濕式電除塵器進口煙道導流裝置數值模擬流場優化設計

鄭鴻

（福州紅廟嶺垃圾焚燒發電有限公司 福建福州 350001）

0 引言

目前，國內絕大多數燃煤電廠或是其他化工行業的煙氣在排放前大都進行了脫硝、靜電或布袋除塵和脫硫處理，溫度降至50 ℃～70 ℃，此時的煙氣通常是飽和濕煙氣，煙氣中含有大量水蒸氣、酸霧、凝膠粉塵、微塵等，由煙囪直接排出造成對大氣污染。隨著國家和地方對環保要求越來越嚴格，廣東省印發的《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB 44/765—2019）中大氣污染物特別排放限值，煙塵排放濃度限值≤10 mg/m3，二氧化硫排放濃度限值≤35 mg/m3，氮氧化物排放濃度限值≤50 mg/m3，煙氣在經過濕法脫硫處理后，再經濕式電除塵器進一步除塵，才使得煙氣排放濃度達到排放標準。

本文介紹的3 臺280 t/h 循環流化床鍋爐煙氣排放提標改造項目，因為改造場地有限，煙道進入濕式電除塵器前有1 個異形擴張煙道。為了保證除塵效率，在異形擴張煙道進口處增設導流板和均布格柵，以保證煙氣均勻分布進入濕式電除塵器的電場管束，見圖1。

圖1 濕式電除塵器和進口異形擴張煙道示意圖

1 4種方案的數值模擬

1.1 幾何模型

煙道系統中設置4 種導流板和均布格柵組合方案，見圖2所示。由于內部的支撐結構對流場的影響較小，因此在不影響煙道內部流場的情況下，對模型進行了相應的簡化。分別對4種組合方案均布格柵、導流板及其相關煙道進行1∶1 二維建模，在構建幾何模型的過程中，忽略煙道內部支撐結構及導流板的厚度。

圖2 進口異形擴張煙道4 種導流板和均布格柵組合方案示意圖

方案1：煙道90°彎頭處不設導流板，擴大口截面設置1 層均布格柵。

方案2：煙道90°彎頭處設置導流板，擴大口截面設置1 層均布格柵。

方案3：煙道90°彎頭處設導流板，擴大口截面設置1 層均布格柵，變徑處增設1 層均布格柵。

方案4：煙道90°彎頭處設置導流板，擴大口截面設置1 層均布格柵，在右側兩片導流板上端分別增加500 mm 長不同角度的導流板。

1.2 網格劃分與邊界設置

對模型進行網格劃分時，優先使用四邊形單元劃分網格，并對壁面處、導流板及均布格柵的地方進行加密處理［1］。根據4 種導流板和均布格柵組合方案，在前處理軟件Gambit 建立模型并確定邊界條件后輸出mesh 文件。在數值模擬過程中采用以下簡化假設：①系統絕熱；②系統無漏風；③煙氣為理想氣體。

對進口異形擴張煙道模擬的目的主要是找出煙道出口處流場分布，并對流場分布狀況進行分析。數值模擬按照工況下進行計算［2-3］，入口邊界條件設置為均勻入口，速度值按照工況下的設計煙氣量進行流速計算；出口邊界設置為outflow 出口。計算模型選用Realizable k-e 湍流模型，壁面處理選取為Wall，邊界條件參數設置如表1 所示。

表1 邊界條件參數匯總

1.3 流場模擬結果分析

分別將4 種組合方案的mesh 文件導入Fluent 流場模擬軟件，根據表1 輸入邊界條件數據，使用求解器完成模擬計算工作［4-5］，并對模擬結果進行分析。

方案1：煙道90°彎頭處不設導流板，擴大口截面設置1 層均布格柵，模擬結果見圖3。變徑和出口段左側分別有2 個大的旋渦，左下側90°直角處也有1 個小的旋渦，出口流場分布極不均勻。

圖3 進口異形擴張煙道方案1 速度分布圖

方案2：煙道90°彎頭處設置導流板，擴大口截面設置1 層均布格柵，模擬結果見圖4。變徑段有1 個與方案1 相比相對小一點的旋渦，出口段左側和左下側90°直角處分別有1 個小的旋渦，出口流場分布情況相對方案1 有明顯改善。

圖4 進口異形擴張煙道方案2 速度分布圖

方案3：煙道90°彎頭處不設導流板，擴大口截面設置1 層均布格柵，變徑處增設1 層均布格柵，模擬結果見圖5。變徑和出口段右側分別有3 個相對于方案2 更小的旋渦，左下側90°直角處有1 個小的旋渦，出口流場分布情況介于方案1 和方案2 之間，變徑處增設1 層均布格柵，反而使流場分布情況相對方案2 來說更差了。

圖5 進口異形擴張煙道方案3 速度分布圖

方案4：煙道90°彎頭處設置導流板，擴大口截面設置1 層均布格柵，在右側兩片導流板上端分別增加500 mm 長不同角度的導流板，模擬結果見圖6。變徑段和出口段的流場分布比較均勻，左下側90°直角處分別有1 個小的旋渦，出口流場分布情況相對其他3 個方案是最好的。

圖6 進口異形擴張煙道方案4 速度分布圖

2 4種方案模擬結果對比

方案1 與方案2 對比，方案1 煙道90°彎頭處沒有設置導流板，方案2 有設置導流板，根據圖3 和圖4 速度分布圖結果對比，方案2 出口流場分布情況相對方案1 有明顯改善；方案2 與方案3 對比，變徑處增設1 層均布格柵，根據圖4 和圖5速度分布圖結果對比，方案3 變徑處增設1 層均布格柵約束了煙氣流動，反而使流場分布情況相對方案2 更差了；方案4在煙道90°彎頭處設置導流板，擴大口截面設置1 層均布格柵，在右側兩片導流板上端分別增加500 mm 長不同角度的導流板，使第一股和第二股煙氣流向角度發生一定的偏轉，消除方案2 中變徑段和出口段產生的旋渦，由圖6 可知，出口流場分布情況相對其他3 個方案是最好的。

通過以上分析對比得出：①在變徑處增設1 層均布格柵反而約束了煙氣流動，使流場分布情況更差；②增加導流板設置能明顯改善異形擴張煙道的流場分布；③根據模擬分析結果對導流板布置進行微調，進一步改善了異形擴張煙道的流場分布。該工程在實際設計中采用第4 種導流板設置方案，取得了良好效果。

3 結語

通過比較煙道系統中不同導流板和均布格柵組合設置方案，將不同方案模擬分析結果比較，選取最優組合方案，使濕式電除塵器進口處煙氣流場分布均勻，從而提高濕式電除塵器的除塵效率。在特定的工程條件下，在異形煙道系統中合理設置導流板，能優化流場的分布，通過Fluent 軟件流場模擬能夠快速對導流板優化設計。本文為煙道系統導流板的工程設計提供了一定的技術支持與參考。