湿式电除尘器进口烟道导流装置数值模拟流场优化设计

郑鸿

（福州红庙岭垃圾焚烧发电有限公司 福建福州 350001）

0 引言

目前，国内绝大多数燃煤电厂或是其他化工行业的烟气在排放前大都进行了脱硝、静电或布袋除尘和脱硫处理，温度降至50 ℃～70 ℃，此时的烟气通常是饱和湿烟气，烟气中含有大量水蒸气、酸雾、凝胶粉尘、微尘等，由烟囱直接排出造成对大气污染。随着国家和地方对环保要求越来越严格，广东省印发的《锅炉大气污染物排放标准》（DB 44/765—2019）中大气污染物特别排放限值，烟尘排放浓度限值≤10 mg/m3，二氧化硫排放浓度限值≤35 mg/m3，氮氧化物排放浓度限值≤50 mg/m3，烟气在经过湿法脱硫处理后，再经湿式电除尘器进一步除尘，才使得烟气排放浓度达到排放标准。

本文介绍的3 台280 t/h 循环流化床锅炉烟气排放提标改造项目，因为改造场地有限，烟道进入湿式电除尘器前有1 个异形扩张烟道。为了保证除尘效率，在异形扩张烟道进口处增设导流板和均布格栅，以保证烟气均匀分布进入湿式电除尘器的电场管束，见图1。

图1 湿式电除尘器和进口异形扩张烟道示意图

1 4种方案的数值模拟

1.1 几何模型

烟道系统中设置4 种导流板和均布格栅组合方案，见图2所示。由于内部的支撑结构对流场的影响较小，因此在不影响烟道内部流场的情况下，对模型进行了相应的简化。分别对4种组合方案均布格栅、导流板及其相关烟道进行1∶1 二维建模，在构建几何模型的过程中，忽略烟道内部支撑结构及导流板的厚度。

图2 进口异形扩张烟道4 种导流板和均布格栅组合方案示意图

方案1：烟道90°弯头处不设导流板，扩大口截面设置1 层均布格栅。

方案2：烟道90°弯头处设置导流板，扩大口截面设置1 层均布格栅。

方案3：烟道90°弯头处设导流板，扩大口截面设置1 层均布格栅，变径处增设1 层均布格栅。

方案4：烟道90°弯头处设置导流板，扩大口截面设置1 层均布格栅，在右侧两片导流板上端分别增加500 mm 长不同角度的导流板。

1.2 网格划分与边界设置

对模型进行网格划分时，优先使用四边形单元划分网格，并对壁面处、导流板及均布格栅的地方进行加密处理［1］。根据4 种导流板和均布格栅组合方案，在前处理软件Gambit 建立模型并确定边界条件后输出mesh 文件。在数值模拟过程中采用以下简化假设：①系统绝热；②系统无漏风；③烟气为理想气体。

对进口异形扩张烟道模拟的目的主要是找出烟道出口处流场分布，并对流场分布状况进行分析。数值模拟按照工况下进行计算［2-3］，入口边界条件设置为均匀入口，速度值按照工况下的设计烟气量进行流速计算；出口边界设置为outflow 出口。计算模型选用Realizable k-e 湍流模型，壁面处理选取为Wall，边界条件参数设置如表1 所示。

表1 边界条件参数汇总

1.3 流场模拟结果分析

分别将4 种组合方案的mesh 文件导入Fluent 流场模拟软件，根据表1 输入边界条件数据，使用求解器完成模拟计算工作［4-5］，并对模拟结果进行分析。

方案1：烟道90°弯头处不设导流板，扩大口截面设置1 层均布格栅，模拟结果见图3。变径和出口段左侧分别有2 个大的旋涡，左下侧90°直角处也有1 个小的旋涡，出口流场分布极不均匀。

图3 进口异形扩张烟道方案1 速度分布图

方案2：烟道90°弯头处设置导流板，扩大口截面设置1 层均布格栅，模拟结果见图4。变径段有1 个与方案1 相比相对小一点的旋涡，出口段左侧和左下侧90°直角处分别有1 个小的旋涡，出口流场分布情况相对方案1 有明显改善。

图4 进口异形扩张烟道方案2 速度分布图

方案3：烟道90°弯头处不设导流板，扩大口截面设置1 层均布格栅，变径处增设1 层均布格栅，模拟结果见图5。变径和出口段右侧分别有3 个相对于方案2 更小的旋涡，左下侧90°直角处有1 个小的旋涡，出口流场分布情况介于方案1 和方案2 之间，变径处增设1 层均布格栅，反而使流场分布情况相对方案2 来说更差了。

图5 进口异形扩张烟道方案3 速度分布图

方案4：烟道90°弯头处设置导流板，扩大口截面设置1 层均布格栅，在右侧两片导流板上端分别增加500 mm 长不同角度的导流板，模拟结果见图6。变径段和出口段的流场分布比较均匀，左下侧90°直角处分别有1 个小的旋涡，出口流场分布情况相对其他3 个方案是最好的。

图6 进口异形扩张烟道方案4 速度分布图

2 4种方案模拟结果对比

方案1 与方案2 对比，方案1 烟道90°弯头处没有设置导流板，方案2 有设置导流板，根据图3 和图4 速度分布图结果对比，方案2 出口流场分布情况相对方案1 有明显改善；方案2 与方案3 对比，变径处增设1 层均布格栅，根据图4 和图5速度分布图结果对比，方案3 变径处增设1 层均布格栅约束了烟气流动，反而使流场分布情况相对方案2 更差了；方案4在烟道90°弯头处设置导流板，扩大口截面设置1 层均布格栅，在右侧两片导流板上端分别增加500 mm 长不同角度的导流板，使第一股和第二股烟气流向角度发生一定的偏转，消除方案2 中变径段和出口段产生的旋涡，由图6 可知，出口流场分布情况相对其他3 个方案是最好的。

通过以上分析对比得出：①在变径处增设1 层均布格栅反而约束了烟气流动，使流场分布情况更差；②增加导流板设置能明显改善异形扩张烟道的流场分布；③根据模拟分析结果对导流板布置进行微调，进一步改善了异形扩张烟道的流场分布。该工程在实际设计中采用第4 种导流板设置方案，取得了良好效果。

3 结语

通过比较烟道系统中不同导流板和均布格栅组合设置方案，将不同方案模拟分析结果比较，选取最优组合方案，使湿式电除尘器进口处烟气流场分布均匀，从而提高湿式电除尘器的除尘效率。在特定的工程条件下，在异形烟道系统中合理设置导流板，能优化流场的分布，通过Fluent 软件流场模拟能够快速对导流板优化设计。本文为烟道系统导流板的工程设计提供了一定的技术支持与参考。