雷鑒琦

（大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130102）

0 引言

選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）脫硝裝置及低溫省煤器在發(fā)電廠運行過程中長期處于高溫高塵煙氣環(huán)境當中。催化劑嚴重磨損失效、低溫省煤器泄露，會給燃煤發(fā)電機組安全運行帶來較大風險。分離器是SCR脫硝裝置、煙道尾部除塵器中預除塵的關鍵設備，對其參數(shù)設置及性能進行研究具有重要意義。

撞擊式分離器常布置在鍋爐過熱器水平煙道區(qū)段。最早用于循環(huán)流化床鍋爐(circulating fluidized bed boiler，CFBB）的撞擊式分離器是迷宮撞擊式分離器。第三代CFBB的設計則是將全部U形梁慣性分離器布置在爐膛出口附近，避免了高溫返料機構(gòu)的使用，使系統(tǒng)大為簡化。

文獻[1]提出了方形臥式分離器，通過方案比較和經(jīng)濟性評價論證了其在低循環(huán)倍率鍋爐改造中應用的優(yōu)勢。

文獻[2]對半圓管慣性分離器進行了數(shù)值模擬，在計算氣固兩相流場的基礎上，分析了阻擋件的磨損問題。

文獻[3]提出百葉窗式分級分離方案：用百葉窗對粗顆粒進行分離，用旋風分離器來分離百葉窗尾部濃縮的含塵氣流。

文獻[4]提出了一種新型的帶鉤槽形管式分離器，并采用RSM（Reynolds stress models）模型耦合DPM（discrete phase model）模型進行兩相流數(shù)值模擬，最后通過冷模實驗平臺進行了實驗驗證。研究結(jié)果表明，分離器壓降主要受風速的影響，受元件間距、顆粒密度等因素影響不大。

文獻[5]使用數(shù)值方法研究了 SCR反應器入口槽型慣性分離器的性能與形狀、節(jié)距等結(jié)構(gòu)因素之間的關系，并通過多指標正交實驗優(yōu)化得到分離器結(jié)構(gòu)最佳參數(shù)。

目前，關于沖擊慣性式分離器的研究應用主要集中于CFBB方面，涉及到的分離器構(gòu)型有凹形、U形、V形等。關于帶鉤波紋板煙塵慣性分離器方面的研究未見報道。

本文研究對象為大型燃煤鍋爐尾部SCR脫硝設備及除塵器入口水平煙道裝設的帶鉤波紋板煙塵慣性分離器。研究目標是實現(xiàn)對高溫煙氣進行初步除塵，緩解下游設備的磨損、堵塞等問題。研究方式為：對多種設計方案的分離器兩相流場進行數(shù)值模擬；在此基礎上，對重要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，最終提出預除塵方案。

1 建立數(shù)值模擬模型

1.1 簡化假設

在實際運行過程中，波紋板除塵器內(nèi)部含塵煙氣在通道內(nèi)表現(xiàn)出三維、黏性、非定常的復雜流動過程。同時，波紋板除塵器葉片的高度要遠遠大于其寬度，且葉片之間流體通道具有重復性。因此，在實際模擬過程中需要做簡化處理。

選取某一個除塵通道作為模擬對象，進行二維數(shù)值模擬。

綜合考慮計算量和計算精度等因素，在誤差允許范圍內(nèi)，對模型做出如下假設[6]：

（1）氣相視為不可壓縮流體。

（2）氣相流動視為定常流動。

（3）流體溫度設為常數(shù)。

（4）煙塵顆粒模型設為硬球模型。

1.2 計算區(qū)域

模型計算選用的板型如圖1所示。

圖1 帶鉤波紋板除塵器二維結(jié)構(gòu)模型Fig.1 2D structure model of corrugated plate dust collector with hook

本次計算固定了鉤片部分尺寸。計算所需結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 波紋板結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of corrugated plate

1.3 計算方法及網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分方面，近壁面網(wǎng)格選擇四邊形網(wǎng)格，其余部分采用三角形平鋪網(wǎng)格。近壁面第一層網(wǎng)格厚度為0.05 mm，邊界層網(wǎng)格設置為3層。

由前期數(shù)值計算的結(jié)果和經(jīng)驗可知，在鉤片附近，速度、壓力梯度變化較大[5]。所以，該處應采用較為密集的網(wǎng)格布置方式，以保證計算精度。

本文選用能較好處理強旋及彎曲流動問題的重整化群k-ε模型[7]對氣、固兩相流進行雙向耦合計算。

為保證數(shù)值模擬的可靠性，需對網(wǎng)格無關性進行檢驗。為考察網(wǎng)格數(shù)量對波紋板除塵器分離效率、壓力損失的影響，以板間距為30 mm、葉片轉(zhuǎn)折角度為120°、鉤片個數(shù)為7的波紋板除塵器為例，進行了計算。計算結(jié)果如表2所示。

表2 網(wǎng)格數(shù)的無關性驗證結(jié)果Tab.2 Verification results of irrelevance of grid number

從表 2結(jié)果可以看出：網(wǎng)格數(shù)量不低于 320萬時，可消除網(wǎng)格數(shù)量引起的離散誤差。

1.4 計算條件

計算流體介質(zhì)選取 367 ℃時的煙氣-飛灰系——煙氣為連續(xù)相，飛灰為離散相。

高溫煙氣密度為0.559 7 kg/m3，動力粘度為3.146×10-5N·s/m2。飛灰堆積密度 750 kg/m3，真實密度1 500～2 000 kg/m3。

進口條件：高溫煙氣擴容后，煙氣流速減小為5.96 m/s；飛灰顆粒與煙氣同速，并在入口截面均勻分布。

出口條件：煙氣湍流充分發(fā)展，飛灰逃逸。

2 計算工況設計及極差分析

2.1 正交實驗設計及結(jié)果

帶鉤波紋板煙塵慣性分離器的主要性能指標為分離效率η、壓力損失ΔP。

式中：Ntr為捕捉到的飛灰顆粒量；Nes為逃逸的飛灰顆粒量；P1、P2分別為分離器進、出口靜壓。

采用正交實驗設計方法[8]計算。選定板間距、葉片轉(zhuǎn)折角度、鉤片數(shù)3個因素作為研究對象；每個因素選取3個典型數(shù)值；設計了3因素3水平正交模擬方案[9]。

不同方案帶鉤波紋板煙塵慣性分離器的性能主要指標模擬結(jié)果如表3所示。

表3 L9(33)正交表及模擬結(jié)果Tab.3 L9(33)orthogonal table and simulation results

2.2 極差分析

根據(jù)正交原理，由所得的試驗數(shù)據(jù)分析3因素對效率及壓降的影響，得到極差分析結(jié)果如表4所示。

表4 分離效率和壓力損失的極差分析Tab.4 Range analysis of separation efficiency and pressure loss

從表4所示的極差分析結(jié)果可以看出：轉(zhuǎn)折角度α對分離效率影響最大，鉤片個數(shù)n影響次之，板間距L影響最小。鉤片個數(shù)n對壓力損失影響最大，轉(zhuǎn)折角度α次之，板間距L影響最小。

將分析因素分別用A、B、C表示：A表示板間距L，B表示鉤片個數(shù)n，C表示轉(zhuǎn)折角度α。

對于分離效率而言，因素C是其最主要影響因素，取水平3分離效率達到最大值；因素A和B對分離效率的影響幾乎相同，分別取水平1和水平3效率達到最大。所以，要使分離效率最高，最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為A1B3C3，即：板間距L=30 mm、鉤片個數(shù)n=7、轉(zhuǎn)折角度α=120°。

對于壓力損失而言，因素B是其首要影響因素。為使得壓力損失最小，B因素取水平1；C因素影響次之，取水平1；A因素對壓力損失影響最小，取水平3。所以，使得壓力損失最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為A3B1C1，即：板間距L=40 mm、鉤片個數(shù)n=3、轉(zhuǎn)折角度α=60°。

為了滿足工程實際中對壓力損失小于500 Pa的要求，根據(jù)2指標的綜合影響，結(jié)合表2的模擬結(jié)果，“較優(yōu)工況”的分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)為：板間距L=35 mm、鉤片個數(shù)n=3、轉(zhuǎn)折角度α=120°。

3 模擬計算結(jié)果及分析

3.1 轉(zhuǎn)折角度對分離性能的影響

方案5和方案8的煙塵顆粒跡線如圖2所示。

圖2 方案5與方案8顆粒軌跡的比較Fig.2 Comparison of particle trajectories between case 5 and case 8

由極差分析結(jié)果和圖2可知，隨著轉(zhuǎn)折角度α的增加，除塵效率增加。原因分析：隨著波紋板轉(zhuǎn)折角度的減小，氣流通過波紋板轉(zhuǎn)彎處時的曲率半徑減小，氣流所受的慣性離心力增大；同時，由于飛灰尺寸較小，所以其對氣流的跟隨性較好，飛灰更容易跟隨氣流繞過鉤片在通道內(nèi)流動，被捕集的可能性減小。當轉(zhuǎn)折角度較大時，氣流所受慣性力減小，飛灰更容易被鉤片攔截，除塵效率增大[10]。

氣流在除塵器通道內(nèi)的偏轉(zhuǎn)程度受限于轉(zhuǎn)折角度的變化。當轉(zhuǎn)折角度增大時，會逐漸有更多的煙氣被鉤片攔截，局部壓力損失增大。

3.2 鉤片個數(shù)對分離性能的影響

將3個鉤片和5個鉤片2種不同板形下煙氣速度云圖進行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 方案1與方案4速度云圖的比較Fig.3 Comparison of velocity contour between case 1 and case 4

由極差分析可知，除塵器的效率隨鉤片個數(shù)的增加而增加。首先，隨著鉤片個數(shù)的增加，氣流在通道中經(jīng)過的轉(zhuǎn)折處、鉤片個數(shù)增多，所以其被攔截的次數(shù)增多，顆粒被捕集的可能性增大，導致分離效率增加。其次，整個流場的回流區(qū)域增大，使得飛灰進入回流區(qū)域更容易與主流分離，所以捕集效率會增加。

從圖3可知：鉤片個數(shù)是影響系統(tǒng)壓力損失最主要的因素。壓力損失主要發(fā)生在流道的轉(zhuǎn)折部分和鉤片位置。在鉤片位置處，漩渦回流的存在使得煙氣湍動能耗散增大，壓力損失增大。同時，鉤片個數(shù)的增加也會導致整個除塵器耗材增加；這不利于實際應用。

3.3 板間距對分離性能的影響

除塵效率隨板間距的增大而減小，其原因是：板間距的增大使得介質(zhì)在通道中的流通面積增大，氣流在速度方向變化趨于平緩；飛灰因?qū)饬鞯母S性變好而不易脫離氣流，因此分離效率降低。由于離心力與質(zhì)量成正比，所以對于質(zhì)量較大的飛灰顆粒，在通道的板間距較小的情況下，其被捕集的可能行大大增加。但是，過小的板間距意味著通道的增多、耗材增加，設備重量隨之增大。

板間距對除塵器進出口壓降有明顯影響——隨著L的增加，壓降呈現(xiàn)下降趨勢。較小的葉片間距會對通道內(nèi)的氣流產(chǎn)生較大的約束作用，使氣流受阻，因此局部壓力損失較高；葉片間距較大時，則情況剛好相反。

高溫煙氣黏性很大。顆粒在通道內(nèi)被捕集后會粘附在壁面。這種情況在鉤片部位尤為突出：長時間運行后，顆粒會在鉤片部位堆積，從而導致通道阻塞。所以，板間距過小會使阻塞程度增加，從而降低除塵效果。

3.4 帶鉤波紋板二維全流場分析

以前面給出的較為優(yōu)化的組合參數(shù)工況為算例，進行二維全流場模擬。全流場速度云圖和粒子跡線圖如圖 4、5所示，局部放大圖如圖 6、圖 7所示。由于服務器計算能力的限制，只模擬1/2流場，即180個波紋板通道，進口長度為6.335 m。

圖4 較優(yōu)工況下板間全流場速度云圖Fig.4 Velocity contour of the whole flow field under optimal conditions

圖5 較優(yōu)工況下板間全流場煙塵軌跡圖Fig.5 Particle trajectory of the whole flow field among plates under optimal conditions

圖6 全流場速度局部放大圖Fig.6 Local enlarged view of the whole flow field velocity

圖7 全流場煙塵軌跡局部放大圖Fig.7 Local enlarged view of particle trajectory in the whole flow field

從圖4、圖6可以看到，在煙氣流經(jīng)鉤片位置時：

一部分氣流進入到鉤片內(nèi)部。由于鉤片的攔截作用，煙氣速度迅速降為較低值。盡管鉤片內(nèi)部速度很低，但是由于此處固體顆粒依舊具有很高的慣性速度，因而在鉤片內(nèi)部，顆粒濃度逐漸增大。由于高溫煙氣的黏性很大，所以煙氣中小顆粒會逐漸聚并成大顆粒，最終在重力作用下垂直掉入底部灰斗里。

另一部分氣流繞過鉤片。由于鉤片的存在，實際通流面積減小，煙氣流速增加，速度最大處會達到16 m/s。經(jīng)過鉤片后，這部分氣流的通流面積增大，速度逐漸減小，恢復到進入第1個轉(zhuǎn)折時的速度。在速度分布逐漸均勻后，煙氣遇到第2個鉤片，氣流再次分為2部分。如此往復，直至氣流離開最后一個鉤片。到達出口階段，煙氣再次混合均勻，以均勻分布的速度流出分離器。

從圖5、圖7可以看到，在經(jīng)過第一個轉(zhuǎn)折時，由于離心力的作用，粒子被甩到右側(cè)壁面。此處粒子濃度稍高。從速度云圖中已經(jīng)得知，煙氣在經(jīng)過第二個轉(zhuǎn)折處時，會有漩渦回流出現(xiàn)。漩渦回流的存在，一方面會使實際流通面積減小、流速增大，進而提高分離效率；所以在漩渦強度不是很大、對流動的影響程度較弱的前提下，可以認為回流區(qū)的存在是有利的。但另一方面，如果回流的存在使流速過大，則容易引起已經(jīng)被攔截的顆粒再次進入氣流形成二次夾帶現(xiàn)象；這樣會使分離效率明顯下降。

從粒子軌跡圖還可以看到，煙氣中的顆粒在第一個鉤片處被捕集得最多，越靠后的鉤片捕集的粒子數(shù)越少。因此，并非鉤片個數(shù)越多，除塵效率越高；而且，鉤片個數(shù)的增加會使系統(tǒng)壓降增大，能耗增加。

4 結(jié)論

本文對帶鉤波紋板煙塵慣性分離器性能的影響參數(shù)進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)論如下。

轉(zhuǎn)折角度α對分離效率影響最大，鉤片個數(shù)n影響次之，板間距L影響最小。

鉤片個數(shù)n對壓力損失影響最大，轉(zhuǎn)折角度α次之，板間距L影響最小。

綜上，為了保證在允許壓力損失范圍內(nèi)盡可能提高除塵器的效率，葉片轉(zhuǎn)折角度不宜過小，鉤片個數(shù)不宜過多。