俞接成 郭 嬋 錢 高

(1. 北京石油化工學院能源與動力工程系；2. 民政部一零一研究所)

立式沉降冷卻塔內(nèi)煙氣冷卻的數(shù)值模擬及冷卻方案改進*

俞接成**1郭 嬋2錢 高2

(1. 北京石油化工學院能源與動力工程系；2. 民政部一零一研究所)

根據(jù)設(shè)計要求，立式沉降冷卻塔需要將煙氣冷卻到180.00℃以下，然后用布袋進一步除塵后達標排放。但在實際運行過程中經(jīng)常發(fā)生布袋被燒毀的現(xiàn)象，利用Fluent軟件對立式沉降冷卻塔的流動與傳熱進行三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明：煙氣經(jīng)過立式沉降冷卻塔后的出口溫度遠高于180.00℃，但可以通過改變流動方式、增加肋片高度及增加冷卻空氣流量等措施將煙氣溫度冷卻到180.00℃以下。

立式沉降冷卻塔 煙氣冷卻 肋片

立式沉降冷卻塔用于冷卻人們在紀念逝者時燃燒祭祀品所產(chǎn)生的煙氣和沉降煙氣中大粒徑的灰塵。煙氣進入冷卻塔的溫度為500.00℃左右，體積流量為4 100m3/h。采用常溫空氣為冷卻介質(zhì)，設(shè)計要求將流經(jīng)立式沉降冷卻塔的煙氣冷卻到180.00℃以下，然后用布袋對煙氣進一步除塵后達標排放。但當冷卻后的煙氣溫度遠高于180.00℃時，布袋可能被燒壞，在實際運行過程中，布袋經(jīng)常被燒毀。

通過數(shù)值方法分析裝置內(nèi)部的流動和傳熱，可以找出布袋被燒毀的原因。目前采用數(shù)值方法研究換熱器大多集中于管殼式換熱器(如針對管殼式換熱器中殼程流動與傳熱[1～4]、或針對單管換熱器[5]或管子根數(shù)較少的管殼式換熱器[6,7])，但尚未檢索到關(guān)于大尺寸立式沉降冷卻塔流動與傳熱數(shù)值模擬的文獻。筆者嘗試采用ANSYS Fluent商業(yè)計算軟件對立式沉降冷卻塔內(nèi)部的流動和傳熱進行模擬，找出溫度過高的原因，并提出針對性的改造措施。

1 立式沉降冷卻塔的結(jié)構(gòu)

立式冷卻沉降塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。煙氣在中間內(nèi)筒和大環(huán)形通道中由下而上流動，空氣在最外側(cè)和中間兩個較窄的環(huán)形空間內(nèi)由下而上流動，煙氣和空氣之間的流動形式為順流。設(shè)備總高為4.8m，其各環(huán)形空間的尺寸如圖2所示，其中鋼板的厚度為4mm。在煙氣與空氣通道中布置肋片：在最外側(cè)空氣通道中，內(nèi)、外壁各布置90根肋高為70mm的肋片，交錯布置；在內(nèi)側(cè)空氣通道中，內(nèi)、外壁面各布置52根肋高為66mm的肋片，交錯布置；在外筒間的煙氣通道中，外壁布置90根、內(nèi)壁布置52根肋高為70mm的肋片。

圖1 立式冷卻沉降塔結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 裝置截面尺寸和流道布置

2 立式沉降冷卻塔的數(shù)值模擬

2.1煙氣和空氣物性參數(shù)

根據(jù)設(shè)計要求，祭祀品經(jīng)燃燒后產(chǎn)生的高溫煙氣進入立式冷卻沉降塔時溫度為500.00℃，體積流量Q為4 100m3/h，要求煙氣在流出冷卻塔時的出口溫度不高于180.00℃。煙氣的物性參數(shù)按其進、出口溫度的平均值(即340.00℃)進行計算。根據(jù)原先的設(shè)計，冷卻空氣流量為10 473m3/h，入口溫度為20.00℃，在數(shù)值模擬時按20.00℃的空氣物性參數(shù)進行計算，煙氣和空氣的物性參數(shù)見表1。

表1 煙氣和空氣的物性參數(shù)

2.2計算域的簡化和網(wǎng)格劃分

由于裝置外部尺寸為直徑1.8m、高4.8m，并且為了提高傳熱效果，裝置內(nèi)部還安裝了大量肋片，在對裝置進行整體模擬時需要劃分大量網(wǎng)格，但目前一般的計算機硬件尚難滿足其計算要求，因此在進行模擬時對計算域進行了適當簡化，不考慮煙氣和空氣通道的入口部分和出口部分，僅考慮裝置的主換熱段，并取整體裝置的1/30，即12°的扇形圓柱進行模擬(圖3)。采用GAMBIT2.4.6軟件對其進行網(wǎng)格劃分，全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共劃分1 506 400個單元，1 728 108個節(jié)點，并設(shè)置了3個計算域：煙氣域、空氣域和固體域(包括壁面和肋片)。

圖3 12°的扇形圓柱和肋片分布示意圖

2.3邊界條件和離散格式

采用ANSYS Fluent14.5軟件進行模擬，將GAMBIT軟件所生成的網(wǎng)格文件讀入Fluent軟件后，具體的邊界條件設(shè)置如下：

a. 空氣和煙氣的入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口條件，具體的質(zhì)量流量根據(jù)總質(zhì)量流量按面積大小進行分配(表2)，由于只計算了1/30區(qū)域，因此所示的質(zhì)量流量是設(shè)計流量的1/30；

b. 煙氣和空氣的出口均設(shè)置為壓力出口；

c. 肋片表面設(shè)置為耦合壁面，外壁面和上、下端面的設(shè)置為絕熱的壁面，兩個縱向側(cè)面設(shè)置為壓力梯度為零的旋轉(zhuǎn)周期性條件。

表2 煙氣流道和空氣流道的質(zhì)量流量

g/s

煙氣和空氣的流動均為湍流，采用k-ε湍流模型。壓力-速度耦合選用Simple算法，各方程的離散均選用二階迎風格式。

2.4模擬結(jié)果分析

模擬計算在HP-Z800服務(wù)器上進行，采用六核處理器并行計算，計算結(jié)果見表3。煙氣放出的熱量與空氣吸收的熱量能達到平衡，保證了模擬結(jié)果的正確性。

表3 簡化模型的模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果可以看出：該裝置為順流流動時，只能將煙氣冷卻到358.43℃，即使按逆流來布置，也得不到有效改善，只能冷卻到349.61℃左右，不能滿足將煙氣溫度降低到180.00℃以下的要求，因此在后序?qū)煔膺M行布袋除塵時仍燒毀布袋。

出口附近(z=4.5m)截面的溫度分布云圖如圖4所示。從圖4可以看出：在肋片覆蓋區(qū)域，煙氣得到了很好的冷卻；在煙氣所流經(jīng)的內(nèi)筒和環(huán)形空間中沒有肋片覆蓋的區(qū)域，煙氣的溫度仍然保持很高的水平；空氣通道內(nèi)沒有必要設(shè)置那么多的交錯肋片，尤其是外環(huán)間的空氣通道，外壁上設(shè)置的肋片幾乎沒有作用。

2.5改進方案及其數(shù)值模擬

根據(jù)模擬結(jié)果，煙氣溫度沒有得到有效降低的原因是煙道中大部分區(qū)域沒有肋片覆蓋，導致這部分區(qū)域的溫度過高。因此對其進行改進時，首先需要考慮如何讓肋片遍布整個煙氣通道，使煙氣得到較好的冷卻效果。根據(jù)對實際裝置的模擬結(jié)果，對肋片進行優(yōu)化布置，在維持原有肋片數(shù)的基礎(chǔ)上，去除兩個空氣通道中的交錯肋片，將外環(huán)間煙氣通道的肋片延長與內(nèi)筒煙道的外壁對接，內(nèi)筒間煙氣側(cè)的肋片高度從70mm延長至200mm。然后對改進后的裝置按前述方法進行模擬，模擬結(jié)果見表4。

圖4 出口附近(z=4.5m)橫截面的溫度分布云圖

表4 肋片布置改進后的模擬結(jié)果

由表4可知：維持肋片數(shù)不變，僅通過增加肋片高度就能使煙氣溫度大幅降低；如果將空氣流量增加一倍，即可將煙氣的溫度降到169.05℃，滿足低于180.00℃的要求。其z=4.5m處橫截面的溫度分布云圖如圖5所示。

圖5 改進后z=4.5m處橫截面的溫度分布云圖

從圖5可以看出：增加肋片高度后，在有肋片布置的地方，煙氣溫度都能有效降低；但在內(nèi)筒肋片無法覆蓋的地方溫度仍然較高。在逆流、空氣流量增加一倍的工況下，內(nèi)筒延期出口溫度為255.43℃，外環(huán)間煙氣出口溫度為132.27℃，煙氣平均出口溫度為169.34℃。內(nèi)筒煙氣出口溫度仍然比較高，因此，當無法增大冷卻空氣流量時，可在內(nèi)筒間設(shè)置一個小直徑空氣通道，以滿足將煙氣降到180.00℃左右的要求。

3 結(jié)論

3.1根據(jù)模擬結(jié)果，順流時只能把煙氣溫度從500.00℃降低到358.43℃，原有裝置不能滿足將煙氣溫度降低到180.00℃的要求，從而造成布袋被燒毀的現(xiàn)象。

3.2可以通過增加肋片高度、采用逆流級增加冷卻空氣流量等方法將煙氣溫度降到180.00℃以下。

3.3在對設(shè)備進行具體改進時需要與設(shè)備制造廠家協(xié)作，確定能焊接的肋片高度和片數(shù)，在滿足能生產(chǎn)制造的條件下，對裝置肋片進行優(yōu)化布置，從而將煙氣的出口溫度冷卻到工藝所要求值。

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NumericalSimulationandImprovementSchemeforFlueGasCoolinginVerticalSettling&CoolingTower

YU Jie-cheng1, GUO Chan2, QIAN Gao2

(1.DepartmentofEnergy&PowerEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China; 2.No. 101InstituteoftheMinistryofCivilAffairs，Beijing100070,China)

The FLUENT software package was used to implement 3D simulation of both flue gas flow and heat transfer in a vertical settling & cooling tower. The flue gas has to be cooled to less than 180.00℃ to prevent the cloth bag from being burned down as designed and be discharged up to the standards. The numerical simulation results show that changing flue gas’ flow mode and increasing fin height and the flow rate of the cooling air can cool down the gas temperature up to the standards.

vertical settling and cooling tower, flue gas cooling, fin

*中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(H13-094)。

**俞接成，男，1971年3月生，副教授。北京市，102617。

TQ051.5

A

0254-6094(2015)01-0106-04

2014-03-07，

2015-01-14)