煙氣消白煙道流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭鴻

（福州紅廟嶺垃圾焚燒發(fā)電有限公司 福建福州 350001）

目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)燃煤電廠或是其它化工行業(yè)的煙氣在排放前大都進(jìn)行了濕法脫硫，溫度降至45 ℃～55 ℃。此時(shí)的煙氣通常是飽和濕煙氣，含有大量水蒸汽，水蒸汽中含有較多的溶解性鹽、SO3、凝膠粉塵、微塵等（都是霧霾的主要成分）。如果煙氣由煙囪直接排出，進(jìn)入溫度較低的環(huán)境空氣，由于環(huán)境空氣的飽和濕度比較低，在煙氣溫度降低過(guò)程中，煙氣中的水蒸汽會(huì)凝結(jié)形成濕煙羽，造成大氣污染。

根據(jù)濕煙羽形成及消散的機(jī)理，目前常用的方法歸納為：煙氣加熱技術(shù)、煙氣冷凝技術(shù)、煙氣先冷凝再熱技術(shù)及各種方法的組合技術(shù)。本文介紹的四川消白工程采用的是煙氣加熱技術(shù)（利用鍋爐廢水的余熱通過(guò)換熱器提高脫硫后煙氣的排放溫度），由于受場(chǎng)地限制，煙道進(jìn)入換熱器模塊前有一個(gè)異形擴(kuò)張煙道，為了保證換熱效率，就必須在異形擴(kuò)張煙道進(jìn)口處增設(shè)導(dǎo)流板以保證煙氣均勻分布進(jìn)入換熱器。

1 原結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

根據(jù)煙道系統(tǒng)圖紙，對(duì)換熱器及其相關(guān)煙道進(jìn)行1∶1 三維建模，在構(gòu)建幾何模型的過(guò)程中，忽略煙道內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)及導(dǎo)流板的厚度。最終的模型如圖1 所示。

圖1 原結(jié)構(gòu)物理模型圖

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)置

對(duì)原結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，優(yōu)先使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)壁面處、導(dǎo)流板及速度梯度大的地方進(jìn)行加密處理。由于換熱器內(nèi)部存在數(shù)目龐大的換熱管，根據(jù)文獻(xiàn)［3］和［4］，若按原模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所需網(wǎng)格數(shù)目龐大，需消耗大量的計(jì)算資源，因此需要將換熱器模塊本體按多孔介質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，最終網(wǎng)格數(shù)約為140 萬(wàn)。最終的網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 原結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

原結(jié)構(gòu)模擬的目的主要是找出換熱器進(jìn)口處流場(chǎng)分布不合理的區(qū)域，并對(duì)流場(chǎng)分布狀況進(jìn)行分析。數(shù)值模擬按照工況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)［1］和［2］，入口邊界條件設(shè)置為均勻入口，速度值按照工況下的設(shè)計(jì)煙氣量進(jìn)行計(jì)算；出口邊界設(shè)置為壓力出口；換熱器的換熱管束按多孔介質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，換熱器模塊本體管束按多孔介質(zhì)建模。由圖1 可知，本次模型中共有3 個(gè)換熱器，按煙氣流動(dòng)方向，各換熱器的多孔介質(zhì)模型的阻力分別為211 Pa、589 Pa、200 Pa。計(jì)算模型選用Realizable k-e 湍流模型，壁面處理選取為Enhanced Wall Treatment，原結(jié)構(gòu)邊界條件參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 原結(jié)構(gòu)邊界條件參數(shù)匯總

1.3 流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

建立模型并確定邊界條件后，使用求解器完成模擬計(jì)算工作，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。分析原結(jié)構(gòu)不同視角流線圖及換熱器進(jìn)口截面流速分布云圖，不同視角流線圖見(jiàn)圖3，換熱器進(jìn)口截面流速分布云圖見(jiàn)圖4。

圖3 原結(jié)構(gòu)模型流線分布圖

由圖3 和圖4 可以看出，原結(jié)構(gòu)在換熱器進(jìn)口前存在S型彎頭，換熱器進(jìn)口前的煙氣偏向于煙道的底部，造成在換熱器進(jìn)口的上、下壁面處的煙氣流速低。原結(jié)構(gòu)在換熱器進(jìn)口存在著異形擴(kuò)張煙道，該異形煙道沿高度方向（上壁面至下壁面方向）的擴(kuò)張角度導(dǎo)致異形擴(kuò)張煙道處的煙氣流線紊亂，且該處煙道無(wú)導(dǎo)流裝置，造成換熱器進(jìn)口流速分布十分不均勻。

圖4 原結(jié)構(gòu)換熱器進(jìn)口處流速分布圖

為了對(duì)換熱器進(jìn)口截面煙氣的流場(chǎng)分布狀況進(jìn)行定量分析，在換熱器入口截面上用均等網(wǎng)格法設(shè)置了121 個(gè)速度采集點(diǎn)，并用速度標(biāo)準(zhǔn)偏差公式計(jì)算冷卻器入口截面的速度不均勻系數(shù)，具體數(shù)值如表2 所示。

由表2 可以看出：原結(jié)構(gòu)換熱器入口截面速度分布不均勻系數(shù)為0.346，流速分布不均勻系數(shù)已超過(guò)10%，嚴(yán)重不滿足技術(shù)要求，換熱器進(jìn)口流速分布十分不均勻。

表2 原結(jié)構(gòu)換熱器進(jìn)口截面煙氣流速數(shù)據(jù) 單位：m／s

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)模擬與分析

2.1 幾何模型

根據(jù)原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析結(jié)果，原結(jié)構(gòu)換熱器進(jìn)口前煙氣流速分布不均的主要原因是換熱器進(jìn)口前存在異形擴(kuò)張煙道及S 型彎頭，且在兩處均無(wú)導(dǎo)流裝置。將在換熱器進(jìn)口前的異形擴(kuò)張煙道處增加導(dǎo)流板，在通過(guò)嘗試不同優(yōu)化方案模擬后，確定最終優(yōu)化方案為在異形擴(kuò)張煙道沿?zé)煹缹挾确较颍ㄉ媳诿嬷料卤诿娣较颍┰黾? 塊弧直型導(dǎo)流板，在異形擴(kuò)張煙道深度方向（前墻至后墻方向）中心線對(duì)稱各增加1 塊弧直型導(dǎo)流板。優(yōu)化后物理模型見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化后物理模型圖

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)改造的新增導(dǎo)流板見(jiàn)圖6。

圖6 新增導(dǎo)流板位置圖

2.2 流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

為了系統(tǒng)評(píng)價(jià)優(yōu)化后流場(chǎng)的改造效果，對(duì)優(yōu)化后的換熱器進(jìn)口煙氣流場(chǎng)分布做了分析。優(yōu)化后在不同視角流線圖見(jiàn)圖7，換熱器進(jìn)口截面速度分布云圖見(jiàn)圖8。

由圖7 和圖8 可以看出：優(yōu)化后煙道內(nèi)部流場(chǎng)得到了很好的改善，雖然仍存在少量紊亂的流線，但相比原結(jié)構(gòu)，在換熱器進(jìn)口前的異形擴(kuò)張煙道處煙氣充滿度更高，換熱器進(jìn)口流速分布相比原結(jié)構(gòu)更為均勻。

圖7 優(yōu)化后模型流線分布圖

圖8 優(yōu)化后換熱器進(jìn)口處流速分布圖

為了定量分析優(yōu)化后的換熱器進(jìn)口截面煙氣的流場(chǎng)分布狀況，同樣在優(yōu)化后換熱器入口截面上設(shè)置了121 個(gè)速度采集點(diǎn)，并采用速度標(biāo)準(zhǔn)偏差公式計(jì)算換熱器入口截面的速度不均勻系數(shù)。速度采集點(diǎn)的設(shè)置方式與原結(jié)構(gòu)保持一致，具體數(shù)值如表3 所示。

表3 優(yōu)化后換熱器進(jìn)口截面煙氣流速數(shù)據(jù) 單位：m／s

由表3 可以看出：優(yōu)化后的換熱器進(jìn)口流場(chǎng)不均勻系數(shù)為0.085（優(yōu)化前為0.346），較優(yōu)化前改善明顯，滿足《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 75—2017）中尾部煙道的流速＞10 m/s 時(shí)，流速相對(duì)誤差不超過(guò)±10%，以及尾部煙道流速≤10 m/s 時(shí)，流速相對(duì)誤差不超過(guò)±12%的要求，且相比原結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后換熱器進(jìn)口處的流場(chǎng)分布更為均勻。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)比較煙道系統(tǒng)中有、無(wú)設(shè)置導(dǎo)流板流場(chǎng)，經(jīng)CFD數(shù)值模擬分析，得出兩種不同流場(chǎng)模擬結(jié)果，優(yōu)化后的換熱器進(jìn)口流場(chǎng)不均勻系數(shù)為0.085（優(yōu)化前為0.346），較優(yōu)化前改善明顯，優(yōu)化后換熱器進(jìn)口處的流場(chǎng)分布更為均勻，能提高換熱器的換熱效率。