某燃煤電廠大型布袋除塵器濾袋裝置的優化設計分析

鄭力瑋

（福建龍凈環保股份有限公司，福建龍巖 364000）

0 引言

由于國家對環保愈加重視，煙塵排放制度日益嚴格。燃煤電廠是我國大氣污染排放大戶，布袋除塵器作為最常用的燃煤電廠收塵設備，其性能需要進一步優化，由于已有設備本體和空間上的限制，布袋除塵器的設計變得更有挑戰性。本文結合工程設計實例，通過CFD數值模擬技術輔助，對某燃煤電廠350 MW熱電機組配套的布袋除塵器的兩種設計方案進行研究分析，并選取最優方案，為布袋除塵器的設計提供了參考依據。

1 除塵系統概況

某燃煤電廠350 MW熱電機組項目，鍋爐型式為：超臨界直流、全懸吊結構Π型煤粉鍋爐，其爐后除塵的相應配套為布袋除塵器，每臺鍋爐配兩臺布袋除塵器。鍋爐燃燒后含大量粉塵的煙氣經過回轉式三分倉預熱器后分兩個煙道進入兩臺布袋除塵器的進口，單臺除塵器處理煙氣量為901 560 m3/h，含塵煙氣進入除塵器進口煙道，通過布袋除塵器內部濾袋裝置過濾除塵，凈煙氣從除塵器凈煙箱出氣口離開除塵器。本案例布袋除塵器的外形設計如圖1所示。

圖1 布袋除塵器外形結構

2 布袋除塵器濾袋裝置的兩個不同設計方案

濾袋裝置是布袋除塵器的核心部件，內部過濾裝置的設計是整個除塵器設計的重點，濾袋裝置的設計首先考慮減小濾袋自身的阻力，其次通過濾袋的合理布置減小經過濾袋的氣流速度。本案例350 MW熱電機組項目配套兩臺雙室布置的布袋除塵器，鍋爐燃燒后煙氣經過預熱器后分為兩個矩形煙道分別進入兩臺除塵器的進口煙箱，在有限的除塵器內部空間限制下，基于同等的外形條件，分別設計兩個不同的濾袋的排列布置方案進行比較分析，尋求最佳布置方案。

本案例設定了方案A和方案B兩個方案，具體如下：

方案A：除塵器擬采用水平進風方式，煙氣進入布袋除塵器內部通過濾袋裝置除塵，凈煙氣從除塵器水平凈煙箱出氣口離開除塵器。其中濾袋選用圓周型排布，濾袋選型為橢圓形截面，如圖2所示。

圖2 方案A濾袋布置（其中一個濾室）

方案B：除塵器擬采用水平進風方式，煙氣進入布袋除塵器內部通過濾袋裝置除塵，凈煙氣從除塵器水平凈煙箱出氣口離開除塵器。其中濾袋選用矩形陣列排布，濾袋選型為圓形截面，如圖3所示。

圖3 方案B濾袋布置（其中一個濾室）

首先，依據以往工程實例和設計經驗，可以初步分析出濾袋排布的兩個方案的優劣。A方案濾袋布置相較于B方案更為緊湊，氣流會比較集中于濾袋分布密集區域，在同等的濾袋總有效過濾面積的前提下，A方案的過濾阻力和局部氣流速度會大于B方案，在不考慮不同方案所配套的清灰噴吹方式差異的情況下，一般會更傾向于選擇B方案，但還是需借助計算機CFD模擬來輔助分析不同方案內部過濾阻力的大小和流場分布的優劣，從而選擇出最佳的設計方案。

3 布袋除塵器的CFD模擬分析

3.1 幾何模型

在設定的兩個除塵器方案的基礎上，借助計算機CFD模擬分析布袋除塵器內部流場等數據。在布袋除塵器的CFD數值模擬中，首先需建立除塵器本體的幾何三維模型。按實際除塵器的結構尺寸分別對方案A和B除塵器結構建立幾何模型，并對模型進行適當簡化[1-2]。本案例布袋除塵器單個通道內袋區沿煙氣方向分為前、中、后3個區。對于布袋除塵器的內部濾袋布置，A和B兩個方案除塵器內部均布置了相同數量的濾袋，且濾袋具有同等的總有效過濾面積。

布袋除塵器三維示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 方案A布袋除塵器三維示意圖

圖5 方案B布袋除塵器三維示意圖

3.2 CFD模擬結果與分析

對兩個方案建立模型，設置邊界條件，劃分網格，分別由計算機對兩個除塵器設計方案進行計算分析。

3.2.1 整體流場分析

計算機計算結果顯示：方案A的除塵器濾袋局部流速最大為1.03 m/s；方案B的除塵器濾袋局部流速最大為0.87 m/s。通過濾袋流速可以判斷方案B的流場更佳。

除塵器內部整體速度云圖如圖6、圖7所示。

圖6 方案A除塵器整體速度云圖

圖7 方案B除塵器整體速度云圖

3.2.2 阻力與流量均勻性分析

借助計算機得出兩種方案除塵器內部的阻力與流量均勻性對照表，從表1和表2可以看出，兩個方案的相對流量偏差最大值的絕對值均在5%的范圍內，可見兩個方案的氣流分布皆較均勻。但方案B除塵器內部相對流量偏差絕對值均值相較方案A小，且方案B內部阻力128 Pa相對于方案A的156 Pa更小。

表1 內部阻力

表2 流量計算結果

由以上兩個方面可以總結出本案例的布袋除塵器內部濾袋裝置兩個設計方案優劣排序為：方案B＞方案A。

4 布袋除塵器阻力能耗的對比

除塵器阻力電耗按式（1）計算[3]：

式中：WR為除塵器阻力電耗；Q為除塵器單位時間處理的工況煙氣量；ΔP為除塵器壓力降（阻力）；0.85為風機效率。

本案例單臺除塵器處理煙氣量為901 560 m3/h，布袋除塵器的阻力每增加100 Pa，其增加的電耗約為29.463 kW·h/h。

假設本案例燃煤電廠350 MW熱電機組每年利用小時數為6 000，方案B和方案A對比，方案B單臺布袋除塵器的電耗約能夠降低4.95萬kW·h/a（僅考慮阻力電耗的情況）。

5 結束語

依據設計經驗和計算機CFD技術輔助，本案例中布袋除塵器內部濾袋裝置的設計選型為方案B的濾袋矩陣布置方案。

優良的布袋除塵器設計可使除塵器內部具有良好的氣流分布，并降低除塵器阻力，布袋除塵器阻力的大小會直接影響到下游的引風機電耗，相同工況下，除塵器阻力越小，引風機的功耗就越小，其電耗就越低。本文對某燃煤電廠350 MW熱電機組配套的布袋除塵器設計進行了研究分析，并選取了最優的濾袋布置方案，為布袋除塵器的設計提供了參考依據，有利于降低燃煤電廠環保設備的運行能耗，提高設備使用的經濟性。