马鹏飞1,张 选1，贾瑞龙1，王立新1，尚 庆，闫金山，闫 溟，田俊武

(1.神华准格尔能源有限责任公司，内蒙 准格尔旗薛家湾 010399；2.中国航天空气动力技术研究院，北京 100074)

0 引 言

为响应国家号召，改善大气环境质量[1-2]，加快现役煤电的超低排放改造步伐，许多针对烟气污染物超低排放技术的研究工作得到开展[3-4]，全国各地已建电厂也均在进行相关工作，对相应设备进行升级与改造。烟道在电厂设备中属于重要部件，结构设计合理的烟道能够对整个烟气运行系统带来有益的作用[5-6]，为此，文中将研究重点放在烟道构型方面。电厂现有烟道中的烟气流动与结构问题较复杂，文中将基于空气动力学原理，综合运用流体力学三维计算仿真、现场试验测量、专业设计等手段，进行烟道构型的分析。初步看，当前烟道布置过于紧凑，急弯多，矩形烟道内部支撑过多，烟道内气体流动漩涡太多，导致烟道系统阻力较大，甚至影响到后续的布袋除尘器入口烟气不均衡情况，导致生产能耗指标高。文中将结合使用CFD数值仿真手段，在大规模计算机集群上，对烟道进行仿真模拟计算，以期实现CFD数值模拟技术对烟道优化的指导。

1 4#机组烟道模型

电厂4#机组的锅炉尾部烟气分成两路平行通道，分别沿着两台空预器，流经两路结构对称设计的烟道，进入两路布袋除尘器，在两路烟道之间设置有联箱。实物照片如图1所示，左图为大致侧视烟道实物照片，右图为大致俯视烟道实物照片。另机组围墙内还有部分烟道结构未给出，但其大概构型可在图2中看到。图2给出了所研究烟道的CFD数值计算仿真网格建模，由于在烟道内多处有内部支撑杆，所以建模网格量较大，图2(a)给出了烟道网格建模的上侧视图，图2(b)给出了烟道网格建模的底侧视图，图中可以看到四个灰斗，上方是两路空预器，烟气经过两路空预器之后，分别水平拐弯，在经过直角弯头，并爬升至后面的布袋除尘器入口，在爬升之前有矩形联箱将两路烟气联通。图中网格较密集的部位是安装内部支撑杆的位置，为了准确模拟支撑杆附近的烟气流动情况，该位置都进行了局部网格加密处理。

图1 准能矸石电厂4#机组烟道实物照片

图2 准能矸石电厂4#机组烟道CFD数值计算仿真网格建模

2 数值计算理论方法

烟气在弯曲烟道内的流动是一个很复杂的过程，流动本身经过弯头或弯曲部件会产生流动分离漩涡，流经烟道内部许多的支撑杆也会产生很大的扰动，这些都使得烟道压力降低较多，对烟道的阻力影响很大。文中数值计算仿真过程中采用了工程上广泛应用的标准k-双方程模型[7]模拟烟气湍流流动，使用随机轨道模型[8]模拟粉尘颗粒的运动，计算格式使用了二阶迎风格式，主要流动控制方程如下。

质量方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

控制方程可以转换为通用形式：

(4)

φ表示为通用变量，分别代表密度、速度和组分还有焓。源项如下：

(5)

计算使用了k-ε模型，建立它们的方程有：

μT=cμρk2/ε

ε方程为：

(6)

k方程为：

(7)

烟气中粉尘颗粒运动方程，设正x方向垂直向下，考虑到作用在颗粒上的力主要是气相阻力和重力，其它力相对较小可忽略不计，则描述颗粒三维瞬时运动的动量方程可写为：

(9)

(10)

3 烟道计算工况及边界条件设置

计算中，入口使用质量流量入口边界条件，出口使用压力出口边界条件，烟道壁面假设无热交换，烟气体积总流量234e+4m3/h，温度约145 ℃，烟气成份大致为N2为73%，O2为2.66%，CO2为14.9%，H2O为9.45%。粉尘颗粒流量约为87 t/h。数值计算仿真分别针对烟气气相流动与气体颗粒两相流动开展了数值模拟研究。

表1烟道CFD数值模拟所用烟气成份

4 烟道数值计算仿真结果与流场分析

经过对烟道内烟气运动的数值计算，分别得到了不含粉尘的气相烟道阻力与含粉尘的两相流动的烟道阻力，见表2，不考虑粉尘条件下烟道阻力约为564 Pa，考虑粉尘条件下烟道阻力数值约590 Pa，二者差异约26 Pa。后续给出详细的计算结果与分析。

表2烟道阻力数值

图3与图4分别给出了烟道侧视总压分布云图与俯视总压分布云图。从图中可以看到，在烟道拐角处、还有爬升处等部位总压损失较大，是烟道阻力主要集中的部位。

图3 烟道侧视总压分布云图

图4 烟道俯视总压分布云图

图5给出了烟道中烟气流线图。从图中可以看到，烟气由空预器向下流动，在灰斗上方进行水平拐弯，而后经过直角弯头到达联箱处，再进行爬升流至除尘器入口，在联箱附近可以看到烟气流线混乱，出现很多流动漩涡结构，而后在除尘器之前的烟道内，烟气也旋转流动，这些杂乱或漩涡结构都增加了流动阻力，是烟道阻力主要产生的地方。

图5 烟道中烟气流线图

图6 烟道内部剖面流场速度分布图

图6给出了烟道内部剖面流场速度分布图。可以看到，颜色越红表示速度越快，颜色越蓝表示速度越慢，烟气经过绕流内部支撑结构，给速度带来了损失，且在烟气各个拐弯的地方也都带来了速度损失，这些都是引起烟道阻力增加的地方。

图7给出了烟道内部剖面流场压力分布图。从剖面压力云图中可以看出，在直角弯头和联箱附近及爬升段，是压力损失较大的地方。

图7 烟道内部剖面流场压力分布图

图8给出了烟道内部剖面流场烟气流线图。从这张图中则可以更加直观的看到烟道内部流动漩涡结构，在产生流动漩涡的附近烟道相应的是阻力最大的部位。若以后进行该烟道的优化可以重点改进这些部件。

图8 烟道内部剖面流场烟气流线图

图9给出了烟道内部不同直径尺寸粉尘粒子运动轨迹。可以看到，粉尘粒子随着气流不断运动，在拐角附近、联箱中、爬升段也产生了漩涡运动，粉尘粒子的运动都是气体携带诱导的，这会损失气体的一些能量，由计算数据可知，烟气中有粉尘的条件下，会相应的增加气体总压损失，烟道阻力也会更大一些。

图9 烟道内部不同直径尺寸粉尘粒子运动轨迹

表3给出了烟道中从空预器出来的两路烟气流量的均衡性情况。可以看到，假设两台空预器内部发生问题或阻塞程度不同时，比如两路烟气，一路在原有流量基础上增加5%，另一路在原有流量基础上减少5%，那么由此带来的烟道总阻力是增加的，而且在后续的除尘器入口附近，两路烟气的流量不均衡程度还会扩大，流量偏差接近了±14%；而若两路由空预器带来的入口流量偏差±10%的话，那么后续除尘器入口的烟气流量偏差则达到±18%，而且流动还是不稳定的，流量存在波动。这估计是联箱没有发挥出应有的作用。

表3两路烟道流量均衡性研究

5 结束语

文中开展的电站锅炉尾部烟气在烟道内部的流动情况的数值模拟仿真，不仅研究了烟气与粉尘在烟道内的流动与相互作用的现象，而且为今后烟道优化提供了指导思想，可以得到以下结论：

(1)经过对烟道内烟气运动的数值计算，得到了烟道阻力，不考虑粉尘与考虑粉尘条件下烟道阻力二者差异约26 Pa。研究表明，烟气经过绕流内部支撑结构，给气流带来了损失，在拐角附近、联箱中、爬升段也产生了漩涡运动，是烟道阻力主要产生的地方，气流中携带的粉尘粒子，也会损失气体的一些能量。

(2)在烟道的两路烟气流量的均衡性研究中，可以看到，两路烟气在原有流量基础上偏差±5%时，那么后续的除尘器入口两路烟气的流量偏差接近了±14%，而若两路烟气流量偏差±10%的话，那么后续除尘器入口的烟气流量偏差则达到±18%，而且流动还存在不稳定性，导致流量始终有波动。