金定強(qiáng)，馬修元，周凱，申智勇，莊柯

(國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇南京210031)

濕式靜電除塵器流場(chǎng)的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

金定強(qiáng)，馬修元，周凱，申智勇，莊柯

(國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇南京210031)

濕式靜電除塵器流場(chǎng)的分布對(duì)煙氣深度凈化具有重要意義，采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)某項(xiàng)目600MW燃煤發(fā)電機(jī)組濕式靜電除塵器的內(nèi)部流場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明，流量分配和氣流整流是內(nèi)部流場(chǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)。有關(guān)流量分配的設(shè)計(jì)需在確保各電場(chǎng)流量分配均勻的同時(shí)不明顯增加煙風(fēng)系統(tǒng)阻力，而氣流整流的設(shè)計(jì)方案可同時(shí)運(yùn)用氣流均布板和整流格柵，此設(shè)計(jì)方案不僅可降低整套整流方案的壓損，還有利于整流方案的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化調(diào)整，提高裝置可靠性。

除塵器;流場(chǎng);數(shù)值模擬;導(dǎo)流板;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

目前，濕式靜電除塵器已成為火電廠煙氣深度凈化系統(tǒng)的主要裝置之一，其內(nèi)部煙氣流動(dòng)的分布狀況對(duì)除塵器的壓降特性、除塵效率等參數(shù)有著至關(guān)重要的影響［1－4］。近年來(lái)，隨著CFD數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，正已逐步應(yīng)用于火電廠大型設(shè)備的模擬煙氣流場(chǎng)中［5－7］。先進(jìn)的CFD數(shù)值模擬技術(shù)因其精度和可靠性彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足，為實(shí)際工程的應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的保障［8－14］。

某項(xiàng)目600MW燃煤發(fā)電機(jī)組尾部煙氣處理采用石灰石－石膏濕法全煙氣脫硫設(shè)備。為了滿足新標(biāo)要求，同時(shí)解決脫硫系統(tǒng)排放煙氣中的石膏漿液、霧滴攜帶導(dǎo)致的“石膏雨”問(wèn)題，電廠對(duì)1號(hào)機(jī)組加設(shè)濕式靜電除塵裝置。為了配合濕式靜電除塵器的初步設(shè)計(jì)，本文采用CFD數(shù)值模擬的方法，對(duì)除塵器的流場(chǎng)分布、除塵室的流量分配、以及整流格柵等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與研究，通過(guò)對(duì)比不同方案，從而確定最佳的調(diào)節(jié)方式。

1 物理模型

濕式靜電除塵器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，按設(shè)計(jì)尺寸對(duì)濕式靜電除塵器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，煙氣由脫硫塔出口經(jīng)頂部彎道進(jìn)入除塵器本體，經(jīng)除塵器處理過(guò)的凈煙氣在出口聯(lián)箱匯集，最終由聯(lián)箱出口排出。為了簡(jiǎn)化數(shù)值模擬過(guò)程，方便獲得煙氣在除塵器內(nèi)部的流場(chǎng)分布特性和阻力特性，假定煙氣在流經(jīng)除塵器過(guò)程中的物理性質(zhì)恒定不變。通過(guò)討論除塵器內(nèi)部的導(dǎo)流板、整流柵格的分布，確定其最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 數(shù)學(xué)模型

采用局部平均法對(duì)濕式靜電除塵器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以便更好地處理模型中的物理量。在該方法中，連續(xù)相流體質(zhì)點(diǎn)變量被離散網(wǎng)格內(nèi)的局部平均變量所代替。其方法的主要要求是網(wǎng)格內(nèi)包含多個(gè)顆粒，同時(shí)各網(wǎng)格之間速度、溫度等參量的變化與整個(gè)氣相系統(tǒng)內(nèi)參量的宏觀變化相比，浮動(dòng)不大。針對(duì)濕式靜電除塵器內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)的特征，所有這些條件均能滿足。

圖1 濕式靜電除塵器結(jié)構(gòu)示意

連續(xù)性方程:

式中:ε空隙率;u氣體速度矢量;ρg氣體密度。

動(dòng)量方程:

式中:g是重力加速度;p是氣體壓力;τg是氣體應(yīng)力張量;Sm為動(dòng)量方程的源項(xiàng)，可以表示如下:

式中:Vcell為當(dāng)?shù)亓黧w計(jì)算網(wǎng)格的體積Np為該網(wǎng)格中的顆粒數(shù);FD，i為顆粒i所受的流體力，主要為氣體曳力。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型:

式中:Skd是由于顆粒的運(yùn)動(dòng)引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，定義如下:

這里，β是流體曳力系數(shù)。式(6)右邊的第一項(xiàng)是由于固體顆粒阻礙而引起的k產(chǎn)生項(xiàng)，第二項(xiàng)是氣固兩相間湍動(dòng)能交換項(xiàng)，也稱為湍動(dòng)能重分配項(xiàng)。Δu是氣相速度波動(dòng)，Δv是顆粒項(xiàng)的速度波動(dòng)。湍動(dòng)能重分配項(xiàng)可以計(jì)算為:

式中:τd是顆粒相相應(yīng)時(shí)間尺度;τl是氣體相拉格朗日時(shí)間尺度，定義為:

這里σs是湍動(dòng)Schmidt數(shù)。式中Sεd則是由于顆粒相而引起的耗散率產(chǎn)生項(xiàng)，可計(jì)算為:

式中:C3是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 除塵室流量分配特性

對(duì)某項(xiàng)目濕式靜電除塵器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的限制，除塵器內(nèi)兩個(gè)除塵室與脫硫塔出口位置有一定偏斜，使之不能對(duì)稱分布，導(dǎo)致除塵器兩個(gè)除塵室的煙氣流量不一致。圖2為未對(duì)除塵器采取調(diào)節(jié)措施時(shí)濕式靜電除塵器入口處的流場(chǎng)分布數(shù)值模擬結(jié)果。從圖2可知，在未采取調(diào)節(jié)措施時(shí)，濕式靜電除塵器兩個(gè)除塵室的入口流量相差較大，兩個(gè)除塵室流量比例分別為66%和34%。

圖2 濕式靜電除塵器入口流場(chǎng)分布數(shù)值模擬結(jié)果

為了使?jié)袷届o電除塵器兩個(gè)除塵室的工作負(fù)荷相一致，即通過(guò)兩個(gè)除塵室入口處的煙氣流量相同，在除塵器入口聯(lián)箱中加裝了帶有一定傾角的導(dǎo)流板［15－16］。

圖3給出了對(duì)濕式靜電除塵器入口增設(shè)不同數(shù)量的導(dǎo)流板后，其氣流分布數(shù)值模擬結(jié)果。從圖3可知，安裝導(dǎo)流板后，除塵器入口處的氣流分布明顯得到改善，兩個(gè)除塵室入口處的流量相差變小，兩個(gè)除塵室內(nèi)的工作負(fù)荷趨于一致，這樣有利于提高濕式靜電除塵器的工作效率，減小除塵器的事故發(fā)生率。隨著導(dǎo)流板數(shù)量的增加，脫硫塔出口處的流場(chǎng)分布惡化，兩個(gè)除塵室的工作負(fù)荷差距較大，與未安裝導(dǎo)流板時(shí)相比，除塵器入口處的流場(chǎng)分布并未得到顯著改善。

圖3 導(dǎo)流板對(duì)靜電除塵器入口流場(chǎng)分布特性的影響

模擬結(jié)果表明，在聯(lián)箱內(nèi)增設(shè)一塊導(dǎo)流板可使除塵器1、2室的負(fù)荷分別為50.7%和49.3%，達(dá)到濕式靜電除塵器的工業(yè)應(yīng)用要求。

3.2 整流柵格的作用評(píng)價(jià)

煙氣由濕式靜電除塵器頂部煙道進(jìn)入除塵器本體時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)流通截面，此截面面積逐漸擴(kuò)大，煙氣在慣性力的作用下會(huì)沿著原來(lái)的方向前進(jìn)，導(dǎo)致煙氣在除塵室內(nèi)部的流場(chǎng)分布不均勻，在除塵室中心部，因煙氣流量較大，導(dǎo)致濕式靜電除塵器每一個(gè)除塵模塊的工作負(fù)荷較大;而在除塵室邊壁附近，因煙氣流量較小，導(dǎo)致該區(qū)域除塵模塊的工作負(fù)荷較小，這就使得除塵器整體工作效率較低，除塵效果較差。為了使煙氣在從除塵器頂部煙道進(jìn)入除塵室的過(guò)程中，煙氣流場(chǎng)分布始終保持均勻狀態(tài)，必須在除塵器內(nèi)部安裝整流柵格。圖4給出了安裝整流柵格前后除塵室內(nèi)部流場(chǎng)分布數(shù)值模擬結(jié)果。

圖4 整流柵格對(duì)除塵室流場(chǎng)分布的影響

從圖4可以看出，未安裝整流柵格時(shí)，除塵室內(nèi)部流場(chǎng)分布不均勻，除塵室中心煙氣流量較大，邊緣煙氣流量較小;安裝整流柵格后，除塵室內(nèi)部的流場(chǎng)明顯得到改善，其效果基本處于均勻狀態(tài)。模擬結(jié)果表明，整流柵格對(duì)改善除塵室內(nèi)的氣流分布具有明顯的作用。

3.3 氣流分布板的作用評(píng)價(jià)

為了對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)一步優(yōu)化，在除塵器喇叭口位置處安裝氣流分布板，圖5為氣流分布板在喇叭口處空間布置示意。

圖5 氣流分布板的位置

我們對(duì)安裝氣流分布板后的除塵室流場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，安裝氣流分布板的除塵器流場(chǎng)分布趨于均勻，表明氣流分布板對(duì)除塵器的流場(chǎng)具有明顯的優(yōu)化作用［17－18］。

3.4 濕式靜電除塵器的阻力特性

煙氣流經(jīng)濕式靜電除塵器時(shí)的阻力特性是影響濕式靜電除塵器工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)主要因素，本文對(duì)濕式靜電除塵器內(nèi)各部分的煙氣阻力進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，煙氣流經(jīng)濕式靜電除塵器的總壓降為528.72Pa。這表明，煙氣在除塵器頂部彎道以及由除塵室進(jìn)入出口聯(lián)箱彎道的壓降較大，所以具有較大的優(yōu)化空間。因此，在不影響除塵器流場(chǎng)分布的情況下應(yīng)當(dāng)盡量?jī)?yōu)化該部分的空間結(jié)構(gòu)，以減少除塵器的總體壓降。

圖6 濕式靜電除塵器阻力特性模擬結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1)由于場(chǎng)地條件限制，濕式靜電除塵器兩個(gè)除塵室流量分配不均勻，在聯(lián)箱內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板可使除塵器1、2室的負(fù)荷均布達(dá)到50.7%和49.3%，同時(shí)對(duì)煙氣阻力影響較小。

(2)在濕式靜電除塵器入口喇叭中增設(shè)氣流分布板，可改善除塵器靜電室入口處的氣流分布，降低不同分區(qū)的速度偏差，對(duì)煙氣進(jìn)行初整流，同時(shí)對(duì)煙氣阻力影響較小。

(3)在陽(yáng)極模塊上方增設(shè)整流格柵，對(duì)煙氣流場(chǎng)進(jìn)行深度整流，在增加不高于50Pa阻力的條件下，可實(shí)現(xiàn)氣流均勻性指標(biāo)σ＜0.2，滿足工程要求。

研究發(fā)現(xiàn)，濕式靜電除塵器的流場(chǎng)設(shè)計(jì)主要包括流量分配、氣流分布、氣流整流三大部分。有關(guān)流量分配的流場(chǎng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)各電場(chǎng)流量均勻分配，但要求不明顯增加煙風(fēng)系統(tǒng)阻力;有關(guān)氣流分布和整流的流場(chǎng)設(shè)計(jì)目的都是為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)入陽(yáng)極模塊區(qū)間的流場(chǎng)均布，同時(shí)運(yùn)行氣流分布板和整流格柵兩種技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:在提高氣流均布性的同時(shí)可降低單格柵設(shè)計(jì)方案的壓力損失;整流格柵可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì);氣流分布板阻力小，調(diào)節(jié)范圍大，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況調(diào)整改進(jìn)，深度優(yōu)化，以滿足實(shí)際工程的要求。

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Numerical simulation and optimization design of flow field in the wet electrostatic precipitator

The flow field distribution of wet electrostatic precipitator has important significance for deep purification system.Numerical simulation was applied to investigate flow field in the wet electrostatic precipitator of 600MW coal－fired Power station in Xing Yang.The results show that the flow distribution and rectifier are two key features of the flow field.The design of flow distribution needs to ensure uniform distribution of the electric field of each flow and also adds a significant amount of smoke ventilation resistance，and airflow rectifier design should simultaneously use both the airflow and the rectifier grille cloth Panels，this design not only reduces the entire pressure loss rectification，but also conducive to standardization of design and rectifying the optimal adjustment，even improves device reliability.

precipitator;flow field;numerial simulation;deflector;optimum design

X701.2

:B

1674－8069(2015)01－032－04

2014-09-16;

:2014-12-10

金定強(qiáng)(1964-)，男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事燃煤電廠的鍋爐煙氣脫硫、脫硝和除塵技術(shù)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和研究工作。E－mail:jdq_gdhb@126.com

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA065401);國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院科技項(xiàng)目(H14Y01)