劉柏謙，曾國梁，李江瑩，馬 娟

(北京科技大學(xué) a.能源與環(huán)境工程學(xué)院；b.北京高校節(jié)能與環(huán)保工程研究中心；c.自動化學(xué)院，北京 100083)

隨著更加嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[1]的提出和實施，中國開始面對的除塵器問題不僅包括如何適應(yīng)粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)，還需要面對如何有效降低PM2.5的問題.不僅要解決粉塵排放量的問題還要解決粉塵排放質(zhì)的問題.

除塵過程由除塵器執(zhí)行，中國火力發(fā)電廠除塵以靜電除塵器為主，極少數(shù)發(fā)電鍋爐使用布袋除塵器[2].但普通的靜電除塵器[3]無法滿足日益嚴(yán)格的粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)，最初的改造是改變用電等級，使除塵過程變?yōu)楦吣芎倪^程.布袋除塵器雖然可以滿足粉塵排放要求，但布袋壽命、對溫度敏感和布袋成本高等缺點制約著布袋除塵器的應(yīng)用.此外，廢布袋處理也是令人無所適從的技術(shù)困難.

除了靜電除塵器和布袋除塵器外，還有水洗、過濾等機理構(gòu)造的除塵器，如沖擊水浴除塵器[4]、噴淋塔、移動顆粒床等除塵器.其中顆粒床除塵器被認(rèn)為既能適應(yīng)高溫除塵也能適用于常溫除塵的廉價除塵器.所謂廉價，一方面是因為造價低廉，另一方面是因為運行費用低廉.

與高溫條件下的旋風(fēng)除塵器[5]不同，顆粒床除塵器要求氣固分離過程提供很大的迎風(fēng)面積以降低操作風(fēng)速提高分離效率.由于迎風(fēng)面積大，含塵氣體來流均勻性就成為制約移動顆粒床除塵器工作的重要因素.保證所有迎風(fēng)顆粒的氣流速度相同的關(guān)鍵是要在迎風(fēng)顆粒前形成等壓面，由于移動顆粒床的迎風(fēng)顆粒受到百葉窗葉片的制約，在迎風(fēng)顆粒前形成絕對的等壓面是不現(xiàn)實的.如何在迎風(fēng)顆粒面前形成壓力波動小的準(zhǔn)等壓面，就成為移動顆粒床氣固分離過程的重要基礎(chǔ)研究內(nèi)容.

為了獲得能形成準(zhǔn)等壓面的氣體流動結(jié)構(gòu)，本文試驗了不同氣流分配結(jié)構(gòu)，獲得了特定進(jìn)口結(jié)構(gòu)下氣體速度波動最小的導(dǎo)流板布置方式和導(dǎo)流板數(shù)量.

1 移動顆粒床

移動顆粒床核心部件是一組對稱布置的百葉窗，百葉窗之間是依靠重力下落的濾料顆粒.含塵氣體穿過移動顆粒床時，粉塵被濾料顆粒捕集下來，氣體成為干凈氣體.

圖1是臺灣核能研究院使用的移動顆粒床示意圖，其核心部件是帶有次級百葉窗的百葉窗，次級百葉窗旨在消除濾料顆粒的下降死區(qū).百葉窗上游是一組旨在均勻分布來流氣體的導(dǎo)流板(圖中的baffles)，經(jīng)驗可知，這種3個葉片的導(dǎo)流板只能用于小型試驗臺，不能用于工業(yè)過程.一方面是因為工業(yè)移動顆粒床體積很大，氣體流量很大.另一方面是因為工業(yè)裝置布置在特定條件下，氣體管道難免出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，有限空間里不容易形成準(zhǔn)等壓面.

圖1 顆粒層除塵器

2 移動顆粒床入口

研究表明，移動顆粒床除塵器入口速度分布是不均勻的，氣流不均勻分布將直接影響除塵性能.與除塵器研究相比，除塵器入口結(jié)構(gòu)和工作方式的研究十分薄弱，只有很少文獻(xiàn)專門研究除塵器進(jìn)口對除塵器工作過程的影響.

Kouri等[6]和Stikkelman等[7]研究了填充床進(jìn)口結(jié)構(gòu)，采用不均勻系數(shù)表征氣流分布的不均勻性，實驗結(jié)果顯示氣流是否均勻取決于進(jìn)口類型、填料種類和填料布置方式.

Hsu等[8-9]研究了進(jìn)口結(jié)構(gòu)對移動顆粒床氣固分離過程的影響，通過導(dǎo)流板尺寸和布置方式研究氣流分布均勻性.通過調(diào)整導(dǎo)流板尺寸和布置方式可以獲得比較均勻的氣流分布.

事實上，至少在上世紀(jì)60年代Johanson[10-12]已經(jīng)清晰認(rèn)識到導(dǎo)流板對氣體流動的重要性.

為獲得優(yōu)良的交叉流移動顆粒床除塵器性能，本文以交叉流移動床顆粒層除塵器(圖1)為原型[13-15]，研究進(jìn)口結(jié)構(gòu)對氣流分布的影響，尋找獲得盡可能均勻分布的導(dǎo)流結(jié)構(gòu).

3 均勻性評價指標(biāo)

以1臺10 t/h工業(yè)鍋爐氣固分離過程為對象，研究進(jìn)口結(jié)構(gòu)對移動顆粒床進(jìn)口氣流均勻性的影響.10 t/h鍋爐煙氣量為30 000 m3/h，為獲得滿足氣固分離過程的表觀氣流速度，選擇進(jìn)口尺寸9 m×5 m×2 m.如圖2所示.

圖2 入口系統(tǒng)示意圖

工業(yè)經(jīng)驗已經(jīng)證明，在無導(dǎo)流板情況下氣流是不可能均勻分布的.導(dǎo)流板可以直接削弱氣流的峰谷差值，導(dǎo)流板數(shù)量和加裝方式是削弱氣流峰谷差值的關(guān)鍵.因此，本研究在確定的進(jìn)口氣體通道結(jié)構(gòu)下，研究導(dǎo)流板數(shù)量(3,5,7,9個)和布置方式(長度和傾角)對氣流均勻分布的影響.數(shù)值計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，入口邊界條件為速度入口(10 m/s)，出口條件為outflow，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，導(dǎo)流板寬度20 mm.采用氣體速度分布的標(biāo)準(zhǔn)差、不同位置間的氣體速度差和氣體速度的相對百分比量化氣體速度分布的均勻性.

3.1 氣體速度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差

量化氣體速度分布均勻性的氣速分布標(biāo)準(zhǔn)偏差

(1)

3.2 兩組測點平均速度差

任意兩點之間的速度差表明氣流分布的局部不均勻性.將35個測點按5個一組分為7組，每組的平均值分別為VF1，VF2，VF3，VF4，VF5，VF6，VF7.6組平均值之間的差值ΔV也可驗證氣體速度分布的均勻性，即

ΔV=|VFi-VFi+1|，

(2)

式中i=1～6，ΔV越小表明氣體速度分布越均勻.

4 結(jié)果與討論

4.1 導(dǎo)流板數(shù)量及角度對氣流均勻性影響

圖3給出導(dǎo)流板數(shù)量對氣流均勻分布的影響.圖3發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[3-4]中的平臺結(jié)構(gòu)是造成氣流不均勻的重要原因，這個平臺形成了速度突變區(qū)，對下游除塵過程造成不良影響應(yīng)該舍棄.

模擬中采用的導(dǎo)流板傾角為，中間導(dǎo)流板(3 100 mm)傾角為0°，圖3(a)導(dǎo)流板傾角20°；圖3(b)導(dǎo)流板傾角為20°，40°；圖3(c)導(dǎo)流板傾角為10°,20°，35°；圖3(d)導(dǎo)流板傾角為8°，16°，24°，36°.

圖3 不同數(shù)量導(dǎo)流板的速度分布

由圖3可見，導(dǎo)流板數(shù)量增加使氣流分布更加均勻.此外，導(dǎo)流效果在導(dǎo)流板后延長一段距離.

根據(jù)圖3的結(jié)果，取消圖2(a)中的平臺結(jié)構(gòu)，將入口尺寸改為10 m[圖2(b)]，重新模擬9個導(dǎo)流板進(jìn)口結(jié)構(gòu)，見圖4.

圖4 9個導(dǎo)流板的速度分布

圖4(a)中上下導(dǎo)流板的角度為10°，20°，30°，50°，圖4(b)中上下導(dǎo)流板的角度為10°，20°，30°，47°，圖4(c)中上下導(dǎo)流板的角度為10°，20°，30°，45°，圖4(d)中上下導(dǎo)流板的角度為10°，20°，30°，40°.圖4(e)給出距離入口5 000 mm處氣體速度分布情況.圖中可見，中部氣流分布相對均勻，但兩側(cè)氣流速度非常大，這是由于兩側(cè)導(dǎo)流板距離壁面較近的緣故所致.

根據(jù)上述結(jié)果，嘗試調(diào)整從導(dǎo)流板傾角以期獲得均勻的氣流分布，結(jié)果見圖5.

圖5 9個導(dǎo)流板角度改變后的速度分布

圖5(a)中上下導(dǎo)流板的角度為15°，25°，35°，45°，圖5(b)中上下導(dǎo)流板的角度為15°，25°，35°，50°，圖5(c)中上下導(dǎo)流板的角度為15°，25°，35°，50°(改變了最外側(cè)導(dǎo)流板的起始位置)，圖5(d)中上下導(dǎo)流板的角度為15°，25°，35°，52°.模擬結(jié)果表明改變導(dǎo)流板角度對氣流均勻性有很大的影響，圖5(e)是距離入口6 000 mm處氣體速度分布情況，可以看出上下導(dǎo)流板的角度為15°，25°，35°，45°時，氣流的局部速度差最小為0.8 m/s，并且兩側(cè)的速度值也是最小的，要想在這個基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高氣流均勻性，就要在導(dǎo)流板的起始位置以及導(dǎo)流板形狀上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整.

圖6 弧形結(jié)構(gòu)的速度及壓力

鑒于以上模擬結(jié)果，對導(dǎo)流板重新優(yōu)化后，導(dǎo)流板角度仍然為0°，15°，25°，35°，45°，兩側(cè)8個導(dǎo)流板的起始端在半徑為1.1 m的圓弧，并在末端加入一小段圓弧進(jìn)一步導(dǎo)流，所有導(dǎo)流板的延長線交于圓弧的圓心，中間導(dǎo)流板長4 m，起始位置在橫向1 m處，導(dǎo)流板的弧度起于橫向4 m(即折角位置)處，所有導(dǎo)流板終止位置均在同一豎直線上.得到如圖6所示結(jié)果，可以看出此次結(jié)果較為理想，并且壓力分布非常均勻.在導(dǎo)流板后側(cè)加一段弧形設(shè)計，并且導(dǎo)流板起始位置按照弧形排列將更利于氣流分布的均勻性.圖6(c)，圖6(d)是距離入口6 000 mm(line-6)，7 000 mm(line-7)和8 000 mm(line-8)處速度分布圖和各組測量點之間的速度差.3個位置的Sd分別為0.194,0.258,0.714.

4.2 氣固兩相流模擬結(jié)果

對于動力顆粒床入口，粉塵被氣流裹挾進(jìn)入顆粒床，因此，為了更好的反應(yīng)真實狀況，需要對顆粒床入口進(jìn)行氣固兩相流模擬，以了解加入顆粒后對入口氣流均勻性及壓降所造成的影響，從而確定導(dǎo)流板各項參數(shù)的合理性.

邊界條件同上，壁面條件為無滑移壁面，壓力-連續(xù)方程采取二階格式，動量、湍動能、湍流耗散率均采取二階迎風(fēng)格式，離散相采用DPM模型，顆粒速度同氣流速度，顆粒密度取2 100 kg/m3，顆粒粒徑從1～100 μm分為10個區(qū)間.

圖7 不同粒徑顆粒軌跡及入口壓降圖

在入口加入導(dǎo)流板的情況下，不同粒徑顆粒仍可保證有序的摻混，如圖7(a)所示，也就是說，導(dǎo)流板的存在可以促進(jìn)含塵氣流內(nèi)灰塵顆粒的均勻性分布，不會造成顆粒的分層現(xiàn)象.同時，有顆粒的情況下，入口壓降也在一個可接受的范圍內(nèi)，如圖7(b)所示.因此，通過以上所有的模擬及分析，確定加入的導(dǎo)流板的各項參數(shù)均滿足要求.

綜合以上結(jié)果表明：以上入口導(dǎo)流板設(shè)計完全滿足氣流均勻性要求，消除了入口不均勻分布對除塵性能的影響，并且隨著橫向距離的變大，氣流分布均勻性更理想.

5 結(jié)論

本文對動力顆粒床入口進(jìn)行了新的優(yōu)化設(shè)計，對進(jìn)口氣流分布進(jìn)行了一系列的模擬，通過新的設(shè)計解決氣流分布不均的問題，導(dǎo)流板的角度、啟始位置以及長度都是影響進(jìn)氣系統(tǒng)的重要參數(shù)，采用氣體速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差、測量點速度以及測量組速度差的指標(biāo)對進(jìn)氣速度進(jìn)行測量和分析，經(jīng)過以上模擬對比得出動力顆粒床入口尺寸及導(dǎo)流板位置、尺寸的最佳參數(shù)為：入口總高度為9 m，進(jìn)口為2 m，總長度為7～8 m，中間導(dǎo)流板長3.6 m，起始位置在橫向1 m處，其余導(dǎo)流板是在半徑為1.1 m的圓周上以15°，25°，35°和45°依次排開，并且所有導(dǎo)流板的起始延長線在圓心處相交，導(dǎo)流板的弧度起于橫向4 m(即折角位置)處，導(dǎo)流板的寬度均為20 mm，所有導(dǎo)流板終止位置均在同一豎直線上.

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