CFD與工業煙塵凈化和霧霾的關系，CFD創新應用

2017-02-19  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

近幾年,全國大范圍內持續出現的霧霾天氣要求著更加穩定高效的除塵、脫硫、脫硝等環保設備,此時,CFD數值模擬技術越來越受到重視,成為了環保設備優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化設計過程中所起到的作用。應用結果表明,CFD數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。

隨著國民經濟的穩步快速發展,我國的能源需求不斷加大,燃煤鍋爐(電站鍋爐和工業鍋爐)數量也相應地不斷增加,使得大氣污染物的排放呈現快速增長的趨勢,由此引發了一系列環境問題,如酸雨、臭氧層破壞等,尤其是近幾年全國大范圍內持續出現的霧霾天氣,嚴重影響了我國經濟的發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,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、脫硝等環保設備的合理設計是關鍵,CFD數值模擬技術在近幾年來作為環保設備優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)是采用數值計算的方法對流體流動規律進行研究的學科,通過計算機數值計算求解流體流動方程和圖形顯示技術來實現對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統進行分析。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數值模擬技術對燃煤鍋爐污染控制設備進行優化設計越來越受工程設計人員的重視。通過多年研究與經驗積累,CFD數值技術在龍凈環保產品優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數值模擬優化的應用范圍主要如圖1所示;在典型的工業爐窯煙氣治理流程中,CFD數值模擬優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在工業爐窯煙氣治理中的應用范圍

1.CFD技術在除塵設備中的優化設計應用

1.1 靜電除塵器流場優化設計的CFD數值模擬

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

大多數工業規模的ESP系統包含若干個相同的除塵室,并由進出口煙道系統連接。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),需要在煙道內設置導流板。圖3是印度某7×660MW燃煤鍋爐配套電除塵器及煙道內部導流板三維圖,電除塵器流場數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 電除塵器流場數值模擬和物模試驗

表1 流量分配的數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,并且高速區粉塵顆粒難以被捕集,進而降低除塵效率。為使電除塵器內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化設計是關鍵。圖5是福建某600MW機組配套電除塵器內部流線圖,電場第一斷面氣流分布數值模擬和試驗對比結果如圖6所示,數值模擬很好地預測了電場內部氣流分布趨勢,通過數值模擬優化設計對于改善電場內部氣流分布,提高電除塵器性能具有重要參考價值。

圖5 電除塵器內部流線圖

圖6 電除塵器電場第一斷面氣流分布數值模擬和試驗對比結果

1.2 電袋復合除塵器流場優化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點,可使排放濃度長期穩定在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,通過采取增設和調整導流板、孔板、導流葉片的優化措施,電袋除塵器內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技術在脫硝中的優化設計應用

2.1 SNCR脫硝氨噴射的優化

SNCR脫硝技術因其系統簡單、投資低、周期短、不需單獨設備等優點得到廣泛應用,也是環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模型內部流場分布模擬結果,通過建立爐內煙氣流動、傳熱和組分輸運等三維數值模型,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鍋爐內部流場

圖12 不同噴射角度數值模擬結果

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、脫硝效率高等優點占據了世界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模型網格劃分及數值模擬結果,圖14是優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,對比統計結果表3所示。研究結果表明:SCR脫硝系統沒有優化措施時,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;數值模擬結果和物模試驗結果吻合進一步保證了優化設計的可靠性。

圖13 SCR脫硝裝置CFD模型網格劃分及數值模擬結果

圖14 優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系統的核心設備,塔內流場的合理分布對于強化煙氣與漿液之間的混合與傳質、延長氣液在吸收區的接觸時間、增大氣液接觸面積并盡量降低系統阻力有著重要的意義,此外,塔內流場的均勻性還會影響除霧器的除霧效果。圖16~18是優化前后脫硫塔內流場分布的數值模擬結果,從圖中可以看出優化前,塔內吸收區域的流場不均,這會導致在吸收塔橫截面上不同區域的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。優化后,在多孔托盤的均流作用下,塔內吸收區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.工業爐窯脫硫—濕法電除塵一體化優化設計CFD模擬

盡管單個工業爐窯排放量相對較低,但由于工業爐窯數量眾多,排放總量仍不可忽視,工業爐窯污染物的優化設計仍具有重要的實際意義。圖19是山東某企業鏈條爐后麻石脫硫塔內流場優化數值模擬結果,通過在塔內設置合理的導流葉片,強制煙氣在塔內做旋流運動,延長了煙氣在塔內的停留時間,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,也可作為工業爐窯脫硫設備的電除霧器,防止酸水霧逃逸等現象的產生。圖20是某工業爐窯濕法電除塵器流場優化數值模擬結果,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,使得煙氣均勻平穩通過收塵區域;設計倒喇叭型出氣方式防止水霧逃逸和偏流現象。

圖19 麻石脫硫塔內煙氣流線

圖20 工業爐窯濕法電除塵器內煙氣流線

5.總結

CFD數值模擬技術在除塵、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。同傳統經驗設計相比,CFD具有明顯的優勢:減少了物理模型試驗,縮短了研發周期,為工程設計和優化提供了科學的指導。工程實踐表明CFD數值模擬技術在大氣污染控制設備優化設計具有不可替代的作用。

福建龍凈環保股份有限公司 工業煙塵凈化國家地方聯合工程研究中心

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