烟气消白烟道流体动力学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）

目前，国内绝大多数燃煤电厂或是其它化工行业的烟气在排放前大都进行了湿法脱硫，温度降至45 ℃～55 ℃。此时的烟气通常是饱和湿烟气，含有大量水蒸汽，水蒸汽中含有较多的溶解性盐、SO3、凝胶粉尘、微尘等（都是雾霾的主要成分）。如果烟气由烟囱直接排出，进入温度较低的环境空气，由于环境空气的饱和湿度比较低，在烟气温度降低过程中，烟气中的水蒸汽会凝结形成湿烟羽，造成大气污染。

根据湿烟羽形成及消散的机理，目前常用的方法归纳为：烟气加热技术、烟气冷凝技术、烟气先冷凝再热技术及各种方法的组合技术。本文介绍的四川消白工程采用的是烟气加热技术（利用锅炉废水的余热通过换热器提高脱硫后烟气的排放温度），由于受场地限制，烟道进入换热器模块前有一个异形扩张烟道，为了保证换热效率，就必须在异形扩张烟道进口处增设导流板以保证烟气均匀分布进入换热器。

1 原结构的数值模拟

1.1 几何模型

根据烟道系统图纸，对换热器及其相关烟道进行1∶1 三维建模，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。最终的模型如图1 所示。

图1 原结构物理模型图

1.2 网格划分与边界设置

对原结构模型进行网格划分时，优先使用结构化网格，并对壁面处、导流板及速度梯度大的地方进行加密处理。由于换热器内部存在数目庞大的换热管，根据文献［3］和［4］，若按原模型进行网格划分，所需网格数目庞大，需消耗大量的计算资源，因此需要将换热器模块本体按多孔介质进行简化。经过网格无关性验证后，最终网格数约为140 万。最终的网格划分结果见图2。

图2 原结构模型网格划分结果

原结构模拟的目的主要是找出换热器进口处流场分布不合理的区域，并对流场分布状况进行分析。数值模拟按照工况进行计算。根据文献［1］和［2］，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计算；出口边界设置为压力出口；换热器的换热管束按多孔介质进行简化处理，换热器模块本体管束按多孔介质建模。由图1 可知，本次模型中共有3 个换热器，按烟气流动方向，各换热器的多孔介质模型的阻力分别为211 Pa、589 Pa、200 Pa。计算模型选用Realizable k-e 湍流模型，壁面处理选取为Enhanced Wall Treatment，原结构边界条件参数设置如表1 所示。

表1 原结构边界条件参数汇总

1.3 流场模拟结果分析

建立模型并确定边界条件后，使用求解器完成模拟计算工作，并对模拟结果进行分析。分析原结构不同视角流线图及换热器进口截面流速分布云图，不同视角流线图见图3，换热器进口截面流速分布云图见图4。

图3 原结构模型流线分布图

由图3 和图4 可以看出，原结构在换热器进口前存在S型弯头，换热器进口前的烟气偏向于烟道的底部，造成在换热器进口的上、下壁面处的烟气流速低。原结构在换热器进口存在着异形扩张烟道，该异形烟道沿高度方向（上壁面至下壁面方向）的扩张角度导致异形扩张烟道处的烟气流线紊乱，且该处烟道无导流装置，造成换热器进口流速分布十分不均匀。

图4 原结构换热器进口处流速分布图

为了对换热器进口截面烟气的流场分布状况进行定量分析，在换热器入口截面上用均等网格法设置了121 个速度采集点，并用速度标准偏差公式计算冷却器入口截面的速度不均匀系数，具体数值如表2 所示。

由表2 可以看出：原结构换热器入口截面速度分布不均匀系数为0.346，流速分布不均匀系数已超过10%，严重不满足技术要求，换热器进口流速分布十分不均匀。

表2 原结构换热器进口截面烟气流速数据 单位：m／s

2 优化设计模拟与分析

2.1 几何模型

根据原结构数值模拟分析结果，原结构换热器进口前烟气流速分布不均的主要原因是换热器进口前存在异形扩张烟道及S 型弯头，且在两处均无导流装置。将在换热器进口前的异形扩张烟道处增加导流板，在通过尝试不同优化方案模拟后，确定最终优化方案为在异形扩张烟道沿烟道宽度方向（上壁面至下壁面方向）增加3 块弧直型导流板，在异形扩张烟道深度方向（前墙至后墙方向）中心线对称各增加1 块弧直型导流板。优化后物理模型见图5。

图5 优化后物理模型图

本次优化设计改造的新增导流板见图6。

图6 新增导流板位置图

2.2 流场模拟结果分析

为了系统评价优化后流场的改造效果，对优化后的换热器进口烟气流场分布做了分析。优化后在不同视角流线图见图7，换热器进口截面速度分布云图见图8。

由图7 和图8 可以看出：优化后烟道内部流场得到了很好的改善，虽然仍存在少量紊乱的流线，但相比原结构，在换热器进口前的异形扩张烟道处烟气充满度更高，换热器进口流速分布相比原结构更为均匀。

图7 优化后模型流线分布图

图8 优化后换热器进口处流速分布图

为了定量分析优化后的换热器进口截面烟气的流场分布状况，同样在优化后换热器入口截面上设置了121 个速度采集点，并采用速度标准偏差公式计算换热器入口截面的速度不均匀系数。速度采集点的设置方式与原结构保持一致，具体数值如表3 所示。

表3 优化后换热器进口截面烟气流速数据 单位：m／s

由表3 可以看出：优化后的换热器进口流场不均匀系数为0.085（优化前为0.346），较优化前改善明显，满足《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》（HJ/T 75—2017）中尾部烟道的流速＞10 m/s 时，流速相对误差不超过±10%，以及尾部烟道流速≤10 m/s 时，流速相对误差不超过±12%的要求，且相比原结构，优化后换热器进口处的流场分布更为均匀。

3 结语

本文通过比较烟道系统中有、无设置导流板流场，经CFD数值模拟分析，得出两种不同流场模拟结果，优化后的换热器进口流场不均匀系数为0.085（优化前为0.346），较优化前改善明显，优化后换热器进口处的流场分布更为均匀，能提高换热器的换热效率。