电-袋除尘器运行仿真数学模型.pdf

电- 袋除尘器运行仿真数学模型 胡满银 张瑞英 华北电力大学环境科学与工程学院, 河北 保定 071003 摘要 以 300MW 机组的电-袋除尘器系统为研究对象, 通过对系统机理的研究, 建立烟气参数模型、电除尘器本体 结构参数模型、电除尘器运行性能参数模型、袋式除尘器本体结构参数、袋式除尘器运行性能参数模型、电-袋除尘器 总除尘效率等一系列相应的仿真数学模型。 并在仿真数学模型的基础上, 开发了运行仿真软件, 可以对系统运行、维 护和人员培训等方面提供参考。 关键词 电-袋除尘器 数学模型 仿真 0 引言 在我国的电力行业中, 燃用高灰分 、 低硫分的煤 必定会造成除尘器入口烟气含尘浓度升高,烟尘比电 阻偏大 一般10 11 Ψ cm ,不利于电除尘器集尘, 而 单靠袋式除尘器除尘其缺点是初始含尘量越高系统 阻力越高, 布袋易损 , 由于电除尘器和袋式除尘器自 身难以克服的缺点, 单独依靠某一除尘设备进行除 尘,已越来越不能满足日益严格的环保要求 ,而两者 组合时能弥补各自的缺点 。 1 电-袋除尘系统简介 在一个除尘器内 ,其前端设置电场 阴、 阳极 ,在 后端设置布袋。当烟气通过电场时 ,烟气中的大部分 粉尘将被电场收集 仅需一般电除尘器电场的 1 3～ 1 5 ,含有少量粉尘的烟气进入后部布袋 。这样, 袋 式除尘器的阻力将大幅度降低 ,而且由于烟气中的含 尘量小, 布袋的清灰频率可降低, 布袋寿命可达 4 年 以上 。 2 数学模型 2. 1 烟气参数模型 2. 1. 1 锅炉蒸发量模型 Ws0. 5 1 1 RndWe10 Rnd 1 式中 Ws 实际蒸发量, t h; We 额定蒸发量 ,t h ; Rnd 随时间从 0 到 1变化的随机函数 。 2. 1. 2 燃煤灰分模型 AY AY01 Rnd 2 式中 A Y 实际燃煤灰分 , ; A Y0 燃煤灰分基量, 从 14 ～ 40可调 。 2. 1. 3 入口烟气量及入口烟气含尘浓度模型 此模型与锅炉的蒸发量和燃煤中的灰分有关 ,据 此建式 3 、式 4 模型。 Qi1 920 W AY 100 100 27 3 Ci1W 10 000 AY 7 Qi1 4 式中 Qi 入口烟气量 ,m 3 h; Ci1 入口烟气质量浓度,g m 3 。 2. 1. 4 粉尘平均粒径和比电阻模型 dp dp0Rnd 1 5 式中 dp 实际粉尘平均粒径,μ m ; dp0 粉尘平均粒径基量 ,μ m ,从 10 ～ 30 μ m 可调 。 ρ 7 2. 9 Rnd10 x 6 式中 ρ 实际粉尘比电阻 ,Ψ cm ; x 粉尘比电阻的数量级 ,从 8～ 12 可调 。 2. 1. 5 入出口烟气温度模型 入口烟温 t入t入0- 1 -W s We60 7 式中 t入0 锅炉满负荷时入口烟气温度, ℃; Ws 锅炉的实际蒸发量, t h, 50～ 100 负荷 ; We 锅炉额定蒸发量 ,t h。 出口烟温 t出t出0- 1 -W s We20 8 式中 t出0 锅炉满负荷时出口烟气温度, ℃; t出 出口烟气温度 , ℃。 2. 2 电除尘器模型 电除尘器本体结构参数包括 4 个供电分区, 双 54 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 进、 双出口 ,4个灰斗 ,线间距 2c 0. 5 m ,采用大 C 型 板 RS 芒刺线的线结构 , 进气烟箱设 3 层气流均布 板,出气烟箱设一层槽形板 ,选取电场的长、宽 、 高分 别为 电场长度 L 2 4 m ,电场宽度 B 29. 2 m, 高度 H 12. 5 m,并且在一定范围内可调 。这 3个参 数直接影响着电除尘器的截面积和收尘面积 ,从而对 电除尘器的收尘性能产生影响 ,因为漏风量、窜气量、 气流分布均匀性、二次扬尘和电除尘器本体结构有 关,所以建立如下模型 2. 2. 1 漏风量及漏风率模型 一般要求电除尘器的漏风率95。建模时将窜气量对电除尘器性 能的影响通过对除尘效率的修正来体现 。非理想修 正因子中的一项 KC即是窜气量修正系数 ΔQcQiRnd 1 11 KcQi QiΔQc 12 式中 ΔQc 窜气量,m 3 h; Kc 窜气量修正系数。 2. 2. 3 气流分布均方根值模型 气流分布均匀性也专门列为一项修正系数加入 到电除尘器除尘效率公式总非理想修正因子中。 Kσ500 500 σ 13 σRnd 0. 5 14 式中 Kσ 气流分布不均修正系数; σ 气流分布不均随机波动函数。 2. 2. 4 二次扬尘模型 粉尘二次飞扬所产生的损失有时可高达已沉积 粉尘的40～ 50。模型中采取的是通过经验数据 对电除尘器除尘效率公式进行非理想修正的方法。 二次扬尘及其修正因子为 MiCi1Qi 1 000 15 ΔM Rnd Mi0. 4 16 KMMi MiΔM 17 式中 ΔM 二次扬尘量 ,kg h; Mi 烟气中总的含尘量,kg h; KM 二次扬尘修正系数。 2. 2. 5 振打控制模型 清灰效果不仅与施加的振打力有关 ,而且与振打 周期也有密切的关系。停振时间过长, 粉尘堆积过 厚,会使阴阳极之间的电压降低; 振打过于频繁,容易 产生二次扬尘, 二者均会影响除尘效果。因此, 选择 合适的振打周期 ,将有助于更好地清灰和提高除尘效 率。目前, 振打周期的确定 ,均建立在实验和经验的 基础上。本模型阴极振打周期 Tk设定为 TkTk1i Tk2 18 式中 Tk1 阴 极振 打时 间, min, 一 般取 5 ～ 10 min; Tk2 第一电场阴极停振时间 ,min,一般取 5～ 10 min; i 表示第 i 电场。 阳极振打周期 Tai设定为 TaiTai1Tai2N ν D δ i 19 式中 Tai1 第 i 电场阳极振打时间 ,min ; Tai2 第 i 电场阳极停振时间 ,min ; N 阳极板允许连续振打次数, 一般取 2 ～ 5次 ; ν 阳极振打轴转速 ,r min ; D 阳极板允许连续积尘最大厚度 ,10 ～ 20 mm; δ i 表示第 i 电场阳极板的实际积尘率, mm min。 2. 2. 6 电场风速及粉尘驱进速度模型 电场风速与烟气量和除尘器截面积有关 ,粉尘驱 进速度是电除尘器设计的关键因素 ,粉尘粒径、电场 风速与驱进速度有一定的关系, 据此建立式 20 模型 。 V 2 QiΔQ1 2 3 600 F 20 ω i0. 01 dp 0. 5 40 -i 10 V 21 式中 V 电场风速,m s; F 电除尘器截面积 ,m 2 ; ω i 与自然沉降等值的驱进速度,m s; i 表示第几电场。 2. 2. 7 分级除尘效率与总效率模型 由于影响电除尘器除尘效率的因素很多 ,十分复 杂。关于电除尘器效率的理论计算公式 ,国内外学者 55 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 也进行了长期的研究 。其中 1922 年 Deutsch 提出的 公式被认为是最经典的公式, 见式 22 。 η1 -exp -A ω Q 22 Deutsch 公式是在许多假定条件下导出的纯理论 公式 ,许多学者从不同角度提出了各种对 Deutsch 公 式的修正 ,主要是把尘粒的驱进速度修正为有效驱进 速度 。而对工程应用最有效的是把供给电除尘器的 有效电晕功率与驱进速度相联系。根据 White 的推 导,可得到明确指出除尘效率与供电质量之间关系的 公式 23 。 η1 -exp -k P Q 23 White 公式没有考虑当电除尘器的高压部分尚未 投加时,电除尘器仍可作为一个庞大的重力沉降室而 具有的除尘效率 。据有关资料表明这一效率可达 40甚至 50以上。本模型对 White 公式进行了修 正。修正后的公式为 η i{ 1 -exp[ - k Pi3 600 Q ωi ]}100 24 式中 ηi 各电场分级除尘效率 , ; Q 处理烟气量 ,m 3 s; ωi 各电场自然沉降效率修正系数 ; k White 公式参数, k 0. 006; Pi 电除尘器某一级电场 i 的电晕功率, W。 其中电除尘器某一级电场 i 的电晕功率Pi的计 算公式中体现了粉尘比电阻的修正 。 PiI2 iU2 iKP i 25 式中 I2 二次电流; U2 二次电压; Kp i 电晕修正系数, KP i1 -0. 012log10ρ 26 ηT[ 1 - 1 -η 1 1 -η2 ] 100 27 ηKfηT 28 式中 η T 电除尘器总的理想除尘效率 , ; η 电除尘器总的非理想除尘效率, ; Kf 总的非理想修正因子,为各种非理想修 正因子之积。 KfKσKcKM 29 这 3 个修正因子分别为 气流分布不均修正系 数、 窜气量修正系数 、 二次扬尘修正系数 ,其计算方法 分别见前面相关内容 。 2. 2. 8 出口烟气含尘浓度模型 出口烟气含尘浓度是根据进口烟气浓度及电除 尘器总的除尘效率换算出来的 ,见式 30 。 Co1Ci1 1 -η 1 000 30 式中 Co1 电除尘器出口烟气含尘质量浓度,mg m 3 。 2. 3 袋式除尘器模型 布袋直径设计为 D 130 mm ,布袋长 L 9 m ,比 通常采用的150 mm的布袋直径小 13, 每两个布袋 中心线间距 d 180 mm ,布袋外开放空间的面积比采 用150 mm布袋大 16. 1。较大的开放空间使上升气 流的速度降低, 减少上升气流携尘量和降低阻力, 脉 冲阀数量为 nm 264个 ,分室数为 nf 24 个, 滤袋条 数为 n 3 582条 ,总过滤面积为 A13 165 m 2 。本设 备采用了侧向进气方式。 2. 3. 1 漏风量模型 ΔQ2Rnd 2 QiΔQ11 2 31 式中 ΔQ2 袋式除尘器漏风量 。 2. 3. 2 过滤风速模型 过滤风速与过滤面积和烟气量有关 ,据此建立模 型见式 32 。 Vf 2 QiΔQ1ΔQ2 2 A 60 32 式中 Vf 过滤风速,m min ; A 布袋过滤面积,m 2 。 2. 3. 3 脉冲周期模型 脉冲周期的长短会直接影响除尘器的压力损失、 压缩空气用量以及运动部件的寿命 。 T g Ci2Vf 33 式中 T 脉冲周期,min; g 设定清灰时的容尘量 ,500 g m 2 ; Ci2 布袋入口气体含尘质量浓度, 即为 Co1, g m 3 ; Vf 过滤风速,m min。 2. 3. 4 压力损失模型 袋式除尘器的压力损失比除尘效率具有更重要 的技术、 经济意义,它不但决定着能量消耗,而且决定 着除尘效率及清灰周期等。袋式除尘器的阻力一般 由除尘器的结构阻力 ,清洁滤料阻力及滤料上积附的 粉尘层的阻力 3 部分所组成的。见式 34 。 Δp ΔpcΔpfΔpd 34 关于脉冲袋式除尘器的阻力,Belba 等人曾根据对 35台粉煤锅炉脉冲袋式除尘器 包括高压、 中压 、 低压 56 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 实际运行情况的调查提出了经验公式 35 Δp 1 390Vf40 35 但此经验公式跨度太大, 所以要对此公式进行修 正。建立公式 36 。 Δp 1 390 0. 4 Vft 500 9. 8 1 000T 36 式中 Δp 布袋总阻力,Pa ; T 清灰周期,min; t 0 到 T 的时间,min。 2. 3. 5 空气压缩量模型 脉冲袋式除尘器的压缩空气消耗量主要取决于 喷吹压力 、 脉冲周期 、 脉冲时间 、 以及脉冲阀结构和除 尘器的布袋数等因素 。总的耗气量见式 37 Q3α nq T 37 式中 Q3 总的耗气量 ,m 3 min; α 附加系数,一般取 α 1. 2; T 脉冲周期,min; n 脉冲阀数量为 264 个; q 每个脉冲阀一次喷吹耗气量,m 3 。 2. 3. 6 除尘效率模型 袋式除尘器是一种高效率的除尘设备,在许多情 况下其平均除尘效率都能超过 99 . 9,一般应用场合 都能满足此效率,设计其除尘效率数学模型见式 38 。 η 3 99 0. 9 Rnd 0. 01 Rnd 100 38 式中 η3 布袋除尘器除尘效率 , 。 2. 3. 7 出口烟气含尘质量浓度 Co2模型 出口烟气含尘质量浓度是根据布袋除尘器进口 烟气质量浓度及布袋除尘器的除尘效率换算 , 见式 39 。 Co2Co1 1 -η3 39 式中 Co2 布袋除尘器出口烟气含尘质量浓度,也是 整个电- 袋除尘系统的出口含尘质量浓 度,mg m 3 。 2. 3. 8 出口烟气含尘量 M0模型 MOCo2 [2 QiΔ Q1ΔQ2] 21 000000 40 式中 MO 布袋除尘器出口烟气含尘量, 也是整个 电- 袋除尘器出口烟气含尘量,kg h。 2. 4 电-袋除尘器总除尘效率模型 η总[ 1 - 1 -η 1 -η 3 ] 100 41 式中 η总 电-袋除尘器总除尘效率, ; η3 袋式除尘器的除尘效率 , ; η 电除尘器的总非理想除尘效率, 。 3 仿真软件 3. 1 软件组成 根据以上所建立的数学模型, 以Visual Basic 6. 0 为开发语言来编写仿真软件, 模拟系统的操作 、 运行, 主要实现系统控制运行仿真。 软件的不同功能由不同的模块来实现,其中包括 1 系统控制模块 模拟电-袋除尘系统的启动、 停止和退出 。 2 参数模块 体现为“参数”菜单中的各项命令。 包括显示本体结构参数、运行工况参数、运行性能 参数 。 3 曲线模块 体现为电 - 袋除尘系统的入口 、 出 口含尘浓度实时曲线 。 4 故障诊断模块 体现为“故障诊断”菜单中的 各项命令。 5 帮助模块 体现为“帮助”菜单中的各项命令。 包括完整的软件帮助系统和软件的版本信息等。 3. 2 软件功能 软件通过后台运算和前台显示 ,具有如下功能 1 动态模拟电-袋除尘系统的整个运行过程, 主要包括 主系统的启动 、 运行 、 和停运。通过这一功 能,使用者可以很形象直观地了解电 - 袋除尘系统这 项工艺流程 ,达到仿真培训的目的。 2 模拟了各参数运行状况 ,主要包括 模拟显示 锅炉蒸发量 、 燃煤灰分、 入口烟气量 、 入口烟气含尘浓 度、 粉尘平均粒度、 温降、布袋过滤风速、运行阻力 、 清 灰周期、 出口烟气含尘浓度、 出口烟尘排量等 。 3 可以对运行工况参数进行调整 , 以满足不同 状况下除尘运行系统, 使软件具有很好的适应性, 同 时,软件可以实时显示参数曲线。 4 可以对电 - 袋除尘器进行故障诊断分析。为 验证所建模型的合理性及实用性, 本模型进行了一系 列的仿真实验 ,经比较,发现所建模型的运行结果和实 际运行结果基本符合,可以看出所建模型是合理的。 4 结束语 1 研究了电 - 袋除尘器除尘机理, 并在此基础 上建立包括烟气参数 、 本体结构及系统性能参数等在 内的一系列仿真数学模型 。 下转第 27 页 57 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 的气流组织是最关键的 。为了更好地实现对翻车机 粉尘的控制 ,在上述降尘措施的基础上 , 对翻车机除 尘系统布置喷雾降尘装置, 即在格栅板的上方 、 料仓 口的两侧设置喷雾系统 对喷 , 喷雾与翻卸物料同 步 [ 12-13] 。 某钢铁公司运用上述粉尘综合控制方案对其翻 车机系统进行了粉尘综合治理改进。经实际使用证 明,较改进前有了非常显著的治理效果 , 大大降低了 现场粉尘浓度。 为了考察上述喷雾除尘的效果 ,在翻车机的下风 侧15、20、40、 100 m以及200 m远的地方布置测尘点, 用美国TSI 生产的Dust TRAK8250 粉尘测定仪测量了 翻车机翻卸铁矿粉时各测尘点各种不同除尘条件下 的平均粉尘浓度见表 1。 由表 1 可知 ,综合防尘的效果是非常明显的。 表 1 综合除尘测试结果 除尘措施 各测尘点处的粉尘浓度 mgm- 3 15 m20 m40 m100 m200 m 无除尘措施23. 947. 683. 211. 430. 77 综合通风除尘3. 722. 801. 830. 610. 33 通风喷雾除尘2. 871. 691. 120. 340. 18 5 结论 通过本项目的研究及工程实践 ,得出以下结论 1 翻车机翻卸物料时粉尘的产生主要是由于粉 尘下落冲击形成的扬尘以及气流与粉尘的相互作用 引起的。 2 FLUENT 软件可以很好地应用于粉尘气流运 动的数值模拟, 计算所得结果比较合理 , 可以为除尘 系统的优化提供参考 ,具有良好的应用前景。 3 以某钢铁公司的翻车机粉尘综合治理为实 例,验证了通风除尘系统加喷雾系统对于翻车机粉尘 治理的优良效果 ,实现了安全环保型生产 ,促进了钢 铁行业绿色化。 参考文献 [ 1] 阳卫国. 翻车机通风除尘系统. 工业安全与环保, 2003, 29 2 14 -15 [ 2] 王伟能, 张弘弛, 王春玲. 喷雾降尘工艺治理煤层的应用. 能源 环境保护, 2007, 21 3 47 -49 [ 3] 段国平, 周天瑞, 闫洪, 等. 钢铁厂轧线除尘集尘系统的研究. 机 电产品开发与创新,2007, 20 4 23 -25 [ 4] 邹声华, 李孔清, 郝小礼, 等. 半封闭空间回转翻卸粉状物料扬 尘机理研究. 建筑热能通风空调, 2005,24 4 91 -94 [ 5] 刘莉, 杨景玲, 孙永军. 翻车机粉尘捕集试验研究. 通风除尘, 1998 3 12 -16 [ 6] 薛群山. 侧倾式翻车机粉尘污染治理. 华中电力, 2002, 15 4 64 -65 [ 7] 宁佐阳, 刘和云, 蒋爱华, 等. 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It is also presented progressin mercury control technologies for coal -fired power plants. The characteris - tics and purification efficiency of all the technologies for mercury removal are compared. Finally, it is discussed the tendency of mercury control technologies and proposed the research direction that suits the situation of our country. Keywords coal-fired flue gas mercury speciation influential factors mercury control technologies of the flue gas THE DESIGNOF FULL -AUTOMATIC REGENERATIVE DEVICE OF EXPANDED POLYSTYRENE EPS AND ITS CONTROLLin Weijian Yin Sumin Chen Bin 51 Abstract According to the characteristics of EPS and the requirements of regeneration technique, a full -automatic regenerator was de - signed, by which the foamed refuses could be converted to polystyrene granulaswith a small volume and high density. The process flow of crush - ing, thawing, cooling and granula -cutting was used for the device. According to automatic demands, a self-controlling system was also developed using PLC and touchable technology . Its automation was realize after actual debugging, whose productivity was up to 50～ 80 kg h with product meeting requirements. Keywords EPS regnerative device PLC THE STUDY ON SIMULATIONMATHEMATICAL MODEL OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR - BAG DUST REMOVER IN POWER PLANTHu Manyin Zhang Ruiying 54 Abstract Taking a 300MW electric precipitator andthe cloth sack dust remover system as the object of study, through researching mecha - nism of system, a series of corresponding mathematic simulationmodelswere established , including flue -gasparameter mode, the electric precipi- tator local design parameter model, electric precipitator perance parameter model, the bag dust remover local design parameter model, the bag dust remover perance parameter model and that of total dedusting efficiency of the precipitator -bag dust remover etc. Based on the simulation models, the simulation software was designed and developed.The references for the system running, system maintenance and personnel training can be provided. Keywords electrostatic precipitator -bag dust remover mathematical model simulation THE NUMERICAL STUDY ON THE CHARACTERISTICS OF INSIDE FLOW FIELD OF A DOWN AIR INLET BAG FILTERGao Guangde Zhang Yanting 58 Abstract The FLUENT6. 3 software isused to simulate the inside flow fieldof the two down air inlets bag filters, i. e. straight tube inlet and quadrangular inlet.It is analyzed the characteristics of the inside field of two kinds of bag filters based on the result of numerical simulation. On the basis of which, it is compared the field property of the two kinds of bag filters, and the simulation resultmay be a reference for the design of a bag -type collector. Keywords bag filter numerical simulation flow field A NEW DUST REMOVAL TO REMOVE DUST FROM SUB-PACKAGING AND PAC - KAGING OF DRUGSChai Yusheng Zhang Qi Zhang Heng et al 60 Abstract In order to remove dust contamination during pharmaceutical production, sub-packaging and packaging, a set of automatic de - dusters were developed. It could control completely the direction of dust flow and collect them in the fixed places.By which a separation of dust from people was realized. Keywords automatic cabinet of dust removal purification of air circulation gravimetric determination of inhalable particulate concentration DESIGN OF WATER SYSTEM BALANCE OF IRON AND STEEL INDUSTRY Hui Kegang Wang Ling Meng Yanxiao 62 Abstract It is described that the center, emphasis and core problems of water -saving and pollutant reduction of iron and steel industry at present, as well as major contents and requirements of the design of water system balance of iron and steel enterprises. It is pointed out that mak - ing a good job in quantity balance ofwater, temperature balance and suspended solid balance is the best choice to realize water -saving and pollut - ant reduction of iron and steel enterprises. Keywords iron and steel industry balance of water system design and research DISCUSSION ON APERTURE -VARIED OPENING OF PERFORATED DISTRIBUTING WATER PIPEYang Haitao Wan Yanhua Wang Zhifang et al 65 Abstract Aiming atthe problem of the uneven distributing water and the higher energy consumption on the perforatedpipe distributing water at present, it is analysed the feasibility of aperture -varied opening of perforated distributing water pipe on the basis of sharp -edge orifice outflow principle, and deduced the ula of hydraulic calculation of aperture -varied opening orifice.Considering the actual problems in engi- neering application, it is also put forward the calculation of segment-equidistant aperture -varied opening on perforated pipe. A set of new schemes for the application of perforated pipe in practical project are proposed. Keywords aperture -varied perforated pipe hydraulic calculation s