大型燃煤电厂袋式除尘器气流分布设计及优化研究.pdf

⋯J ．独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特l l i l l 以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名擞铲 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊 光盘版 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容。论文的公布 包括刊登 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 口公开口保密年月 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者 指导教师签名 名摺二 纠 蟹．久 州 签字日期。3 盈2L 堇～3 竺 签字I l i l l 加I I ．厂．如 鲁 摘要。 A b s t r a c t 第一章 目录 ．I 1 1 ．I绪论 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 12 2 国内外研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 袋式除尘器的发展及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 袋式除尘器气流分布技术的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 1 ．4 研究内容和研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．5 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 第二章物理模型实验研究6 2 ．1 袋式除尘器的除尘机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2 物理模型实验方案及准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．1 物理模型实验装置概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．2 实验方案及实验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．3 实验仪器及测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．4 实验准备及装置调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 2 2 ．4 ．1发尘装置和卸灰阀的试用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 2 2 ．4 ．2 喷吹系统的试用及保压实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．4 ．3 第二自模区的判定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 实验结果分析与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．1初始状态下的气流分布情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．2 增设两层气流分布板后的气流分布情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 6 2 ．3 ．3 改变气流分布板开孔率后的气流分布情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．4 在弯头内增设弧形导流板后的气流分布情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．5 在夹道内增设一层气流分布板后的气流分布情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．6 在夹道内增设两层气流分布板后的气流分布情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 实验结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 第三章计算机数值模拟研究 3 ．1C F D 软件简介及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．1 流体运动的描述方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．2 流体流动的基本控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 3 ．1 ．3 常用湍流模拟方法及湍流模型简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 ．4 常用离散化方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1 ．5 F l u e n t 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 7 3 ．1 ．5 ．1 F l u e n t 的程序结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 ．5 2 2F l u e n t 求解步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．2 ．1 初始状态下的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 3 ．2 ．1 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．2 ．1 ．2 网格的划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．2 ．1 ．3 求解器的选择和边界条件的设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 ．1 A 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 4 3 ．2 ．2 增设气流分布板后的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．2 ．2 ．1计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．2 ．3 增设弯头内弧形导流板后的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 3 ．2 ．3 ．1 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．2 ．4 在夹道内增设气流分布板后的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 3 ．2 ．4 ．1 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．2 ．5 增设过滤室内夹道壁板后的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．2 ．5 ．1 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． ．4 6 3 ．2 ．6 增设阻流板后的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 3 ．2 ．6 ．1 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 3 ．3 实验结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 第四章现场实测实验。 4 ．1 工程概况⋯⋯⋯～ 4 ．2 实验方案及测试手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．2 ．i 进口断面流量分配实测实验方案及测试手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．2 ．2 各过滤单元气流分布现场实测实验方案及测试手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．3 实验结果分析与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．3 ．1 进口断面流量分配实测实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 4 ．3 ．2 各过滤单元气流分布现场实测实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯∞ 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 第五章结论 5 ．1 实验结论． 5 ．2 研究成果与创新点⋯⋯ 6 2 6 2 5 ．3 研究的不足之处与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献 作者简介 致谢 6 5 6 8 6 9 摘要 近几十年来，我国工业生产的发展势头非常迅猛，而由此带来的能源消耗和环境污染 问题也越来越严重。我国的能源结构决定了燃煤电厂在电力行业中的中坚地位，而由于煤 燃烧产生的烟尘所造成的煤烟型污染则成为了我国大气污染的主要形式之一。因此，在燃 煤电厂研究和推广高效除尘技术，对于我国经济和社会的发展都有着重要的意义。 伴随着我国环境保护要求的日渐提高，传统的电除尘器已越来越难以满足火电厂锅炉 烟尘排放浓度的要求，而以此为契机，除尘效果相对更好的袋式除尘器逐渐发展起来，并 且已经在一些电厂的实际应用中取得了良好的效果。 然而随着袋式除尘技术的不断发展和应用，也暴露出了一些不容忽视的问题，主要表 现为系统阻力较大，滤袋寿命较短，滤袋更换频繁等，而除尘器内气流分布不均匀是造成 这些问题的重要原因之一。由于除尘器内部流动十分复杂，因此在进行袋式除尘器气流分 布措施的设计时，设计者往往只能依赖经验数据或简单模型的计算结果给出设计方案，有 较强的主观性，使除尘器实际工程的气流分布均匀程度达不到设计要求。 针对这一情况，为了给袋式除尘器实际工程气流分布措施提供必要的设计依据，优化 除尘器内部的气流分布状况，本研究以某大型燃煤电厂3 0 0 M W 机组袋式除尘器工程为研 究对象，并以其中位于边侧的前端直接连接弯管段的一个过滤通道为原型，分别建立了物 理模型和数值模拟模型，通过物理模型实验和数值模拟实验两种手段对不同气流分布措施 下系统的气流分布状况进行了测试和实验，得出了适用于该工程的气流分布设计和优化方 案，并在实际工程中通过现场实测实验对设计方案的效果进行了考察和验证。结果显示， 将通过实验得出的气流分布设计方案运用到实际工程中后，除尘器进口断面及内部各过滤 单元气流分布情况均能满足气流分布的设计要求。 研究过程综合了物理模型实验、数值模拟实验及现场实测实验等实验和测试手段，探 讨和得出了适用于燃煤电厂袋式除尘器工程气流分布设计研究的具体方法。研究结论为袋 式除尘器实际工程气流分布措施设计和优化提供了参考和依据，对于今后的工程和研究具 有一定的借鉴和指导意义。 关键词袋式除尘器气流分布物理模型实验数值模拟设计和优化 A b s 仃a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di n d u s t r y , t h ep r o b l e m so fe n e r g y c o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u si n C h i n ad u r i n gt h el a s td e c a d e s ．C o a l - f i r e dp o w e rp l a n th o l d sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni n t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , w h i c hi sd e t e r m i n e db yC h i n a ’Se n e r g ys t r u c t u r e ，c a u s i n g t h ea i rp o l l u t i o nd u et oc o a lc o m b u s t i o nt u r n i n gi n t oo i l eo ft h em o s ts e r i o u s p o l l u t i o nf o r m s ．T h e r e f o r e ，s t u d y i n ga n da p p l y i n gh i g h - e f f i c i e n c ya s h - r e m o v a l t e c h n o l o g ym a k e sg r e a ts e n s e t ot h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n ds o c i e t y ． T h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n to fo u rc o u n t r yi sg e t t i n gi n c r e a s i n g l y s t r i c t e r , w h i c hm a k e sm e e t i n gt h ee m i s s i o ns t a n d a r df o rt h e t r a n d i t i o n a le l e c t r i c p r e c i p i t a t o r si sh a r d e ra n dh a r d e r ．T h e nt h e f a b r i cb a gf i l t e r s ，w h i c hh a v eh i g h e r a s h - r e m o v a le f f i c i e n c y , g r a d 谳l ye x p a n di t so c c u p a n c yi nc o a l f i r e dp o w e rp l a n t s ， a n dh a v ea l r e a d yg a i n e ds o m es u c c e s s f u la p p l i c a t i o ne x p e r i e n c e s ． B u tt h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m sw h i c hs h o u l dn o tb ei g n o r e dw i t ht h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ff a b r i ch a gf i l t e r s ，i n c l u d i n gt h es y s t e mr e s i s t a n c ei s h i g h , t h es e r v i c el i f eo fb a g si ss h o r t , b a g sc h a n g e dq u i t eo f t e na n ds oo n , a n dt h eg a s f l o wd i s t r i b u t i o nb e i n gn o n u n i f o r mi so n eo ft h em a j o rr e a s o n sc a u s i n ga l lt h e s e p r o b l e m s ．T h ef l u x i o ni nf a b i r cb a gf i l t e r si sv e r yc o m p l i c a t e d , s od e s i g n e r sa l w a y s p o s et h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o np r o p o s a lb a s e do ne x p e r i e n c ed a t a so rr e s u l t sf i o m s i m p l em o d e l s ，w h i c hi sn o to b j e c t i v ee n o u g h , r e s u l t i n gt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o n e f f e c tC a nn o tm e e tt h ee x p e c t a t i o nv a l u e ． I nc o n s i d e r a t i o no ft h es i t u a t i o n , i no r d e rt op r o v i d en e c e s s a r yb a s i sf o rt h eg a s f l o wd i s t r i b u t i o np r o p o s a ld e s i g n i n ga n do p t i m i z i n g ，af i l t r a t i o nc h a m b e ro nt h es i d e e d g ew h i c hd i r e c t l yc o n n e c t e dt oa ne l b o wo fa f a b r i cb a gf i l t e rp r o j e c ti na3 0 0 M W c o a l - f i r e dp o w e rp l a n tw a ss e ta sr e s e a r c ho b j e c t , s c a l e dp h y s i c a lm o d e la n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yt h e o r yt ot e s t a n do p t i m i z et h eg a s - f l o wd i s t r i b u t i o nu n d e rd i f f e r e n td i v e r s i o nm e a s u r e s ，a n da r t o p t i m u mp r o p o s a lw a so b t a i n e d ．A 位rt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o np r o p o s a lw a sp u ti n t o U S eo nt h ef a b r i cb a gf i l t e rp r o j e c t , as e r i eo f t e s t sw e r ec a r r i e do u tt ot e s tt h ee f f e c to f i t , t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o no ff a b r i cb a gf i l t e r ’Si n l e ts e c t i o n Ⅱ a n dd i f f e r e n tc e l l so ft h et i t r a t i o nc h a m b e rw a su n i f o r m e n o u g h , m e e t i n gt h e d i s i g n i n gs t a n d a r d ． I nt h i s s t u d y , t h e r e s e a r c hp r o c e s sc o m b i n e ds e a l e d p h y s i c a lm o d e lt e s t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt e s to n - s i t e ，t h r o u g hw h i c hak i n do fr e s e a r c hm e t h o d a p p l i c a b l ef o rt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o no ff a b r i cb a gf i l t e r sw a so b t a i n e d ．T h e r e s e a r c hc o n c l u s i o np r o v i d e db a s i sf o rt h eg a sf l o wd i s l x i b u t i o np r o p o s a ld e s i g n i n g a n do p t i m i z i n go ff a b r i cb a gf i l t e rp r o j e c ti nl a r g e - - s c a l ec o a l - f i r e dp o w e rp l a n t , w h i c hc o u l dm a k es e n s et os i m i l a rp r o j e c to rs t u d ya t i e r t i m e ． K 呵w o r d s F a b r i cb a gf i l t e r , G a sf l o wd i s t r i b u t i o n ，S c a l e dp h y s i c a lm o d a lt e s t , N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，D e s i g na n do p t i m i z e I l l 会损害空气质量和人体健康，并且还会在一定程度上造成贵重材料的流失，成为制约我国 经济、社会和环境协调发展的重要因素。因此，在燃煤电厂研究和推广高效除尘技术，对 于我国经济和社会的发展都有着重要的意义。 在除尘技术的发展过程中，电除尘器因其良好的可操作性，可靠的除尘效果及稳定的 运行表现在我国电力行业中得到了大范围的推广和应用。截至1 9 9 9 年底，我国燃煤电厂使 用的除尘器中电除尘器占7 9 ．9 8 ％，实测除尘效率平均为9 8 ．2 2 嘣5 1 。但随着‘火电厂大气污 染物排放标准 征求意见稿 的提出，燃煤电厂的烟尘排放浓度被限制在3 0 m g ／m 3 以下， 这对于我国燃煤电厂中传统电除尘器无疑是巨大的挑战，大量老机组电除尘器的改造迫在 眉睫。而以此为契机，除尘效果相对更好的袋式除尘器逐渐发展起来，并且已经在一些电 厂的实际应用中取得了良好的效果。 2 0 0 1 年，内蒙古丰泰发电公司2 2 0 0 M W 机组将原有电除尘器改造为袋式除尘器，这 也是我国第一台成功投运的大型燃煤机组袋式除尘器嘲调，由此开始，袋式除尘器在我国 燃煤电厂得到了越来越多的应用。资料显示[ 9 1 - [ 1 1 1 ，截至2 0 0 8 年底，我国燃煤电厂中袋式除 尘器已较多地应用于新建的2 0 0 M W 和3 0 0 M W 机组上，而几台6 0 0 M W 机组袋式除尘器也 已投入运行。然而伴随着袋式除尘技术的不断发展和应用，也暴露出了一些不容忽视的问 题，主要表现为系统阻力较大，滤袋寿命较短，滤袋更换频繁等，进而增加使用成本和影 响除尘效果。 造成这种现象的原因是多方面的。烟气条件恶劣，除尘器本体设计缺陷，滤料选择不 佳，清灰效果不好，气流分布不均等都可能影响袋式除尘器的表现，而在这些因素中，气 流分布是否均匀对袋式除尘器的影响是相对具有决定性和根源性的。如果除尘器内气流分 布状况不好，很容易造成各过滤单元流量分配不均，从而使进入不同位置滤袋的烟气量不 同，加剧处于风速大处的滤袋的表面冲刷，并且由于处理负荷的迅速增大，使得滤袋阻力 上升加快，清灰频率升高，从而加速特定位置处滤袋的破损，降低了滤袋的使用寿命。 在袋式除尘器的实际设计工作中，传统的设计方法在考虑气流分布问题时一般只要求 平均过滤速度和滤袋间隙速度小于极限值，但对气流分布的均匀性缺少考虑，造成实际运 南京信息工程大学硕士学位论文 行中除尘器的气流分布状况往往难以达到设计要求。陈国榘等人通过对某燃煤电厂尾部烟 道内袋式除尘器进行冷态实验发现，当进口烟道风速超过1 0 n s 时，不同滤袋风量最大和 最小者间的差值可达1 0 倍以上【1 2 】。因此，研究袋式除尘器气流分布的规律性，为实际工程 设计工作提供必要的依据和支撑，对于袋式除尘技术的不断成熟和进步是具有非常重要的 意义的。 1 ．2 国内外研究进展 12 ．1 袋式除尘器的发展及应用 1 8 8 1 年，世界上第一台振动清灰式袋式除尘器诞生于德国的贝斯①e t h I 厂【l 引。1 9 5 0 年，海塞 H ．J ．H e r s e y 发明了逆喷型环清灰技术，实现了袋式除尘器除尘和清灰的连续操作， 处理量和过滤风速得以提高数倍，滤袋压力趋于稳定，是袋式除尘技术历史上的首次突破。 1 9 5 7 年，雷英纳尔f f ．V ．R e i n a u e r 发明的脉冲袋式除尘器被认为是袋式除尘技术的一次重 大发明【1 4 】巾5 1 ，它使滤袋压力损失进一步趋于稳定，过滤风速进一步提高，滤布的寿命更长， 而这也是如今已在各领域广泛使用的脉冲袋式除尘器的雏形。 2 0 世纪7 0 年代后，袋式除尘器逐渐向大型化的方向发展。美国、日本、澳大利亚及 欧洲的一些国家结合大规模工业生产，相继开发了大型袋式除尘器，并应用于燃煤电厂、 干法水泥回转窑窑尾和电炉除尘等。到1 9 8 9 年底时，美国已有9 9 套袋式除尘器应用于燃 煤电厂的烟气除尘，总装机容量达2 1 4 万千瓦I l q ；澳大利亚从2 0 世纪8 0 年代就开始实施 “电改袋”工程，截至2 0 0 4 年底时，8 0 ％左右的燃煤电厂的烟气除尘设备采用的是袋式除 尘器【r 刀。． 我国的最早的袋式除尘器出现于2 0 世纪5 0 年代，前苏联援建的1 5 6 个项目中，就有 采用前苏联型式的机械振打型袋式除尘群埽l 。而我国燃煤电厂烟气除尘真正开始应用袋式 除尘器源于2 0 世纪8 0 年代初【1 9 】刚，先后在巡检司发电厂、普坪村发电厂、内江电厂、淮 南发电厂、南定热电厂、杨树浦电厂等小型燃煤机组上使用，但由于当时燃煤电厂烟尘捧 放在环保上没有要求，加之我国袋式除尘器整体技术水平相对落后，且国内对袋式除尘器 认识和使用经验不够，出现了烧袋、糊袋、漏袋、清灰不灵等现象，造成袋式除尘器在燃 煤电厂的使用以失败告终。1 9 9 3 年，上海杨树浦电厂与澳大利亚鲁奇豪登公司删． H o w d e n 冶作对其中一台除尘器进行改造，历时一年多，历经四次换袋，但终因工况参数、 系统设计以及控制方面的问题还是没有成功。 2 0 0 1 年，由国电环境保护研究院技术总包的内蒙古丰泰发电公司2 x 2 0 0 M W 机组袋式 除尘器是我国第一台成功投运的大型燃煤机组袋式除尘器阱】。该工程的成功运行，对袋式 除尘器在我国燃煤电厂的应用起到了积极的推动作用。自此以后，袋式除尘器在我国燃煤 电厂得到了更加广泛的应用。截至2 0 0 8 年底，1 0 0 M W 及以上机组中，已经建成投运的袋 式除尘器约l1 0 台 包括3 0 台电袋复合除尘器 ，并且大部分运行情况良好，能够满足当前 的燃煤电厂烟尘排放要求。 2 第一章绪论 1 ．2 ．2 袋式除尘器气流分布技术的发展 目前对袋式除尘器气流分布技术的研究方法主要有物理模型实验法和计算机数值模 拟法 C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s 。在物理模型实验研究方面，桑亮等人[ 2 2 1 建立了与原型 几何比例为l 5 的物理模型实验装置，并在实验室中进行了物理模型测试实验。实验采 取人工手动采样，采样设备为热球风速仪，分别测量了在袋式除尘器内部设置导流板前后 内部流场的分布情况。测定结果分析表明，由于梯形和栅格导流板等气流分布措施的使用， 模型内部气流分布的均匀程度有了很大的提高。 近些年来，随着计算机技术的高速发展，借助于特定计算机软件的C F D 数值模拟方法 对袋式除尘器的流场分析的应用也越来越多。国外这方面的研究开展相对较早，A ．A r o u s s i 等人[ 2 3 1 于2 0 0 0 年时就应用计算机模拟了单个滤筒过滤时粉尘颗粒的运动，并用实验结果 验证了C F D 方法能有效模拟粉尘颗粒的运动轨迹。近年来，国内也进行了很多这方面相关 的研究。金颖等[ 2 4 1 运用F l u e n t 软件模拟计算小尺寸下的简单烟气扩散规律，表明了该软件 模拟烟气扩散问题的可行性；郑辉1 2 5 l 等应用F l u e n t 软件对除尘设备进气烟箱布置气流分布 板前后气固两相流的分布情况进行了数值模拟，并据此改善了烟箱内的气流分布状况；高 晖等人1 2 6 1 使用F l u e n t 软件对某显像管厂下进风袋式除尘器实际运行条件下的内部气固两相 流动进行了数值模拟，提出了扩大进风管直径和在下箱体中布置钝体两项改造措施，解决 了该显像管厂中袋式除尘器尾部滤袋工作寿命过短的问题；党小庆等【2 7 1 利用C F D 方法对 箱体流量分配和气流分布进行了数值模拟，给出了实现箱体流量合理分配的气流分布板结 构调整方法和参数，并且计算结果与模型实验、现场测试结果吻合较好。 1 ．3 研究目的及意义 本研究为国电集团重大科技项目 Z 0 7 0 0 2 “燃煤电厂大型袋式除尘器气流分布设计及 优化”的部分研究内容。旨在利用国电集团的良好平台，针对近年来国内大型燃煤电厂袋 式除尘器运行过程中暴露出的气流分布不均匀影响除尘器整体性能表现等问题，以某大型 燃煤电厂袋式除尘器实际工程为研究对象，通过实验及现场实测手段得出适用于该具体工 程的气流分布措施的设计和优化方案，改善该燃煤电厂袋式除尘器工程的气流分布状况， 并通过课题研究和探讨适用于袋式除尘器实际工程气流分布的具体研究方法，为今后的实 际工程提供指导和借鉴。 1 ．4 研究内容和研究方法 目前对于袋式除尘器气流分布进行研究的两种主流方法为物理模型实验法和计算机 数值模拟法。这两种方法中，物理模型实验法相对计算机数值模拟法在经济和时问成本上 都较高，并且结果往往只能显示特定断面气流速度分布情况，难以对模型内部的气流分布 情况从整体上定量把握和分析，并且如果针对实际工程进行，则必须根据实际工程原型进 行缩放，一项工程只能对应一个特定的物理模型，进一步增加了经济成本；而计算机数值 模拟法则可以很好的克服物理模型实验法经济和时间成本较高的缺陷，结果可以显示任意 3 南京信息工程大学硕士学位论文 断面的气流分布情况，实验条件变换方法简单，易于开展研究，但也存在着网格划分不科 学、边界条件等参数选取不佳、模拟条件简化等可能影响计算结果等问题。 针对上述情况，本研究中将这两种研究方法结合，并以某大型燃煤电厂3 0 0 M W 机组 袋式除尘器实际工程项目为研究对象，以为除尘器实际工程气流分布方案设计提供依据， 优化其内部气流分布情况，指导今后袋式除尘器工程设计为主要研究目的，以物理模型实 验和计算机数值模拟实验为主要研究方法和手段，以工程现场实测实验为验证手段，以期 达到探究袋式除尘器流场分布规律，优化该工程气流分布状况，从而进一步指导实验研究 和工程实际的目的。本课题的主要研究内容包括 1 以某大型燃煤电厂袋式除尘器工程为原型，搭建物理模型实验台，并对其在不同气 流分布措施下的气流分布状况进行测试，初步提出适用于该工程的气流分布措施设计方 案。 2 借助计算机流体分析软件F l u e n t 建立针对该工程的实验模型，并对其在不同实验条 件下的气流分布情况进行实验，考察和验证物理模型实验得出的气流分布设计方案，并通 过改进模型结构迸一步优化模型的气流分布效果，给出气流分布设计和优化方案。 3 将通过物理模型实验和数值模拟实验得出的气流分布设计和优化方案运用到实际 工程中，并进行现场实测实验，验证方案的效果，提出相应的改进措施，得出研究结论， 为今后的工程设计提供参考。 1 ．5 技术路线 4 第一章绪论 图l l 本研究技术路线 1 ．6 本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景、意义、内容、方法及技术路线，阐述了袋式除尘器 的发展及应用，介绍了袋式除尘器气流分布研究的主要方法、手段及国内外的一些研究成 果和进展。研究的具体内容将在以下各章节进行具体的阐述和讨论。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章物理模型实验研究 2 ．1 袋式除尘器的除尘机理 袋式除尘器的主要除尘效应包括截留、惯性碰撞、扩散效应及重力作用等[ 2 8 H 3 0 l 。 1 截留也称筛滤效应。是指当粉尘的粒径比滤料空隙或滤料上的初层孔隙大时，粉 第二章物理模型实验研究 2 ．2 物理模型实验方案及准备 2 ．2 ．1 物理模型实验装置概况 本研究以某新建燃煤电厂3 0 0 M W 机组袋式除尘器工程为研究对象。该工程为一台炉 配两台双室低压脉冲袋式除尘器，两台除尘器对称布置，共4 个过滤通道，中间布设旁路 烟道供锅炉点火及紧急情况下使用，清灰方式采用固定行喷吹。由于前端烟气脱硝装置 S C R 空预器出口至除尘器入口空间有限，因此需在位于边侧的过滤通道进口喇叭前端直接 连接弯管段，而这很有可能导致除尘器内的气流分布非常不均匀。 针对上述情况，本研究以位于边侧的其中一个前端直接连接弯管段的过滤通道为原型， 以l 7 的比例对工程原型进行缩放，建立了物理模型实验装置，模拟范围从弯头至出口喇 叭。模型设有发尘装置和清灰系统，可以对两相流条件下系统的气流分布状况进行测试。 物理模型装置示意图如下所示。 图2 - 2 物理模型实验装置示意图 图中l 灰仓2 卸灰阀3 鼓风机4 气包及脉冲阀5 ；顶盖板6 净气室7 气 流分布板卡槽8 进口断面测孔9 检修门1 0 灰斗1 1 花板压差测孔1 2 出口烟道测 孔1 3 引风机1 4 送灰管1 5 - 弯头1 6 导流板1 7 插板阀 如上图所示，在模型装置的进I 1 喇叭内设有两块导流板 键号1 6 ，通过导流板将A - A 进口断面 即键号8 所示测孔所在断面 划分为四个区域 I 区，Ⅳ区 ，各区域的尺寸及流量 分配比例设计要求如图2 - 3 所示。在进口喇叭上壁面开有两道卡槽 键号7 ，并加工了两种 7 南京信息工程大学硕士学位论文 不同开孔率的气流分布板 3 0 ％和5 0 哟，可通过卡槽方便装设和拆卸，以改变实验条件，考 察不同气流分布措施下系统的气流分布状况。 Ⅱ l t4 ∥％_ 5 0 ％ Ⅲ 1 5 ％1 5 ％ 1 2 c i ∞C 1 2 ∞ 2 0 ％2 0 ％ 1 3 01 3 0 XX 1 6 5 01 6 5 0 I v ．2 P 蜘3 0 ％ 1 2 6 0 X 4 5 0 图2 - 3 进口断面 A - A 断面 各区域尺寸及流量分配比例设计要求 2 ．2 - 2 实验方案及实验步骤 1 实验装置调试。包括发尘装置、卸灰阀的试用，灰斗插板阀的启闭，喷吹系统的试 用和保压实验。及第二自模区的判定等。 2 待系统调试完毕后，即可开始实验。开启风机，并将风机风量稳定在额定值，并用 皮托管连接压差计监测出口烟道中心点处的动压以实现对风量的监测。 3 启动压缩空气管路系统，并将喷吹系统逻辑控制系统的起始喷吹压力和停止喷吹压 力设定好。启动鼓风机向实验装置内发尘，并用压差计监测各室花板上下压差。待系统