李少華 王鐵營 宋 陽 郭婷婷

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司)

電除塵器斜射流對(duì)粉塵顆粒沉降影響的數(shù)值模擬

李少華**1，2王鐵營1宋 陽1郭婷婷2

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司)

電除塵器是火電廠中主要的除塵裝置，運(yùn)用多孔介質(zhì)模型模擬氣流分布板，通過調(diào)整氣流分布板的開孔率，形成較好的斜射流，采用雙流體模型中的混合模型對(duì)斜射流流型下的PM2.5進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)比了斜射流和均勻氣流兩種流型下PM2.5的體積分?jǐn)?shù)，得出斜射流可以提高電除塵器對(duì)PM2.5的除塵效率。

電除塵器 斜射流 粉塵顆粒 數(shù)值模擬

隨著國家環(huán)保治理力度不斷加大，對(duì)火電廠煙囪出口煙塵排放濃度的要求日益提高。新修訂的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223-2011)將燃煤電廠粉塵排放的濃度降低到30mg/Nm3，遠(yuǎn)低于以前的200mg/Nm3[1]。靜電除塵器(ESP)在我國大中型火電廠的除塵方式中占主導(dǎo)地位，雖然ESP的除塵效率一般可達(dá)99%[2]，但是其對(duì)PM10(粒徑小于10μm的顆粒)的除塵效率并不高，如PM2.5(粒徑小于2.5μm的顆粒)的除塵效率約為90.6%[3]。近年來對(duì)PM2.5的要求越發(fā)嚴(yán)格，迫使人們對(duì)電廠現(xiàn)有的ESP進(jìn)行改造，使其滿足要求。

影響ESP除塵效率的因素很多，其中含塵氣體在ESP中的分布是一個(gè)重要影響因素。國內(nèi)外一些設(shè)計(jì)經(jīng)常以增加電場數(shù)量、擴(kuò)大集塵面積來調(diào)整氣流分布的不足，這使得一次投資和運(yùn)行成本增加，而且許多舊ESP不允許增加電場和擴(kuò)大設(shè)備。與此相比，對(duì)ESP進(jìn)、出口加以改造調(diào)節(jié)氣流分布可提高除塵效率。近年來國外一些科學(xué)家提出了斜射流技術(shù)(Skewed Gas Flow Technology，SGFT)[4]，對(duì)電場入口處的流速采用上部高、下部低的方式，而出口與其相反，這樣就形成了斜射流，有效地減少反流損失，提高除塵效率。目前國內(nèi)外對(duì)粉塵顆粒的水平運(yùn)動(dòng)研究較多，對(duì)其垂直方向上的運(yùn)動(dòng)研究還很少，SGFT技術(shù)就是與粉塵垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)的研究，斜射流對(duì)提高ESP除塵效率有重大意義，因此對(duì)SGFT的研究很有潛力。以色列電氣公司(IEC)MD-A電站的4臺(tái)350MW的燃煤發(fā)電機(jī)組ESP上采用斜射流技術(shù)，使ESP排放物降低量約為50%～60%，其中PM10的顆粒通過率降低了46.3%，分析原因是由于二次揚(yáng)塵逃逸的減少，從而證明SGFT是減少排放物的簡便方法[5]。胡滿銀等在ESP模擬試驗(yàn)臺(tái)上，通過改變氣流分布板的開孔率，測量氣流分布，實(shí)驗(yàn)表明可以形成一定規(guī)律的斜氣流[6]。張霞等在均勻氣流和斜氣流狀態(tài)下進(jìn)行了粉塵沉降實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明斜氣流可以明顯改善粉塵在電除塵器中的沉降規(guī)律，有利于粉塵被收塵極捕集，提高除塵效率[7]。

筆者采用以Euler方法為基礎(chǔ)的混合模型，運(yùn)用商用Fluent軟件對(duì)ESP內(nèi)氣固兩相進(jìn)行模擬，通過調(diào)節(jié)氣流分布板的開孔率，形成斜射流，同時(shí)研究ESP本體結(jié)構(gòu)對(duì)含塵氣流的影響，為ESP的優(yōu)化改造提供理論基礎(chǔ)。

1 物理模型和數(shù)值計(jì)算方法

1.1幾何模型及網(wǎng)格劃分

筆者的模擬對(duì)象為一臺(tái)300MW機(jī)組的ESP(圖1)，ESP中電場的幾何尺寸為長17 000mm，寬8 000mm，高14 500mm。進(jìn)出口煙道截面為4800mm×3600mm，進(jìn)出口與電場采用喇叭形的封頭對(duì)接，在進(jìn)口處放3塊氣流分布板，電場出口處放1塊氣流分布板。氣流分布板位置的確定方法如下：

L=0.2Dr

(1)

Hp=0.8Dp

(2)

式中Dp——進(jìn)氣煙道口的水力直徑；

Dr——電場斷面上的水力直徑；

Hp——進(jìn)氣煙道出口到達(dá)第一塊氣流分布板的距離；

L——相鄰兩層氣流分布板的距離。

筆者用Solidworks 2012對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行建模，建模過程中，對(duì)模型進(jìn)行簡化，沒有考慮除塵器灰斗及振打裝置等。并用GAMBIT對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用了結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格技術(shù)。進(jìn)出口煙道、殼體和喇叭中采用六面體網(wǎng)格，氣流分布板區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量為932 000個(gè)。

圖1 ESP幾何模型1——ESP入口；2——入口第一塊氣流分布板；3——入口第二塊氣流分布板； 4——入口第三塊氣流分布板； 5——出口氣流分布板；6——ESP出口

1.2數(shù)學(xué)模型

1.2.1控制方程

混合模型的連續(xù)性方程為：

(3)

αk——第k相的體積分?jǐn)?shù)；

混合模型的動(dòng)量方程為：

(4)

n——相數(shù)；

1.2.2氣流分布板處理

氣流分布板是多孔板，想要精確計(jì)算，網(wǎng)格劃分就會(huì)很密，增加計(jì)算量。受計(jì)算機(jī)硬件的限制，需要用多孔介質(zhì)模型模擬氣流分布板。多孔介質(zhì)模型的阻力公式為：

(5)

式中C2——壓力跳躍系數(shù)；

Δm——?dú)饬鞣植及搴穸龋?/p>

α——多孔介質(zhì)滲透率；

μv——粘性系數(shù)。

1.3計(jì)算方法及邊界條件

通用控制方程離散運(yùn)用有限體積法，壓力-速度耦合則采用SIMPLE算法，并采用壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)的流動(dòng)，假定壁面處無滑移。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。進(jìn)口邊界條件為速度入口邊界條件，速度為12m/s；出口邊界條件為壓力出口邊界條件；氣流分布板采用多孔介質(zhì)，簡化為多孔跳躍邊界條件。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1氣流分布板最佳開孔率下模擬結(jié)果分析

根據(jù)SGFT理論，通過在電場進(jìn)出口使用不同開孔率的氣流分布板形成斜射流。入口氣流分布板下部開孔比上部多，出口處的氣流分布板的開孔正好相反，但在第三塊氣流分布板最下面的區(qū)域采用小開孔率，迫使氣流在此處向上走，使進(jìn)入電場的氣流有傾斜的趨勢。筆者的具體方法是將氣流分布板分成如圖2所示的小單元，經(jīng)過多次的模擬比較和分析，得出了形成斜射流的最佳的氣流分布板開孔率。

圖2 氣流分布板單元分區(qū)及其最佳開孔率

如圖3所示，第一塊氣流分布板的速度分布

相對(duì)均勻，因?yàn)槠溟_孔率是均勻的，但受到第二塊板的影響，出現(xiàn)了階梯分布，且下方速度大，上方速度小；由于第二塊氣流分布板開孔率由上向下逐漸增大，使得其阻力呈現(xiàn)出上大下小的分布格局，氣流通過第二塊板時(shí)，大量流向下部，這也因此使得第一塊氣流分布板會(huì)呈階梯狀；當(dāng)氣流流向第三塊板時(shí)，由于最下部的開孔率最小，迫使氣流向上流，進(jìn)入電場時(shí)有一個(gè)斜向上的速度分量，且因?yàn)殚_孔率的原因，出口氣流分布板上部的阻力小，下部的阻力大，這樣一來，大量氣流從上面流出，這樣就在電場中形成了氣流的斜向分布。流場的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以清楚地看出氣流分布板的速度分布和電場中氣流的斜向分布。

圖3 氣流分布板速度云圖

圖4 斜向氣流分布流場

依據(jù)SGFT可以把電場分為A、B、C、D 4個(gè)區(qū)域(圖5)。如圖5所示，A為低速流區(qū)域，因?yàn)檫@一區(qū)域到電除塵灰斗的距離長，粉塵顆粒沉降到灰斗的時(shí)間長，使其向后飄落的距離遠(yuǎn)，所以A區(qū)的低速氣流可以縮短粉塵顆粒向后飄逸的距離，有助于此區(qū)域的粉塵顆粒落進(jìn)入灰斗被收集；C區(qū)域?yàn)镋SP進(jìn)口的底部，區(qū)域內(nèi)的粉塵顆粒與灰斗的落差小，并且此區(qū)域的粉塵多為凝并成團(tuán)的顆粒，質(zhì)量較重，因此遇到較強(qiáng)的水平氣流，也不會(huì)向后飄逸太遠(yuǎn)，對(duì)粉塵顆粒的收集不會(huì)產(chǎn)生過大的影響；D區(qū)域?yàn)镋SP出口的底部，粉塵顆粒經(jīng)過第一、二電場的收集，進(jìn)入此區(qū)域的粉塵顆粒的粒徑較小，所帶電荷較小，不易被電集塵板收集，減少D區(qū)域的氣流流速可以增加粉塵顆粒在電場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，有助于粉塵顆粒的收集；B區(qū)域?yàn)槟┘?jí)電場的上部，此處的粉塵顆粒與灰斗的落差大，即便是低速氣流，也很難使粉塵顆粒落入灰斗，而且D區(qū)域與B區(qū)域相比粉塵含量較大，重點(diǎn)是收集D區(qū)域的粉塵顆粒，并且低速氣流可以有效地少二次揚(yáng)塵，使漏塵減少，提高除塵效果，所以應(yīng)降低D區(qū)域的流速，相應(yīng)提高B區(qū)域的流速[8]。

圖5 電場內(nèi)部流場分區(qū)示意圖

2.2斜射流下ESP中PM2.5體積分?jǐn)?shù)模擬分析

在電場中截出x=15m，x=20m，x=25m，x=30m 4個(gè)橫截面(圖6)來分析粉塵中PM2.5體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

圖6 電場截面位置示意圖

圖7表示4個(gè)橫截面上的粉塵顆粒PM2.5的體積分?jǐn)?shù)，沿除塵器的高度方向PM2.5的體積分?jǐn)?shù)逐漸變小，電除塵器下方(靠近灰斗的區(qū)域)的顆粒體積分?jǐn)?shù)大于其上方的顆粒體積分?jǐn)?shù)。這符合電除塵器中粉塵顆粒的沉降規(guī)律，顆粒因重力場的作用在豎直方向上沉降，使得下方的粉塵顆粒濃度大于上方的粉塵顆粒濃度，即下方的顆粒體積分?jǐn)?shù)大于上方的。3個(gè)橫截面x=15m、x=20m、x=25m上的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，是因?yàn)镻M2.5的質(zhì)量小，沉降時(shí)間長，使得水平漂移的距離長，所以ESP后方電場中的PM2.5的體積分?jǐn)?shù)大于前方電場中PM2.5的體積分?jǐn)?shù)。由于橫截面x=30m所在位置是第三電場的末端，此處有順時(shí)針的渦流，把PM2.5向前電場卷吸，在電場出口處的體積分?jǐn)?shù)會(huì)下降，所以此處PM2.5的體積分?jǐn)?shù)要低于前3個(gè)截面。

圖7 4個(gè)橫截面上的PM2.5的體積分?jǐn)?shù)

圖8分別為斜射流與均勻氣流4個(gè)截面上的PM2.5的體積分?jǐn)?shù)。從圖8a～c可以看出，在ESP的下部，斜射流中的PM2.5體積分?jǐn)?shù)比均勻氣流中的PM2.5體積分?jǐn)?shù)高，這是因?yàn)樾鄙淞髦蠥區(qū)域的氣流流速低于均勻氣流的相應(yīng)位置，使PM2.5向后漂移的距離短，有利于PM2.5豎直向的沉降，ESP上部斜射流中的PM2.5體積分?jǐn)?shù)比均勻氣流中的PM2.5體積分?jǐn)?shù)低，說明均勻氣流時(shí)，會(huì)有較多的PM2.5向后電場漂移，使得每一電場中底部的沉降量減少，從而影響除塵效果，圖8d也可以說明這一點(diǎn)，因?yàn)閳D8d所表示的是x=30m處的截面，此為電場出口處截面，從圖8d中可以看出均勻氣流的PM2.5的體積分?jǐn)?shù)大于斜射流中PM2.5的體積分?jǐn)?shù)，這說明均勻氣流中會(huì)有更多的PM2.5隨氣流逃離電場，影響除塵效果。

a. x=15m

b. x=20m

c. x=25m

d. x=30m圖8 斜射流與均勻氣流4個(gè) 截面上的PM2.5體積分?jǐn)?shù)

3 結(jié)論

3.1在煙道與電場入口處安裝3塊氣流分布板，電場出口處安裝1塊氣流分布板，4塊板采用不同的開孔率可形成較好的斜射流。

3.2斜射流相對(duì)于均勻氣流增加PM2.5在電場的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，有助于對(duì)顆粒的吸收，斜射流可以更充分地利用集塵板的面積，從而提高了ESP對(duì)PM2.5的收集效率。

[1] 王勵(lì)前，張德軒.火電廠的煙塵治理和排放標(biāo)準(zhǔn)[C].第十屆全國電除塵/第二屆脫硫?qū)W術(shù)會(huì)議論文集.廣州：中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)電除塵委員會(huì)，2003：78～92.

[2] 郝吉明，馬廣大. 大氣污染控制工程[M].北京：高等教育出版社，2002：178～199.

[3] 劉建忠，范海燕，周俊虎，等.煤粉爐PM10/PM2.5排放規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(1)：145～149.

[4] 李雪梅.電除塵器內(nèi)部氣流分布特性的數(shù)值研究[D]. 吉林：東北電力大學(xué)，2009.

[5] 郭輝.氣流分布與粉塵沉降規(guī)律的試驗(yàn)研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2006.

[6] 胡滿銀，趙俊起，韓祥，等.電除塵器斜氣流分布的實(shí)驗(yàn)研究[J].華北電力技術(shù)，2005，(1)：11～13.

[7] 張霞，宋麗娜，范啟娟，等.電除塵器斜氣流狀態(tài)下粉塵沉降試驗(yàn)研究[J].電力科技與環(huán)保，2010，26(1)：28～31.

[8] 張德軒，賀國燕，孔春林.新環(huán)保要求下火電廠除塵設(shè)備的選型[C].第十一屆全國電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.鄭州：中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)電除塵委員會(huì)，2005：128～138.

NumericalSimulationofElectrostaticPrecipitator’sObliqueFlowEffectonDustParticleSedimentation

LI Shao-hua1，2,WANG Tie-ying1,SONG Yang1,GUO Ting-ting2

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing102200,China)

The porous media model was employed to simulate the air flow distribution plate; through adjusting the aperture porosity of air flow distribution plate, a good oblique flow can be formed. Employing the hybrid model of the two-fluid models to simulate PM2.5 in oblique flow pattern and uniform flow pattern and analyzing their PM2.5 volume fractions show that the oblique flow pattern can improve the electrostatic precipitator’s efficiency in PM2.5 dust removal.

electrostatic percipitator, oblique flow, dust particle, numerical simulation

**李少華，男，1957年4月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.8

A

0254-6094(2015)02-0220-05

2014-06-18，

2015-03-12)