NUMERICKÉ SIMULACE ZAŘÍZENÍ PRO ODLUČOVANÍ PEVNÉ FÁZE ZE VZDUŠINY Autoři: Ing. Jan SEDLÁČEK, Ph.D., NTC, ZČU V PLZNI, e-mail: sedlacek@ntc.zcu.cz Ing. Richard MATAS, Ph.D., NTC, ZČU V PLZNI, e-mail: mata@ntc.zcu.cz Ing. Petr KOVAŘÍK, Ph.D., NTC, ZČU V PLZNI, e-mail: pkovarik@ntc.zcu.cz Ing. Michal KŮS, Ph.D., NTC, ZČU V PLZNI, e-mail: mks@ntc.zcu.cz Anotace: Příspěvek podává stručný náhled na numerické simulace realizované při analýzách odlučovacího procesu v elektrickém odlučovači a látkovém filtru. Všechny simulace byly realizovány pomocí výpočetního programu FLUENT 6.3.26 s významným využitím uživatelských funkcí. Annotation: The paper provides a short overview of numerical simulations performed upon analysis of precipitation process in electric precipitators and fabric filters. All simulations were done with use of software FLUENT 6.3.26 with extensive application of user defined functions. Úvod Tepelné elektrárny, teplárny, hutě, cementárny a další průmyslové provozy jsou neodlučně svázány se vznikem prachových částic různého chemického složení a velikostí, které jsou unášeny technologickým plynem. Jejich vypouštění do okolního prostředí je přitom, s ohledem na bezpečnost a ekologické dopady, nepřípustné, dovolená míra úletu je často stanovena legislativně. Pro zachycení těchto částic se proto používají různé typy separátorů a filtrů, přičemž v průmyslové praxi dominují elektrické odlučovače a látkové filtry. Ty umožňují filtrovat velké objemy plynů při zajištění vysoké účinnosti zachycení pevných částic. Pro velké průtoky jsou oba typy filtrů obvykle řešeny jako vícesekcové, u látkových filtrů se jedná obvykle o filtry hadicové Při nevhodném návrhu filtrů nemusí být dosaženo požadované účinnosti případně může během provozu docházet k nežádoucím efektům, např. abrazi filtračních hadic těžkými částicemi. Každý odlučovač je přitom fakticky unikát, s ohledem na různé provozní podmínky v daném místě instalace. Z toho důvodu jsou numerické analýzy odlučovacího procesu u těchto zařízení velmi významné. Tento příspěvek ve stručnosti, bez bližších detailů, prezentuje numerické simulace realizované při analýzách elektrických a látkových hadicových odlučovačů. 1
Výpočty elektrického odlučovače Simulace elektrického odlučovače byly řešeny na řadě dílčích geometrických modelů testovacích i reálných odlučovačů. Simulace byly, dle sledovaného parametru odlučovacího procesu, obvykle realizovány v několika etapách viz. Obrázek 1. V prvním kroku bylo pomocí uživatelsky definovaných skalárních proměnných a uživatelsky definovaných funkcí počítáno rozložení elektrického pole korónového výboje. Výpočet byl realizován na výpočetní síti zohledňující specifika elektrického pole s vysokými gradienty v blízkosti vysokonapěťových elektrod. Výstupem tohoto kroku bylo rozložení proudové hustoty resp. migrujícího prostorového náboje a intenzity elektrického pole ve výpočetní oblasti. S ohledem na potřebnou jemnou síť byla tato úloha obvykle řešena pouze na omezeném periodickém segmentu řešeného odlučovače. Výstupní data proto bylo nutné pomocí externího programu upravit pro následnou interpolaci do celé výpočetní oblasti druhého kroku simulace. Geometrický model odlučovače, provozní parametry CFD výpočet proudění plynu v modelu odlučovače rychlostní a tlakové pole Výpočet pole korónového výboje rozložení náboje, proudu, intenzity elektrického pole Simulace odlučovacího procesu vpuštění částic, výpočet jejich trajektorie, výpočet náboje částic, výpočet odlučovací elektrické síly, stanovení chování částic na stěně, výpočet usazené vrstvy částic, (zpětná koróna, elektrický vítr sekundární proudění, změna rozložení prostorového náboje atd.) Frakční odlučivost, provozní charakteristiky Obrázek 1: Schématický postup simulace odlučovacího procesu Druhým krokem simulace bylo dvoufázové proudění vzdušiny s diskrétní fází představující odlučovaný prach. Jednotlivé vpouštěné částice byly během nestacionárního výpočtu sledovány a s ohledem na jejich pohyb v modelu odlučovače odlučovány vlivem elektrických sil. Při jejich pohybu modelem byl v každém výpočetním kroku dopočítáván jejich náboj (s ohledem na jejich pozici, dobu setrvání a parametry elektrického pole) a následně byla do 2
jejich pohybové rovnice dopočtena elektrická síla ovlivňující jejich další pohyb. Elektrické pole bylo zároveň aktualizováno s ohledem na vliv prostorového náboje částic. Po dopadu částic na usazovací elektrodu byly řešeny parametry usazené vrstvy částic. U největších modelů dosahovala výpočetní síť velikosti cca 25 milionu elementů a během nestacionárního výpočtu bylo do modelu vpuštěno zhruba 110 milionu částic. Pro analýzu chování modelu odlučovače bylo nutné nejprve model částicemi naplnit a až poté bylo možné korektně sledovat parametry odlučovacího procesu. To zejména u velkých modelů o délce přes 10m výpočet značně prodlužovalo. Zároveň s uvedenými simulacemi komplexního odlučovacího procesu byla řešena i řada dílčích výpočtů jedno a dvoufázového proudění na modelech celého odlučovače včetně připojovacích potrubních systémů [1,2]. Výpočty látkového filtru Simulace látkového filtru byly předmětem příspěvku již v roce 2009 [3], kde byly uvedeny výsledky úvodní studie realizované na modelu malého odlučovače se 64 hadicemi. V rámci příspěvku byly diskutovány zkušenosti s různými způsoby modelování vlastních filtračních hadic. Použití pouze tlakové ztráty, tj. porous jump, dávalo, vzhledem k převažujícímu tangenciálním složkám rychlosti vůči stěnám hadic, zcela nereálné výsledky. Kombinace porous jump s porézní zónou ve vnitřním objemu hadice byla stabilnější z hlediska výpočtu, výsledky však přesto nebyly uspokojující. Proto bylo přikročeno k testování nejjednodušší náhrady velkým porézním blokem v rozsahu objemu všech hadic odlučovače a naopak k nejnáročnějšímu výpočtu s definováním stěny každé hadice pomocí porézní zóny o tloušťce cca 10mm. Nejlepších výsledků bylo dle očekávání dosaženo u posledního typu náhrady, při vhodně zvolených parametrech porézní zóny však bylo možné uspokojivou základní informaci o rozložení vzdušiny a částic získat i u náhrady velkým porézním blokem. Následné výpočty směřované na geometrii velkého šestikomorového odlučovače (počet hadic cca 1500) proto vycházely z náhrady porézními bloky v každé sekci, při zachování vlivu nepropustných den hadic a horní nosné stěny hadic. Postupným laděním odporů porézní zóny bylo dosaženo potřebné provozní tlakové ztráty odlučovače a smysluplné distribuce vzdušiny v modelu odlučovače. S ohledem na sledované kritérium rizika abraze hadic těžkými částicemi však přesto byla určitá pochybnost o souladu této zjednodušené náhrady s reálnou situací, kde vzdušina a částice mohou fakticky bez odporu proudit mezerami mezi jednotlivými hadicemi. Proto bylo, i přes očekávanou značnou velikost a výpočetní náročnost úlohy, přistoupeno ke srovnávacímu výpočtu na modelu s náhradou stěn jednotlivých hadic porézní zónou. Geometrický model byl redukován na polovinu (odlučovač je podélně přibližně symetrický), výpočetní úloha přesto dosáhla cca 24,7 milionu elementů. Odpory porézní zóny hadic byly v tomto případě zadány v kartézských souřadnicích (definování os jednotlivých cylindrických porézních zón by bylo velmi náročné). Výpočet byl řešen jako nestacionární pro nestlačitelné proudění vzdušiny, turbulence byla řešena pomocí standardního k-ε modelu. S ohledem na 3
významnější fluktuace proudu v některých částech modelu byl následně aplikován i RNG k-ε model. Zde došlo k neočekávanému efektu. Zatímco standardní k-ε model se choval velice příznivě a model dobře konvergoval, RNG k-ε model byl značně nestabilní a zejména, pro dosažení stejné celkové tlakové ztráty modelu odlučovače bylo nutné navýšit hodnoty odporů porézní zóny více než o řád! Příklady výsledků elektrický odlučovač Obrázek 2: Příklad výpočetní sítě pro simulaci elektrického pole korónového výboje Obrázek 3: Příklad rozložení intenzity elektrického pole na povrchu a v blízkosti vysokonapěťových elektrod 4
Obrázek 4: Příklad rozložení proudové hustoty a vektorů intenzity elektrického pole na řezech modely Obrázek 5: Příklad odlučování prachových částic na horizontálním řezu modelu se dvěma sekcemi Obrázek 6: Příklad distribuce zachycených částic velikosti 50µm na usazovací elektrodě malého modelu; dobře patrný vliv gravitace 5
látkový filtr Obrázek 7: Příklad proudnic a vektorů rychlosti v modelu s náhradou hadic velkým porézním blokem Obrázek 8: Redukovaný model s náhradou stěn jednotlivých hadic porézní zónou 6
Obrázek 9: Příklad proudnic a vektorů rychlosti na redukovaném modelu s náhradou stěn jednotlivých hadic porézní zónou Obrázek 10: Příklad vektorů rychlosti a kontur rychlosti v horizontálním řezu hadicemi na redukovaném modelu s náhradou stěn jednotlivých hadic porézní zónou 7
Závěr Tento příspěvek ve stručnosti prezentoval numerické simulace realizované při analýzách elektrických a látkových hadicových odlučovačů. V první části byl uveden stručný popis modelů a postupů simulací, druhá část dává, prostřednictvím ilustrativní obrazové dokumentace, představu o realizovaných výpočtech. Při realizaci prezentovaných simulací byla snaha o jejich konfrontaci s experimentálními výsledky. V některých případech, zejména u simulací proudění vzdušiny v elektrických filtrech a simulací elektrických polí, byla simulace resp. matematické modely a metody výpočtu s experimentem porovnávány, obecně však není k dispozici mnoho experimentálních dat. Důvodem je jednak technická obtížnost měření různých veličin na reálném zařízení za provozu a zároveň problém s přístupem na provozované dílo, kdy při měření nutně dochází k omezení provozu. Přesto lze výsledky vzhledem k rozsahu provedených simulací a průběžnou konfrontaci s provozními zkušenostmi považovat za dobře využitelné při návrhu a analýzách uvedených zařízení. Modely také umožňují detailní sledování trendů vlivu různých parametrů na provozní charakteristiky zařízení, což je jinými metodami nedosažitelné. Poděkování Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu (projekt FT-TA3/052) a za finančního přispění MŠMT v rámci projektu výzkumu a vývoje 1M06059. LITERATURA: [1] MATAS, R.; SEDLÁČEK, J.: Simulace procesu čištění spalin v energetických zařízeních. In Power system engineering, thermodynamics & fluid flow. V Plzni: Západočeská univerzita, 2008. s. 139-144. ISBN 978-80-7043-665-3. [2] MATAS, R.; WEGSCHMIED, F.: Modelování proudění vzdušiny v elektroodlučovači ELUIII. In Konference ANSYS 2009. V Praze: ARCADEA, 2009. s. 273-280. ISBN 978-80- 254-5437-4. [3] SEDLÁČEK, J.: Numerická studie proudění v modelu látkového filtru. In Konference ANSYS 2009. V Praze: ARCADEA, 2009. s. 281-286. ISBN 978-80-254-5437-4. [4] Uživatelský manuál ANSYS FLUENT 6.3. 8