董勇，秦明臣

(山東大學燃煤污染物減排國家工程實驗室，山東濟南250061)

多管濕式靜電除塵器等壓入口設計研究

董勇，秦明臣

(山東大學燃煤污染物減排國家工程實驗室，山東濟南250061)

針對多管濕式靜電除塵器入口煙氣均布的要求，基于流體力學原理，提出了入口等壓煙道布置方式，分析了沿程壓力分布模型，并通過FLUENT軟件對某電廠600MW機組配套多管濕式靜電除塵器內部流場進行了數(shù)值模擬。結果表明，采用等壓入口煙道后陽極管束入口截面速度和粉塵濃度分布均勻，系統(tǒng)阻力損失較小，入口截面氣流均布系數(shù)小于0.2。該等壓入口設計能夠降低以往導流設計的復雜性，節(jié)約成本，便于施工。

濕式靜電除塵器;多管;等壓入口;流場;數(shù)值模擬

0 引言

濕式靜電除塵器是目前火電廠煙氣深度凈化系統(tǒng)的主要設備之一［1－4］，除塵器內流場分布的均勻性顯著影響其除塵效率［5］。入口煙道流速分布對除塵器內部流場均勻性有重要影響，合理的入口煙道布置形式，能夠獲得較好的流場分布特性和較低的系統(tǒng)阻力損失。然而，現(xiàn)有濕式靜電除塵裝置由于空間布置限制，需多次轉向，造成流場不均。同SCR裝置類似，為了獲得均勻流場，須在煙道各彎頭、變徑、入口、上游氣室等部位布置大量導流板及整流格柵［6－10］，上述復雜導流結構帶來較大阻力損失，并且在濕式靜電除塵期內加裝的導流板存在腐蝕、磨損等問題。本文基于流體力學原理，經(jīng)過理論分析，提出了入口等壓煙道設計方案，以實現(xiàn)入口煙氣的均勻分布，并通過數(shù)值模擬的方法，優(yōu)化了等壓煙道布置形式。

1 等壓煙道設計原理

在濕式靜電除塵器本體入口處，由于煙氣沿入口流動方向不斷分流，其流量不斷減小，軸向速度下降，因此煙氣動壓減小而靜壓增加，如圖1(a)、1 (b)所示。由于軸向存在分流，不滿足連續(xù)性方程的要求，不易采用伯努利方程進行靜壓變化的分析［11］，因此應用動量方程來建立等壓煙道數(shù)學模型。取入口某微元段dx，如圖1(c)所示，在A及B所構成的控制體中，列出x方向上的動量方程式:

式中:p為靜壓;△pf為阻力損失;ρVxdv為煙氣從等壓煙道進入支管處的軸向動量分量;Vx為軸向速度分量，經(jīng)整理后得:

式中:h0為等壓煙道入口高度。

流體沿y軸方向運動的推動力為靜壓差△px，為得到等壓煙道斜面設計尺寸hx的變化函數(shù)表達式，做出如下假設:(1)沿煙道軸向煙氣分流是連續(xù)的;(2)忽略分流中的煙氣摩擦阻力△pf;(3)各支路分流流量相等，即Vy為常數(shù);(4)推動力△px沿入口軸線方向不發(fā)生變化，可實現(xiàn)入口煙氣分布均勻，即要求dp=0。

圖1 入口煙道布置方式壓力變化示意

因此，從式(2)知:

由控制體內的質量守恒，每個微元段的分流量等于軸向質量流量的減少，因此有:

式中:Vy=vinh0/L，vin為入口軸向煙氣速度，L為等壓煙道設計寬度。對式(4)積分并整理得:

上式即為等壓煙道高度漸變公式。當設計的垂直入口縱向整流格柵將截面分為n段時，末端高度hn應為h0/n。

2 應用案例與分析

2.1 物理模型

圖2為某電廠600MW機組配套濕式靜電除塵器結構示意，處理煙氣量2530000m3/h。煙氣由濕法脫硫塔頂部流經(jīng)入口煙道彎頭和方圓節(jié)，進入除塵器本體入口，本體底部為等壓煙道設計，上方通過整流格柵對煙氣進行導向及分流［12］，煙氣流經(jīng)陽極管束區(qū)后，由頂部煙囪排出。濕式靜電除塵器入口煙道平均流速3.5m/s，多管濕式靜電除塵器陽極管內切圓300mm，管束內設計平均速度2.5m/s。

為簡化數(shù)學模型，假定濕式靜電除塵器內煙氣為常物性不可壓縮流體，陽極管束區(qū)域處理為各向異性多孔介質。通過分析本體內流體速度分布，陽極管束上游截面速度均布系數(shù)、系統(tǒng)阻力損失和灰分濃度分布等，探討等壓煙道布置方案的流場均布特性。

2.2 速度分布

濕式靜電除塵器內流場分析最關心的問題之一是速度分布的均勻性。圖3為中心縱截面速度分布云圖，從圖3可知，流場在入口煙道內分布并不均勻，由于煙氣流經(jīng)彎頭及天圓地方，流動方向發(fā)生了較大的變化，為防止煙氣在進入下氣室時除塵器入口煙氣上下偏差過大，在入口設置一塊弧形導流板。煙氣進入下氣室后，整流格柵內沿流向的各相鄰格柵板形成了一系列煙氣分流通道，模擬結果顯示，各支路分流速度在2～3m/s，較為均勻。

圖2 濕式靜電除塵器結構示意

圖3中心縱截面速度分布

圖4 為等壓煙道內y和z軸方向分速度，由等壓煙道設計原理知，在單個微元體dx中，y軸方向上v應為常數(shù)，z軸方向上的分流量也應相等，因此在整個截面內y和z軸方向分速度應不變。從圖4可知，y軸分速度約為15m/s，z軸分速度約為2.5m/s，但在入口處受彎頭的影響，vin在整個截面分布并不均勻，導致靠近入口處的z軸向速度分量較小。整體而言，模擬結果同理論分析一致。

圖4 等壓煙道內Y和Z軸方向分速度

為了對除塵器內的流場分布效果進行定量分析，采用速度均布系數(shù)Cv進行研究［13］，定義為:

其中:

圖5為陽極管束入口上游0.5m處截面速度分布，從圖可知，截面內速度分布均勻，經(jīng)(6)計算的截面速度均布系數(shù)為0.178，小于規(guī)定值0.2。

圖5 陽極管束上游0.5m處速度分布

2.3 壓力分布

濕電除塵器內阻力損失相對較小，本實例系統(tǒng)總阻力損失約為294Pa。煙氣流過陽極管束造成的阻力損失不到10Pa，一般可以忽略不計。

圖6為等壓煙道及下氣室y軸方向壓力變化，理想條件下，pin與pout應為一條水平線，如圖1(b)所示，然而，入口截面各點速度vin并不相等，造成等壓煙道內的壓力沿煙氣流向有一定程度的降低，推動力△px也逐漸降低，產(chǎn)生圖5中入口側速度略高，對側速度略低的煙氣分布特點，該現(xiàn)象可通過微調整流格柵安裝位置進一步改善。

圖6 等壓煙道及下氣室y軸方向壓力變化

2.4 灰分濃度

由于煙氣中99%以上的灰分顆粒都已在靜電除塵器和濕法脫硫塔中得到了有效去除，進入濕式靜電除塵器的煙氣含塵量較少，大部分都是粒徑小于10μm的液滴、粉塵或氣溶膠，本文選取平均粒徑為5μm的顆粒進行研究，粒徑服從rosin－rammler分布規(guī)律，最大粒徑10μm，最小1μm，分布指數(shù)n為3.5，含塵量取100mg/m3。圖7為陽極管束上游0.5m處的粉塵濃度分布。

圖7 陽極管束上游0.5m處粉塵濃度分布

從圖7可知，顆粒在整個截面內分布均勻，偏差較小。同SCR流場分布特性模擬研究相比，由于此處均為微細顆粒物，其所受的慣性力不足以克服煙氣的曳力作用，因此，顆粒的煙氣跟隨特性很強，一般只要煙氣速度場分布均勻，離散相就不存在明顯偏差，不必再考慮顆粒的沉積特性。

3 結語

本文通過流體力學基本原理，對濕式靜電除塵器等壓煙道設計進行了理論分析，并通過600MW機組配套濕式靜電除塵器流場模擬研究，得到如下結論:

忽略煙道摩擦阻力損失后的簡化等壓煙道尺寸設計公式為hx=(1－x/L)h0。

等壓煙道及整流格柵組合方式保證了陽極管入口截面速度分布的均勻性，均布系數(shù)滿足小于0.2的要求。除塵器內微細顆粒物的煙氣跟隨特性較好，濃度分布均勻;系統(tǒng)總阻力損失小于300Pa，陽極管束區(qū)域阻力損失低于10Pa，可忽略不計。

等壓煙道設計簡化了導流布置方案，可以采用廉價玻璃鋼制作整流格柵，降低了施工難度和成本，減輕了設備腐蝕。采用等壓煙道下氣室斜底設計也有利于灰漿的排出，使?jié)袷届o電除塵器本體設計有章可循。

［1］常景彩.柔性集塵極應用于燃煤脫硫煙氣深度凈化的試驗研究［D］.濟南:山東大學，2011.

［2］時超林，潘衛(wèi)國，郭瑞堂，等.火電廠濕式靜電除塵器的發(fā)展現(xiàn)狀綜述［J］.電力與能源，2013(5):493－496.

［3］趙鵬，陳勇，蹇浪.濕式靜電除塵器在火電廠中的應用探討［J］.能源與環(huán)境，2013(6):95－96.

［4］劉媛，閆駿，井鵬，等.濕式靜電除塵技術研究及應用［J］.環(huán)境科學與技術，2014(6):83－88.

［5］金定強，馬修元，周凱，等.濕式靜電除塵器流場的數(shù)值模擬與優(yōu)化設計［J］.電力科技與環(huán)保，2015，31(1):32－35.

［6］沈丹，仲兆平，過小玲.600MW電廠SCR煙氣脫硝反應器內不同導流板的流場數(shù)值模擬［J］.電力環(huán)境保護，2007，23(1):42－45.

［7］王文選，趙繼海，周建鋒，等.600MW燃煤機組SCR脫硝工程設計特點［J］.電力科技與環(huán)保，2010，26(1):49－52.

［8］王鍵，朱彤，王倆，等.引入化學反應的600MW機組SCR脫硝系統(tǒng)模擬［J］.電力科技與環(huán)保，2012，28(4):31－33.

［9］王偉.SCR脫硝反應器入口煙道流場模擬研究［D］.濟南:山東大學，2010.

［10］王明軒.某燃煤電廠300MW機組SCR煙氣脫硝裝置結構優(yōu)化和應用研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2014.

［11］車得福，莊正寧，李軍，等.鍋爐(第2版)［M］.西安:西安交通大學出版社，2008.

［12］汪洋，崔一塵，吳樹志，等.脫硝反應器煙氣整流格柵流場數(shù)值模擬研究［J］.熱力發(fā)電，2009(11):28－34.

［13］楊凱元.2×600MW機組電袋復合式除塵器流場優(yōu)化模擬［D］.保定:華北電力大學，2014.

［14］陳山.大型電站鍋爐煙氣脫硝選擇性催化還原系統(tǒng)優(yōu)化研究［D］.杭州:浙江大學，2007.

［15］陳蓮芳.脫硝反應器流場與反應物混合模擬優(yōu)化［D］.濟南:山東大學，2011.

Research on the design of isostatic inlet flue of multi－tube wet electrostatic precipitators

In order to meet the uniformity requirements of flue gas in multi－tube wet electrostatic precipitators (WESP)，a type of isostatic inlet flue was put out based on aerodynamics，and then，the pressure distribution model was analyzed.Numerical simulation for a multi－tube WESP of 600MW unit was implemented using the commercial software FLUNET.Results show that this design can get a more uniform velocity distribution as well as dust concentration.The system pressure drop was small and the velocity standard deviation coefficient at inlet cross－section of anode bundle was less than 0.2.This design could also reduce the complexity of flow field optimization，lower cost，and facilitate construction.

wet electrostatic precipitator;multi－tube;isostatic inlet;flow filed;numerical simulation

X701.2

B

1674－8069(2016)02－018－04

2015-10-21;

2015-12-26

董勇(1967-)，男，山東壽光人，山東大學教授，主要從事燃煤污染物控制方面的研究工作。E－mail:dongy@sdu.edu.cn