引言
某水泥廠5000t/d熟料預分解窯水泥生產線為減少窯尾NOx排放，已配備了低氮燃燒技術及SNCR脫硝系統(tǒng)，但NOx排放及氨逃逸均達不到超低排放要求。為了實現(xiàn)煙氣NOx超低排放，在現(xiàn)有脫硝工藝基礎上增加了一臺塵硝一箱化除塵設備。塵硝一箱化是除塵和脫硝功能一體化集成設備，先進行高溫除塵，降低粉塵濃度，再進行SCR脫硝。這種設計可以大幅度減少催化劑用量且NOx可以達標排放，粉塵濃度降低可以有效地解決催化劑磨損、堵塞和中毒風險。
除塵器過濾單元的氣流平均速度、內流場的氣流均布是影響除塵器除塵效率和濾袋使用壽命的重要技術參數(shù)，同時也是可滿足SCR整體結構設計對第一層催化劑入口煙氣流速偏差<+15％要求的重要影響因素。除塵器結構直接影響著這兩個參數(shù)的合理取值。在此項目中，由于受現(xiàn)場條件制約，設備的外形尺寸被限制，無法通過擴大設備外形來滿足這兩個參數(shù)的取值。然而，我們可以利用氣流模擬技術對設備內部結構進行模擬優(yōu)化，依據(jù)內部流場流動跡線圖、袋底氣流速度分布圖、催化劑第一層入口煙氣流速分布及均方根差，分析結構存在的問題及改進方向，從而得到兩個參數(shù)合理的設計值，最終得到塵硝一箱化除塵器合理的結構設計。
設備的設計方案圖見圖1。
圖1 設計方案圖
圖2 花板布置編號
除塵器內部主要結構包括：進氣口導流板；氣體分布板(高度8640mm，分布板開孔率27％)；灰斗阻流板(每灰斗居中一件，且灰斗阻流板上沿高出灰斗上沿500mm)；濾袋、花板(布置編號見圖2)；催化劑(兩層)。
2.1 建模
數(shù)值模擬試驗范圍從除塵器進氣口到脫硝部分出口。內部結構包含進氣口導流板、氣體分布板、灰斗阻流板、內部支撐架、濾袋、花板、催化劑。按幾何比例為1：1建立的數(shù)值模擬試驗模型，方案模型如圖3所示，合理簡化除塵器殼體及催化劑結構。建模和氣流模擬仿真平臺分別為SW和FlowSimulation。
圖3 方案模型圖
2.2 仿真
進口邊界條件采用進口體積流量邊界條件；出口邊界條件采用壓力出口邊界條件；濾袋和催化劑分別采用相對應的多孔介質。網格劃分采用整體網格和局部網格結合，提高流固接觸局部細化等級。
2.2.1原始方案仿真結果及分析
2.2.1.1原始方案模型及仿真結果
原始方案模型見圖3。通過軟件模擬，得到內部流場流動跡線圖(圖4)、袋底氣流速度分布圖(圖5)、催化劑入口煙氣流速分布及均方根差(表1)。
圖4 內部流場流動跡線圖
圖5 袋底氣流速度分布圖
表1 原始方案催化劑入口煙氣流速分布及均方根差
2.2.1.2仿真結果分析
由圖4、圖5可以看出：
(1)氣流進入第一個灰斗后，經灰斗阻流板阻流，在第一個灰斗形成渦流后上揚，與下行氣流共同作用，至氣流上揚沖刷袋底，B、C袋區(qū)較明顯。
(2)氣流進入袋底區(qū)域后速度雖然有所下降，但是氣流仍然會在最后一個灰斗形成渦流。
(3)在B、C、D、E、F、G區(qū)袋底區(qū)域氣流速度明顯存在局部偏高的情況，且大部分區(qū)域氣流速度高于213m/s。之所以出現(xiàn)上述情況，我們認為與此有關：氣流從進氣口進入袋區(qū)時，大部分氣流方向沿正面板角度向下進入灰斗，造成灰斗阻流板對氣流阻擋面積過大。
2.2.1.3改進方案
針對上述出現(xiàn)的問題及原因分析，對結構設計做如下改進：
(1)調整原設計灰斗阻流板高度，將灰斗阻流板高于灰斗上沿500mm部分取消，這樣可以減少灰斗阻流板高度對氣流的阻擋。
(2)在第一個灰斗內增加一件灰斗阻流板，位于原來灰斗阻流板的前面。因氣流進入除塵器后是沿進氣口正面板向下流動，在第一個灰斗的灰斗阻流板前增加一塊阻流板后，可以減少阻流板對氣流的攔截量，減輕上揚氣流對主氣流的影響。
(3)增加水平阻流板。在進氣口正面板下沿和灰斗上沿之間增加水平阻流板來實現(xiàn)對氣流方向的微調整。
對于以上改進方案是否可以有效地改善氣流分布、減小上揚氣流對袋底的沖刷，仍采用CFD方法對改進方案進行氣流模擬試驗，以驗證改進方案的效果。
2.2.2第一次改進方案仿真結果及分析
2.2.2.1第一次改進方案模型及仿真結果
第一次改進方案模型見圖6。通過軟件模擬，第一次改進方案的內部流場流動跡線圖見圖7，袋底氣流速度分布圖見圖8，催化劑入口煙氣流速分布及均方根差見表2。
圖6 第一次改進方案模型
圖7 第一次改進方案內部流場流動跡線
圖8 第一次改進方案袋底氣流速度分布圖
表2 第一次改進方案催化劑入口煙氣流速分布及均方根差
2.2.2.2第一次改進方案仿真結果分析
根據(jù)第一次改進方案氣流模擬結果的流動跡線圖(圖7)和袋底氣流速度分布圖(圖8)來看：
(1)第一個灰斗不再產生上揚氣流，B、C區(qū)袋底氣流速度明顯減小；
(2)第一個灰斗和最后一個灰斗渦流情況明顯減弱；
(3)氣流走向有所改善，B、C、D、E、F、G區(qū)袋底區(qū)域氣流速度也有明顯改善。但是仍有大部分區(qū)域氣流速度高于1.5m/s。
(4)第一層催化劑入口煙氣流速偏差為15.8％，略高于設計要求。
(5)通過內部流場流動跡線圖4和圖7可以看出，氣流進入除塵器后在分布板下沿和正面板之間都存在氣流高速度區(qū)域，而且此處氣流速度是在氣流進入除塵器速度降低之后又升高。
原因分析：第一次改進調整和增加灰斗阻流板雖然改善了氣流分布，但效果并不理想，而且沒有從整體上降低氣流速度；兩次的結構方案都忽略了氣流在進入袋區(qū)前速度增高的問題。
2.2.2.3改進方案
針對第一次改進后出現(xiàn)的問題及原因分析，從降低整體氣流速度入手，直接擴大分布板下沿與正面板的垂直距離，保障煙氣通道暢通。因為分布板主要作用是保護濾袋，分布板下沿不宜高于濾袋袋底水平高度，所以分布板高度調整范圍有限。而除塵器外形受場地制約，進氣口也不能有大的改動，只能考慮對進氣口正面板作適當調整，具體改進如下：
(1)更改分布板的高度，使分布板下沿上移540mm。
(2)更改進氣口正面板下面一塊板的長度，使其上沿與分布板下沿處于同一水平高度。結合第一次改進對灰斗阻流板的調整，以及本次對進氣口正面板、分布板的調整進行第二次方案改進，并再次對內部流場做氣流模擬，以驗證經過兩次改進之后氣流分布情況、袋底氣流速度、催化劑第一層入口煙氣流速是否達到比較理想的狀態(tài)。
2.2.3第二次改進方案仿真
2.2.3.1第二次改進方案模型及仿真結果
第二次改進方案模型見圖9。
圖9 第二次改進方案模型
圖10 第二次改進方案內部流場流動跡線
圖11 第二次改進方案袋底氣流速度分布圖
表3 第二次改進方案催化劑入口煙氣流速分布及均方根差
表4 分布板下沿與正面板通道模擬結果數(shù)據(jù)對比
通過軟件模擬，第二次改進方案的內部流場流動跡線圖見圖10，袋底氣流速度分布圖見圖11，催化劑入口煙氣流速分布及均方根差見表3。分布板下沿與正面板通道之間的氣流參數(shù)對比見表4。
2.2.3.2第二次改進方案仿真結果分析
(1)通過對比，第二次改進方案有效且明顯降低了氣流速度。從表4的模擬結果數(shù)據(jù)對比中可以看到第二次改進方案確實降低了氣流流經分布板下沿與正面板間通道的氣流速度，而且氣流流經此處的平均速度下降了21.64％。
(2)袋底區(qū)域氣流速度滿足設計要求。對比三次方案模擬袋底氣流速度分布圖(圖5、圖8、圖11)，氣流速度分布隨結構改進而改變，并最終在第二次改進后袋底區(qū)域氣流速度基本保持在國際認可的氣流上升速度1m/s以下。
(3)第一層催化劑入口煙氣流速偏差為11.9％，滿足設計要求。
通過CFD氣流模擬，根據(jù)模擬結果分析，我們很容易看出設計改進對氣流分布和氣流平均速度調整的具體情況。通過前后對比，我們可以清晰地看出結構設計改進是否合理有效，是否能夠達到預期目標。根據(jù)氣流模擬試驗結果改進設計后，除塵單元袋底氣流能夠由最初的分布不太均勻到變得均勻、氣流速度過大調整到較理想設計值；催化劑第一層入口煙氣流速偏差也降為11.9％，滿足了SCR整體結構設計對第一層催化劑入口煙氣流速偏差要求。
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