应用于燃煤电厂烟尘测量的烟气旋流加热器数值模拟研究.pdf

工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.6202331INDUSTRIALHEATING模拟仿真茶D01:10.3969/j.issn.1002-1639.2023.06.008应用于燃煤电厂烟尘测量的烟气旋流加热器数值模拟研究王迪，焦敏（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆40 0 0 3 7）摘要：针对燃煤电厂烟尘测量用旋流加热器存在加热器尺寸过大、加热温度过高的问题，借助数值模拟软件建立旋流加热器三维模型，结合燃煤电厂排放烟气测量环境，分析了旋流加热器内部流场中的速度流线分布、液滴运动轨迹，对旋流加热器加热温度、旋流加热器长度和旋流加热器直径进行三因素五水平正交试验。结果表明：气体在旋流加热管道中随着旋流加热器长度的增加，气体旋流效果降低，液滴气化效率降低；旋流加热器体积越大，气体加热效率越小；旋流加热器最优参数为：直径0.12 m，加热器加热温度300,加热器长度为0.5m。关键词：燃煤电厂；烟尘测量；旋流加热器；烟气除湿；WANG Di,JIAO Min中图分类号：X513Numerical Simulation Study of Flue Gas Cyclone Heater Applied to Soot Measurement in Coal-fired Power Plant(China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China)Abstract:In view of the problems of excessive heater size and high heating temperature in the cyclone heater used for soot measurement incoal-fired power plants,With the help of numerical simulation software,a three-dimensional model of the cyclone heater was established,Com-bined with the measurement environment of flue gas emissions from coal-fired power plants,The velocity streamline distribution and droplet mo-tion trajectory in the internal flow field of the swirl heater are analyzed.Three-factor and five-level orthogonal tests were carried out on the heat-ing temperature of the swirl heater,the length of the swirl heater and the diameter of the swirl heater.The results show that with the increase ofthe length of the cyclone heater in the cyclone heating pipeline,the gas cyclone effect decreases,and the droplet gasification efficiency decrea-ses;The larger the volume of the cyclone heater,the smaller the gas heating efficiency;The optimal parameters of the swirl heater are:diame-ter 0.12 m,heater heating temperature 300 ,h e a t e r l e n g t h 0.5 m.Key Words:coal-fired power plants;soot measurement;cyclone heater;flue gas dehumidification2022年，中华人民共和国生态环境部公布了2 0 2 0年生态环境统计年报，年报显示，2 0 2 0 年全国颗粒物排放总量为6 11.4万t,其中燃煤电厂行业的颗粒物排放量为16.7 万t，相比2 0 16 年排放116.6 万t下降了85.7%，这是国家发改委、环保部及能源局发布的煤电节能减排升级与改造行动计划产生的成效,要求燃煤电厂节能减排升级改造后颗粒物（烟尘)排放浓度不高于10 mg/m，同时HJ762017固定污染源烟气（SO 2、NO、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法规定烟尘浓度小于10 mg/m时，烟尘浓度测量系统的绝对误差小于5mg/m。烟气排放连续监测收稿日期:2 0 2 2-11-2 2基金项目：国家重点研发计划（2 0 2 0 YFF01015000ZL）作者简介：王迪（198 7 一）,女，硕士，工程师,研究方向为粉尘监测与治理.文献标志码：A文章编号：10 0 2-16 3 9(2 0 2 3)0 6-0 0 3 1-0 4系统测量烟尘浓度采用的方法主要分为两类，一类是累计采样后测量的振荡天平法和射线法1-3 ，烟尘测量的实时性与烟尘浓度成正比,单次测量时间一般为10 min至2 h不等；另一类是在线测量的激光散射法,能够在 15 s 内测量出烟尘实时浓度4-5。在燃煤电厂排放污染物浓度测量系统中、普遍采用光散射法进行烟尘浓度测量6-7 ，但光散射法测量烟尘浓度时无法区分烟气中的水滴及气雾，需要对待测烟气进行除湿除水处理8-9。针对烟尘浓度测量，除湿除水处理常用直接加热法，烟气通过高温旋流加热管，直接气化烟气中的水滴及气雾，实现除湿除水10-11。目前德国SICK公司FWE200、德国DURAG公司D-R820F、德国Foedisch公司PFM06ED以及英国PCME公司的18 1WS烟尘测量仪均采用旋流加热器进行烟气除湿前处理，然后采用光散射法测量烟尘浓度，但针对烟尘测量的旋流加热器结构研究较少。本文针对烟尘测量用的旋流加热器进行结构优化工業加熟.32.INDUSTRIALHEATING研究，借助数值模拟软件构建旋流加热器三维模型，进行旋流加热器内部速度流线分布模拟、液滴运动轨迹模拟，然后对旋流加热器加热温度、旋流加热器长度和旋流加热器直径进行三因素五水平正交试验，对旋流加热器气化效果和出口气体温度进行分析，优选出旋流加热器长度、直径以及旋流加热器的加热温度。1旋流加热器几何模型燃煤电厂烟尘测量仪为在线连续监测仪器，为了防止长时间测量过程中采样口堵塞,采样口直径一般采用15、2 0 和2 5mm三种口径12 ，当待测量的烟气通过加热管道进行气体加热时，烟气均匀地通过加热管道，为了避免颗粒物在管道中沉积和适应现场安装,加热管道直径一般不超过2 0 0 mm，长度不超过10 0 0 mm，由于排放烟道的烟气排放速度一般为5 3 0 m/s，新的环境标准HJ762017要求烟尘测量仪对烟气进行等速采样，烟气在加热器中的时间小于1s，烟气中的水滴可能不会全部气化，影响烟尘浓度的准确测量，因此设计合适的加热管道尺寸尤为重要。1.1模型建立旋流加热器主要尺寸有三个，加热器烟气人口直径d,旋流加热器加热管道直径D以及旋流加热器加热管道长度L，旋流加热器模型如图1所示。KD一人口加热壁面+dK图1旋流加热器示意图出人口管径的取值有三种尺寸，分别是15、2 0 和25mm，旋流加热器加热管道直径D为2 0 0 10 0 0 mm，借助Pro/E三维建模软件，创建旋流加热器的仿真模型,如图2 所示。图2 旋流加热器三维模型几何模型的网格划分分为结构网格和非结构网格两种形式，旋流加热器采用结构网格时，网格质量较差,旋流加热器采用非结构网格划分，网格质量检测结2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023果大于0.3 8，效果较好。将Pro/E建立好的几何模型导入ICEM软件中，旋流加热器的网格划分结果如图3所示。图3 旋流加热器网格划分1.2边界条件旋流加热器的入口流速一般小于3 0 m/s，而旋流加热器加热管道直径D是人口直径d的5倍以上，加热管道内部流速一般小于1 m/s,基于流速较小的特性，仿真工具中的求解器选择压力基求解器，瑞流模型选择考虑了旋流效应的RNGk模型。为了提高模拟的效率,采用离散相模型，气相场的模拟介质为空气，离散场的模拟介质为液滴，边界条件具体参数如表1 所示。表1旋流加热器边界条件参数表边界条件取值范围烟气温度/20 70流速/ms=530含水量/gm31050旋流加热器加热管道加热温度/120 300旋流加热器长度L/m0.2,0.3,0.4,0.5,0.6L旋流加热器加热管直径D/m加热管道2旋流加热器内流场特性分析出口2.1速度流线分布设定初始烟气温度为50，烟气流速为10 m/s，烟气含水量为50 g/m，旋流加热器加热温度为2 2 0，样机的长度和直径分别为0.4、0.0 8 m。通过数值模拟，旋流加热器加热管各横截面的流场情况如图4所示。仿真结果表明，烟气进人旋流加热器加热管道后呈现出较好的旋流效果，烟气流量分布在旋流加热器后端趋向于平稳，仿真结果与设计预想基本一致，烟气在加热管道中的旋流效果较好，有利于烟气中液滴的蒸发，提升了烟气除湿除水效率。2.2液滴运动轨迹设定旋流加热器加热管直径D为0.1m，旋流加热器加热管长度L分别为0.5、1.0、2.0 m，模拟旋流加热器中液滴的旋流效果，仿真结果如图5所示。0.06,0.08,0.10,0.12,0.14工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.620233.INDUSTRIALHEATING20.9515.7110.485.230速度/ms-1(a)距离人口0.1m速度流线图(b)距离人口0.2 m速度流线图10.6L=0.5mL=1m0.3L=2m0时间s图5液滴在不同长度加热管道下的运动轨迹图图5中的线条表示液滴颗粒的运动轨迹，颜色表示运动时间。仿真结果表明，烟气人口位置旋流效果较好,液滴能够紧贴管壁流动，随着旋流加热器长度的增加，液滴持续气化导致液体的质量降低，旋流造成的液滴离心力降低，液滴的旋流效果逐渐减弱，旋流加热器单位面积的液滴加热蒸发效率降低。3模型优化研究3.1模型优化方案设计在燃煤电厂烟尘浓度测量系统中，影响旋流加热器除湿除水性能的参数有排放烟气温度、烟气流速、烟气绝对湿度、旋流加热器长度、旋流加热器直径、旋流加热器加热温度等六个因素，将排放烟气温度、烟气流速和烟气绝对湿度取最大值，加热温度、旋流加热器长度和直径三因素进行正交试验，根据样机尺寸的取值范围,旋流加热器长度和直径分为五组，进行三因素五水平正交试验。正交试验参数如表2 所示。(c)距离人口0.3 m速度流线图图4旋流加热器速度流线图表2 正交试验参数表实验组号样机直径/m10.0620.0830.1040.1250.1460.0670.0880.1090.12100.14110.06120.08130.10140.12150.14160.06170.08180.10190.12200.14210.06220.08230.10240.12250.14根据正交试验参数表,采用Pro/E建立旋流加热加热温度/220260300240280300240280220260280220260300240260280240300220240260220280300样机长度/m0.20.20.20.20.20.30.30.30.30.30.40.40.40.40.40.50.50.50.50.50.60.60.60.60.6工業加熟.34INDUSTRIALHEATING器进行几何模型,模型采用非结构网格,单个网格的最3.2林模拟结果与分析小质量为0.3 2。采用fluent软件对各组旋流加热器几1）旋流加热器气化效果何模型进行数值模拟，利用罗辛拉姆勒（Rosin一通过对正交试验参数表中的2 5组实验数据进行Rammler)函数确定模拟液滴的粒径分布13-14,液滴最数值模拟，得到液滴的2 5组蒸发数据，采用蒸发率的大直径10 0 m,最小直径1m，液滴斜切入射进入旋形式表示每一组实验中液滴的蒸发效果，液滴蒸发效流加热器，人射速度3 0 m/s，射入旋流加热器液滴的质率图如图6 所示。量流量为 0.47 1 g/s。1019997%/率翼95F93918938.628785123456789101111213141516171819202122232425组号图6 烟气中液滴蒸发率图图6 表明，2 5组实验中最低蒸发率为8 8.6 2%，其量越小。中三组实验的蒸发率达到10 0%，分别是实验19、2 4、3旋流加热器优选25，即排放烟气温度、烟气流速和烟气绝对湿度取最大旋流加热器模型选择的主要参数有样机长度、直值时,第19、2 4及2 5组旋流加热器模型均能满足烟气径和加热温度。样机模型越小越好，以便于运送和现除湿除水的要求。状安装；加热温度不宜过高，温度过高对旋流加热器的2）旋流加热器出口温度耐高温性能要求较高,影响仪器使用寿；样机的长度和烟尘测量仪用旋流加热器主要有两个作用，一是直径的比值不宜过大，比值越大，烟气在样机中的旋流气化烟气中的液滴，二是降低烟气的相对湿度，一般情效果越弱。将3 组模型的加热面积、体积从低到高进行况下，烟气温度大于110 可满足相对湿度小于50%排序：加热面积为19 2 4 2 5；样机体积为19 2 4的要求。通过数值模拟，在上述第19、第2 4及第2 5组25。采用第19组模型的旋流加热器需要的加热材料样机模型的烟气出口面随机选择10 0 个点,3 种模型加及体积最小，优选出模型19的参数作为加热样机的尺热器出口气体的最低温度、最高温度和平均温度如图7寸数据。所示。165160F1551511501472.145139140F135130125120第19组模型第2 4组模型第2 5组模型最高温度平均温度最低温度图7 3 组样机出口温度分布情况图图7 中表明，气体最高温度为第2 5组模型的16 1，最低温度对应的是第2 4组模型的13 5，且高于目标温度110。通过对出口温度的分析，引起温度变化的主要原因是加热温度,其次是模型尺寸，相同加热温度的情况下，样机体积越大，单位体积内烟气吸收的热2023年第52 卷第6 期Vol.52No.6202399.9999.7410099.2599.3699.7698.2798.7895.2294.7615514413599.9899.3899.9%99.3298.7298.4896.8697.1295.3216115514699.234结论根据烟尘测量仪的运行环境，借助fluent数值模拟对旋流加热器的样机尺寸进行设计，分析烟气在旋流加热器中烟气的旋流效果，以及烟气温度和液滴气化情况，研究结果表明：（1)气体在旋流加热管道中对气体中液滴的气化效果较好，但随着旋流加热器长度的增加，气体旋流效果降低，液滴气化效率降低；(2）液滴气化率达到10 0%时，相同加热温度的情况下，旋流加热器体积越大，单位体积内烟气吸收的热量越小；(3)经过优选，烟尘测量与旋流加热器参数为：直（下转至第3 9页）99.7610010098.92工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023J.舰船科学技术,2 0 2 0,42(18):17 8-18 0.3谭宇璇，樊绍胜.基于图像增强与深度学习的变电设备红外热像识别方法J.中国电机工程学报，2 0 2 1,41（2 3）：7 990 7998.4王硕禾,巩方超，古晓东，等.基于特征融合的变电设备类型及故障识别算法研究J.铁道学报,2 0 2 1,43（4）：9 5-100.5张荣国,姚晓玲，赵建，等.融入局部几何特征的流形谱聚类图像分割J.模式识别与人工智能，2 0 2 0,3 3（4）：3 13 324.6 吕国华,胡学先,张启慧，等.基于联邦学习的船舶AIS轨迹谱聚类算法研究J.计算机应用研究,2 0 2 2,3 9（1）：7 0-74,89.7侯鹏飞,马宏忠,吴金利,等.基于混沌理论与蝗虫优化K-means聚类算法的电抗器铁芯和绕组松动状态监测J.电力自动化设备，2 0 2 0,40(11)：18 1-18 9.8彭博,张媛媛,唐聚,等.基于自编码器与K-means 聚类的视频交通状态自动识别J.公路交通科技，2 0 2 0,3 7(12):117-123.39.INDUSTRIALHEATING9曾岩，黄文刚,马敏舒，等.一种可实现非均匀校正和盲元补偿的像元ADCJ.激光与红外，2 0 2 1,51（7）：9 3 8-9 43.10】张长兴，刘成玉，元洪兴，等.热红外高光谱成像仪光谱匹配盲元检测算法J.红外与激光工程,2 0 2 0,49（1)：12 4-13 0.11左正康,吴志健，孙逸渊，等.利用经验概率密度曲线加快精英多父体杂交算法中系数向量的生成J.武汉大学学报：工学版,2 0 2 0,53（8)：7 2 8-7 3 3.12张雄,张逸轩,张明，等.基于小波包散布熵与Mean-shift概率密度估计的轴承故障识别方法研究J.湖南大学学报：自然科学版,2 0 2 1,48（8）：13 3-140.13王海超,宗哲英,张文霞,等.采用K均值聚类和环形结构的狭叶锦鸡儿木质部提取算法J.农业工程学报,2 0 2 0，36(1):193-199.14于莹,王蓓,马家睿,等.基于改进K均值聚类及其距离修正的睡眠分期方法J.计算机应用,2 0 2 0,40（增刊1):269 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