鮑敬云　張海茹　于賢群

(1.樂金顯示(南京)有限公司環(huán)境與安全Team　南京 210046；　2.南京圣諾熱管有限公司設(shè)計院　南京 210009；　3.南京師范大學(xué)能源與機械工程學(xué)院 　南京 210042)

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布袋除塵器進口煙道氣體流動特性的數(shù)值分析*

鮑敬云1張海茹2于賢群3

(1.樂金顯示(南京)有限公司環(huán)境與安全Team南京 210046；2.南京圣諾熱管有限公司設(shè)計院南京 210009；3.南京師范大學(xué)能源與機械工程學(xué)院 南京 210042)

摘要通過計算流體軟件FLUENT對布袋除塵器進口煙道進行研究，應(yīng)用k-ε湍流模型對煙道在冬季極端惡劣情況下的強制對流散熱的流動特性進行了模擬，詳細討論了不同截面的速度場、溫度場、壓力等分布。結(jié)果表明：低溫?zé)煹涝诓槐氐那闆r下，在進入布袋除塵器前仍具有較高溫度；煙道直段的降溫速率約為0.2 ℃/m，彎頭較集中區(qū)域，降溫速率約為0.5 ℃/m；在出口區(qū)域，煙氣溫度出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象；煙道彎頭處的沖刷較嚴重。

關(guān)鍵詞煙道流動特性數(shù)值分析

0引言

鋼鐵行業(yè)的余熱回收一般有單壓、雙壓系統(tǒng)[1]，無論哪種系統(tǒng)，高溫?zé)煔饩柰ㄟ^余熱回收設(shè)備降溫，進入后續(xù)除塵器進行除塵。對于布袋除塵器而言，一般對余熱利用后的煙氣溫度有嚴格要求，布袋除塵器運行溫度應(yīng)在高限和低限之間。由于高限取決于濾袋的濾料，低溫局限于煙氣露點[2]，因此入口煙氣溫度的控制對設(shè)備的運行至關(guān)重要，應(yīng)避免發(fā)生布袋穿孔，造成除塵器效率降低，頻繁更換布袋，更要防止安全事故發(fā)生。為了達到余熱的高效利用、保證布袋除塵器的節(jié)能安全運行，除了對余熱回收設(shè)備面積進行合理設(shè)計外，更需合理考慮低溫?zé)煔庠跓煹纼?nèi)的流動特性，分析其溫度下降、煙道沖涮等情況。

通過軟件進行數(shù)值模擬的方法被廣泛用于很多情況，如實際情況難以再現(xiàn)、痕量及微量元素的取樣、高溫高壓環(huán)境的構(gòu)建等[3]。煙氣速度、煙氣遷移特性和煙氣溫度分布規(guī)律的掌握有利于認識到煙氣的參數(shù)變化，保護后續(xù)布袋除塵器的安全運行。本文利用FLUENT軟件對某布袋除塵器進口煙道內(nèi)氣體的流動情況、溫度分布進行了討論。探討在冬季極端惡劣情況下，強制對流對低溫?zé)煹乐械臒煔饬鲃訝顩r和溫度分布的影響。

1研究對象

某余熱回收項目低溫管道如圖1所示，高溫電爐煙氣經(jīng)過余熱鍋爐后，溫度降至200 ℃后進入低溫?zé)煹?，煙氣從圖1所示右側(cè)進入管道，經(jīng)過4個彎頭和約100 m的直段煙道從左側(cè)排出，即進入布袋除塵器。低溫管道內(nèi)煙氣流動采用k-ε湍流模型[4]，針對當?shù)刈畹蜌鉁刈鳛樽畈焕r進行分析，對冬季極端最低溫度條件的強迫對流換熱進行模擬，環(huán)境溫度為-30 ℃，換熱系數(shù)為60 W/(m2·K)。

圖1　幾何模型

模擬工況的邊界條件為：

(1)電爐煙氣流量為12萬Nm3/h，余熱鍋爐后的煙氣溫度為473 K，湍流強度為10%，水力直徑為2.2 m，彎頭的曲率半徑為2 250 mm，轉(zhuǎn)角為90°。

(2)出口邊界條件為自由發(fā)展流動，流量比重為1。

(3)煙道不進行保溫，固體壁面無速度滑移壁面，煙道壁厚6 mm。

2計算結(jié)果與分析

圖2　強迫對流情況下各截面溫度分布(K)

圖3　強迫對流情況下系統(tǒng)外壁溫度分布(K)

圖4　強迫對流情況下煙道截面溫度分布曲線

圖2、圖3分別顯示了低溫?zé)煹栏鞣较虻闹行钠拭婧捅诿娴臏囟确植记闆r。由圖可知，各個中心剖面的溫度接近于入口溫度473 K，外壁溫度范圍約為260～340 K。圖4為系統(tǒng)各截面溫度的面積加權(quán)平均值隨煙道沿程中心線的變化情況，煙氣入口附近的彎頭集中區(qū)，降溫速率為0.5 ℃/m，煙氣在水平直段的降溫幅度約為9.3 ℃，降溫速率為0.2 ℃/m，出口段的彎頭區(qū)域，煙氣溫度發(fā)生反彈回升現(xiàn)象，降溫速率約為-0.3 ℃/m。

在煙氣入口附近的彎頭區(qū)域，煙氣因流向變化，湍流程度增加，加劇了煙氣與外界的換熱效果。當煙氣進入直段后，流態(tài)逐漸恢復(fù)為均勻流，湍流程度減弱，降溫速率減小。在出口附近的彎頭區(qū)域，由于煙氣的高流速、曲率半徑較小、轉(zhuǎn)角較大，出現(xiàn)了較大區(qū)域的“空腔”區(qū)域，在“空腔”區(qū)域僅有較少煙氣流過，溫度低于煙氣主流溫度。因此，該平面的面積加權(quán)平均值溫度較低，即與后續(xù)煙道相比，煙氣溫度出現(xiàn)了反彈現(xiàn)象。

從圖2可知，彎頭附近的“空腔”區(qū)域?qū)ο掠沃倍螣煹喇a(chǎn)生較大影響，這是因為局部阻力部件范圍內(nèi)的能量損失，只占局部損失中的一部分，另一部分是在局部部件下游一定長度的管段上損耗掉的，該部分為局部部件的影響長度。受局部部件干擾的流動，經(jīng)過了影響長度之后，流速分布和紊流脈動才能達到均勻流動的正常狀態(tài)。因此，該彎頭及其在下游的影響長度范圍內(nèi)的煙道上均不應(yīng)設(shè)置溫度測點，且該部分速度測點也會因測速、測溫管深入的長短出現(xiàn)較大起伏。

圖5　系統(tǒng)各中心剖面速度大小(m/s)

圖6　系統(tǒng)壓力分布(Pa)

圖5、圖6分別顯示了低溫?zé)煹赖乃俣?、壓力的分布情況。由圖可知，系統(tǒng)速度大小為6.76～33.8 m/s，最大值出現(xiàn)在彎頭的內(nèi)側(cè)且大于煙氣入口值，最小值出現(xiàn)在彎頭的外側(cè)，直段的速度約在19.4～21.2 m/s，壓力最高值出現(xiàn)在彎頭的外側(cè)，最小值發(fā)生在彎頭的內(nèi)側(cè)，且第一個彎頭外側(cè)壓力值明顯高于后續(xù)幾個彎頭的壓力值。這是因為流體經(jīng)過彎頭時，雖然過流斷面沿程不變，但彎頭內(nèi)流體質(zhì)點受到離心力作用，在彎頭前半段，外側(cè)壓強沿程增大，內(nèi)側(cè)壓強沿程減小，而流速則是外側(cè)減小，內(nèi)側(cè)增大。因此，彎頭前半段沿外壁是減速增壓的，出現(xiàn)旋渦區(qū)；在彎頭的后半段，由于慣性作用，在Re很大、彎頭轉(zhuǎn)角較大、曲率半徑較小的情況下，旋渦區(qū)再次出現(xiàn)。彎頭內(nèi)側(cè)的旋渦，無論是大小還是強度，一般都比外側(cè)的大[5]。這些因素加劇了煙道的局部沖刷，影響到煙道的運行年限。

3結(jié)論

(1)在彎頭集中區(qū)域，溫降速率約為0.5 ℃/m，直段煙道的溫降速率約為0.2 ℃/m。

(2)在出口區(qū)域，煙氣溫度出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象，是因為煙道的幾何形狀、煙氣的流動狀態(tài)使內(nèi)部出現(xiàn)“空腔”區(qū)域。

(3)在Re很大、彎頭轉(zhuǎn)角較大、曲率半徑較小的情況下，煙道彎頭處的沖刷和運行年限受到很大影響。

參考文獻

[1]趙欽新, 周屈蘭. 余熱鍋爐研究與設(shè)計[M]. 北京：中國標準出版社, 2010.

[2]戴昕,麻瑜. 解決布袋除塵器冬季入口煙溫低的實驗研究[J]. 電力學(xué)報，2013,28(3):256-258.

[3]張海茹,王萌,吳昊，等. 410 t/h燃煤鍋爐汞釋放及賦存方式轉(zhuǎn)變數(shù)值模擬[J].中國電機工程學(xué)報，2012,32(14):65-70.

[4]于勇,張俊明,姜連田. FLUENT入門與進階教程[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社,2008.

[5]龍?zhí)煊?蔡增基. 流體力學(xué)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2004.

*基金項目：國家自然科學(xué)基金(50976049)，江蘇省自然科學(xué)基金(BK2011788)。

作者簡介鮑敬云，男，注冊安全工程師, 從事安全管理、應(yīng)急管理、風(fēng)險分析工作。

(收稿日期：2015-04-30)

Numerical Analysis on the Properties of Flue Gas in Inlet Duck of Bag Filter

BAO Jingyun1ZHANG Hairu2YU Xianqun3

(1.Safety&SecurityTeam/SecurityPart,LG.Display(Nanjing)Co.,Ltd.Nanjing210046)

AbstractIn this paper, the software FLUENT is used to conduct studies on the bag filter inlet duck, the k-ε turbulent model is applied to simulate the flowing properties of compulsory convection under extreme weather in winter and the velocity, temperature and pressure distribution of sections in flue duct is discussed in detail. The results show that the temperature is still higher without conservation materials, the rate of temperature is 0.2 ℃/m in straight duct and 0.5 ℃/m in bend pipes, the temperature of outlet is increased rapidly with the flue states and the bend pipes are scoured fiercely.

Key Wordsductflow propertynumerical analysis