吳舒星，張 凱，周 煒，馬超超

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310008)

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CFD仿真的濕式除塵器流場均勻性的優(yōu)化設(shè)計

吳舒星1，張 凱1，周 煒2，馬超超1

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310008)

濕式電除塵器(WESP)對粉塵的適應(yīng)能力強，能達到很高的除塵效率，并且能有效去除煙氣中的亞微米級顆粒、SO3氣溶膠和石膏微液滴，對控制PM2.5、藍煙和石膏雨效果良好.我們利用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)軟件Fluent，對某電廠濕式除塵器機組內(nèi)部流場進行了仿真研究.根據(jù)濕式除塵器管道內(nèi)的氣流分布情況，設(shè)計導(dǎo)流板和氣流分布板，保證了在濕式電除塵器第一電場入口處的氣流均勻性，以保證濕式電除塵器達到最高效的除塵效果.

濕式電除塵器；計算流體力學(xué)；氣流分布

燃煤發(fā)電是我國的主要發(fā)電方式，燃煤電廠裝機容量約占全國電力發(fā)電機組總裝機容量的70%，由煤燃燒所產(chǎn)生的環(huán)境污染不容忽視，因此大批學(xué)者都對燃煤電廠的節(jié)能減排進行了綜合的研究與分析[1-2]，指出燃煤電廠減排的必要性及措施.而近年來，我國多地出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象，空氣質(zhì)量嚴重惡化，基于如今嚴重的環(huán)境形勢，國家出臺了新的火電廠大氣污染物排放標準，《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)中規(guī)定粉塵排放限值提高到30 mg/m3，重點地區(qū)提高到20 mg /m3，同時新標準也提高了NOx和SOx的排放限值，并增加了Hg的控制指標；在新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準(GB3095-2012)》，將PM2.5納入強制監(jiān)測范疇，如今單純的干式電除塵器已經(jīng)很難滿足要求[3].

濕式電除塵器(WESP)作為一種先進的煙氣治理技術(shù)，在實現(xiàn)超低排放、控制PM2.5和重金屬等復(fù)合污染物方面應(yīng)用效果良好.趙琴霞[4]等人詳細探討了濕式電除塵器在我國燃煤電廠的應(yīng)用前景，馬韻哲[5]等人運用生命周期評價方法分別計算燃煤電廠濕式除塵器各階段的能源消耗及對環(huán)境的影響指出其對環(huán)境有積極的改善作用.同時環(huán)保部在《環(huán)境空氣細顆粒物污染防治技術(shù)政策》中明確指出：鼓勵火電企業(yè)和大型燃煤鍋爐采用濕式電除塵等新技術(shù).趙旭[6]對國電沈陽熱電有限公司的濕式電除塵器裝置的改造工程進行了詳細的介紹與評價，并指出濕式電除塵器裝置實現(xiàn)了煙塵超低排放、改善廠區(qū)及周邊環(huán)境.

大量研究表明，濕式電除塵器的除塵效率取決于所有達到液滴表面或者進入并穿過液滴，或者粘附在液滴表面的塵粒數(shù)量，而氣流分布和水霧狀態(tài)對液滴與粉塵顆粒的接觸有重要影響，因此濕式電除塵器內(nèi)氣流的均勻性對濕式除塵器的除塵效率有直接影響[7-8].

本文以國內(nèi)某電廠改造的濕式電除塵器為例，采用CFD數(shù)值模擬的方法設(shè)計優(yōu)化濕式電除塵器流場，提出優(yōu)化方案，以便為濕式電除塵器的設(shè)計建造提供方案.

1 濕式除塵器介紹

1.1 工作原理

濕式電除塵器工作原理是利用高壓電暈放電使粉塵或水霧荷電，荷電的粒子在電場力的作用下到達集塵板，采用沖刷液沖洗電極，將收塵板上捕獲的粉塵沖刷到灰斗中隨之排出[9].

1.2 結(jié)構(gòu)

濕式電除塵器主要由進出口煙道、除塵器殼體、導(dǎo)流板、整流格柵、陽極收塵板、陰極線、絕緣箱、沖洗水系統(tǒng)、電源及控制系統(tǒng)組成.如圖1所示的為除塵器主體的外形結(jié)構(gòu)，煙氣從進口流入除塵器主體內(nèi)部，經(jīng)過其內(nèi)部的除塵裝置將煙氣中的粉塵、PM2.5等有害物質(zhì)去除，隨后經(jīng)過除塵后的煙氣通過出口管道從煙囪排出.

圖1 電除塵器主體外形Figure 1 Appearance of WESP

1.3 評價標準

濕式電除塵器內(nèi)氣流分布均勻的評價標準采用相對均方根值法(RMS)：

(1)

本濕式除塵器機組要求在第一電場進口處斷面的氣流均勻性為：σ≤0.2.

1.4 計算模型

根據(jù)電廠提供的濕式除塵器設(shè)計圖紙，建立相對應(yīng)的除塵器機組模型，同時提取仿真所需的流體區(qū)域，圖2的是除塵器機組模型的流體區(qū)域.本濕式除塵器機組包括有：兩臺濕式除塵器、進出口煙道以及煙囪和脫硫塔.工作時，煙氣從脫硫塔中進入到進氣管道，流入兩臺濕式除塵器中進行除塵，最后通過出口管道將除塵達標后的煙氣排放出.

圖2 濕式除塵器計算模型Figure 2 Calculation model of WESP

但是，因為電廠內(nèi)建造場地以及原有設(shè)備位置的限制，最初設(shè)計的進出口管道的結(jié)構(gòu)并不能保證氣體在進入濕式除塵器時氣流分布是均勻的，另外也不能夠保證進入兩臺除塵器中煙氣的流量相等.因此在進口管道內(nèi)設(shè)計、安裝導(dǎo)流板和氣流分布板來確保兩臺濕式除塵器達到最佳工作狀態(tài)是必要的.

2 數(shù)值計算

2.1 劃分網(wǎng)格

使用Fluent的前置網(wǎng)格劃分軟件Gambit對整個模型進行網(wǎng)格的劃分，但考慮到整個除塵器機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將整個模型分成多個部分進行網(wǎng)格的劃分.整個機組模型的網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，在保證計算精度的前提下，網(wǎng)格總數(shù)控制在300萬左右.

2.2 控制方程及邊界條件

使用數(shù)值仿真軟件Fluent來進行數(shù)值計算，采用湍流模型k-ε雙方程模型，壁面邊界層采用壁面函數(shù)法處理.控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、湍動能k方程和耗散率ε方程[10].

連續(xù)方程為

(2)

動量方程為

(3)

湍動能k方程

(4)

耗散率ε方程

(5)

模型中煙氣進口處在脫硫塔上部，氣流分布比較均勻，因此在Fluent中設(shè)置進口的邊界條件為速度進口；出口處采用壓力出口邊界條件；導(dǎo)流板以及氣流分布板采用固體壁面的邊界條件.采用SIMPLEC算法，對流項差分格式采用二階迎風(fēng)格式.

2.3 設(shè)計與優(yōu)化

每個除塵器機組內(nèi)包含有兩臺濕式電除塵器，但是因為在設(shè)計除塵器管道時必須首要考慮電廠場地因素，所以在最初并不能保證進入兩個電除塵器內(nèi)的煙氣流量相等.但是只有在保證進入兩個濕式除塵器中的煙氣流量均等，同時第一電場進口的σ值達標，才能使兩個除塵器都處在最佳工作狀態(tài).

2.3.1 流量分配優(yōu)化設(shè)計

在總的煙氣總流量為815 m3·s-1的工作狀態(tài)下，對未加裝過導(dǎo)流板的模型進行數(shù)值仿真，結(jié)果顯示，進入左右兩個除塵器的氣體的流量大小比值約為2:1.

圖3 濕式除塵器俯視圖Figure 3 Plan view of WESP

如圖3，為了讓進入兩個除塵器內(nèi)的煙氣流量相同，在進口管道的兩個位置處安裝導(dǎo)流板，同時縮減左右兩個除塵器之間聯(lián)通管道的口徑.經(jīng)過對導(dǎo)流板位置的多次調(diào)整與優(yōu)化后，表1所示的仿真結(jié)果顯示，進入左右兩個除塵器的體積流量分別為421 m3·s-1和414 m3·s-1，兩室的流量僅差1%，符合設(shè)計要求.

表1 除塵器左右兩邊流量分配比

2.3.2 氣流均勻性設(shè)計優(yōu)化

在保證了進入除塵器左右兩室的氣體流量相等后，就需要考慮管道中煙氣均勻性，即在第一電場進口處的σ值小于0.2.

為了讓煙氣在經(jīng)過第一電場進口時的氣流分布均勻，需要同時在兩個支管中加裝垂直的導(dǎo)流板，并且在第一電場進口前的進氣喇叭口內(nèi)部安裝氣流分布板.

經(jīng)過多次仿真與修改，最終導(dǎo)流板確認為如圖4所示的結(jié)構(gòu)，分別在進口管道內(nèi)的彎道處安裝兩塊導(dǎo)流板，同時在兩個進氣喇叭口內(nèi)分別安裝兩層氣流分布板.

圖4 濕式除塵器優(yōu)化后模型Figure 4 Optimized model of WESP

圖5給出了氣流分布板結(jié)構(gòu)示意圖，兩塊氣流分布板安裝在進氣喇叭口內(nèi)，它們是第一電場進口前的最后一道整流裝置.氣流分布板在實際安裝中是由若干根80 mm寬的鋼條焊接組成的孔板結(jié)構(gòu)，其中每個正方形的大小為220 mm×220 mm.

圖5 氣流分布板結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of air distribution plate

圖6所示的為除塵器機組水平截面的速度分布圖，從圖上可以看出：煙氣在經(jīng)過導(dǎo)流板后其速度分布相比較進口處有了較為明顯的改善，此時雖然時還有局部位置的煙氣速度分布不均勻，但最后煙氣在通過氣流分布板后，第一電場進口位置處的氣流分布較為均勻，說明我們所設(shè)計的導(dǎo)流板與氣流分布板起到了明顯的作用.

圖7為第一電廠進口處的截面圖，在左右兩個進口上分別平均選取5×9個點進行取值，將所得到的速度代入公式(1)中，計算其離散程度.根據(jù)公式(1)計算得到右側(cè)除塵器的第一電場進口截面的平均速度為3.777 m·s-1,相對均方根系數(shù)為σ=0.159；左除塵器的第一電場進口截面的平均速度為3.749 m·s-1，相對均方根系數(shù)σ=0.124.根據(jù)計算得到的兩個除塵器第一電場進口截面的σ均小于0.2，符合濕式濕式除塵器的設(shè)計要求.

圖6 水平截面的速度分布Figure 6 Velocity distribution on the horizontal section

圖7 第一電場進口截面處速度分布圖Figure 7 Velocity distribution at the cross-section of first electric field imports

3 結(jié) 論

本文采用了CFD數(shù)值仿真的方法來設(shè)計濕式電除塵器內(nèi)部的導(dǎo)流板與氣流分布板，有如下結(jié)論.

1)在加裝導(dǎo)流板之后，濕式電除塵器內(nèi)第一電場進口處煙氣的均勻性有了很大的改善，同時σ的值達到要求值0.2以下.

2)采用FLUENT軟件，可方便地對濕式電除塵器內(nèi)導(dǎo)流板進行設(shè)計優(yōu)化，并得到合理的優(yōu)化結(jié)果.

3)與制作實物模型進行實驗相比，CFD仿真具有重復(fù)性好，可視化等優(yōu)點.

4)使用CFD仿真進行優(yōu)化設(shè)計能夠降低時間與金錢的成本.

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Simulation and optimization of wet electrostatic precipitator air distribution based on numerical simulation

WU Shuxing1, ZHANG Kai1, ZHOU Wei2, MA Chaochao1

(1.College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2.China Tobacco Zhejiang Industrial Company Limited, Hangzhou 310008, China)

Wet Electrostatic Precipitator (WESP) can effectively remove submicron particles, SO3aerosol droplets and plaster in the flue gas and dust. WESP plays a positive role in the control of PM2.5, blue smoke and plaster. The internal flow field of the WESP was studied by using computational fluid dynamics(CFD). According to the air distribution situation of WESP, we designed guide pates and air distribution pates in the pipe to ensure the optimal field uniformity of the flow at the entrance of the first electric field and to achieve the optimal dust removal effect.

WESP; CFD; air distribution

2096-2835(2016)03-0301-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.03.011

2016-05-06 《中國計量大學(xué)學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

吳舒星(1992- )，男，江蘇省江陰人，碩士研究生，主要研究方向為流體機械的數(shù)值模擬.

E-mail:wushuxing120@163.com

張凱，男，副教授. E-mail: zkzb3026@gmail.com

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