和噴射角度。

圖11 CFB鍋爐內(nèi)部流場(chǎng)

圖12 不同噴射角度數(shù)值模擬結(jié)果

表2 不同噴射方案模擬結(jié)果

2.2 SCR脫硝流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前,選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)是治理燃煤電站NOx污染的最有效形式,其以裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、脫硝效率高等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了世界80%的煙氣脫硝市場(chǎng)。除了與催化劑活性有關(guān)外,SCR脫硝性能很大程度上決定于SCR裝置內(nèi)的流場(chǎng)。理想的流場(chǎng)可以減少催化劑沖刷磨損和積灰堵塞隱患,延長(zhǎng)催化劑的使用壽命;可以使煙氣與氨氣在進(jìn)入催化劑前混合均勻,有利于氨氣與NOx充分反應(yīng)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(jié)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(duì)比的模擬結(jié)果。優(yōu)化后的方案按1:10比例搭建物理模型(圖15),并進(jìn)行了物模試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果表3所示。研究結(jié)果表明:SCR脫硝系統(tǒng)沒(méi)有優(yōu)化措施時(shí),第一層催化劑上游速度偏差很大,最大流速超過(guò)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(jié)果和物模試驗(yàn)結(jié)果吻合進(jìn)一步保證了優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)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(duì)比

圖15 SCR物模試驗(yàn)

表3 CFD數(shù)值模擬和物模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.CFD技術(shù)在濕法脫硫中的應(yīng)用

濕法煙氣脫硫(WFGD)是當(dāng)前大型燃煤電廠煙氣脫硫的主導(dǎo)技術(shù),吸收塔為WFGD系統(tǒng)的核心設(shè)備,塔內(nèi)流場(chǎng)的合理分布對(duì)于強(qiáng)化煙氣與漿液之間的混合與傳質(zhì)、延長(zhǎng)氣液在吸收區(qū)的接觸時(shí)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(chǎng)的均勻性還會(huì)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(chǎng)分布的數(shù)值模擬結(jié)果,從圖中可以看出優(yōu)化前,塔內(nèi)吸收區(qū)域的流場(chǎng)不均,這會(huì)導(dǎo)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(jié)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(huì)降低除霧器的除霧效率。優(yōu)化后,在多孔托盤(pán)的均流作用下,塔內(nèi)吸收區(qū)域的流場(chǎng)得到了改善;通過(guò)設(shè)置導(dǎo)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(shè)計(jì)CFD模擬

盡管單個(gè)工業(yè)爐窯排放量相對(duì)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(shè)計(jì)仍具有重要的實(shí)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(chǎng)優(yōu)化數(shù)值模擬結(jié)果,通過(guò)在塔內(nèi)設(shè)置合理的導(dǎo)流葉片,強(qiáng)制煙氣在塔內(nèi)做旋流運(yùn)動(dòng),延長(zhǎng)了煙氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間,從而達(dá)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(shè)備,也可作為工業(yè)爐窯脫硫設(shè)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(chǎng)優(yōu)化數(shù)值模擬結(jié)果,通過(guò)在入口煙道設(shè)計(jì)導(dǎo)流板,在進(jìn)口喇叭設(shè)置合理的整流措施,使得煙氣均勻平穩(wěn)通過(guò)收塵區(qū)域;設(shè)計(jì)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(jié)

CFD數(shù)值模擬技術(shù)在除塵、脫硫、脫硝中的應(yīng)用,幾乎涵蓋了燃煤鍋爐污染物治理的所有領(lǐng)域。同傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相比,CFD具有明顯的優(yōu)勢(shì):減少了物理模型試驗(yàn),縮短了研發(fā)周期,為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了科學(xué)的指導(dǎo)。工程實(shí)踐表明CFD數(shù)值模擬技術(shù)在大氣污染控制設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)具有不可替代的作用。

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