王為術(shù)， 王 鑫， 張春杰， 王紀(jì)宏， 王保文， 姚明宇

(1.華北水利水電大學(xué) 熱能工程研究中心，鄭州 450011；2.大唐林州熱電有限責(zé)任公司，河南林州 455561；3.西安熱工研究院有限公司，西安 710032)

鍋爐煙道飛灰顆粒電除塵捕獲特性研究

王為術(shù)1， 王 鑫1， 張春杰1， 王紀(jì)宏2， 王保文1， 姚明宇3

(1.華北水利水電大學(xué) 熱能工程研究中心，鄭州 450011；2.大唐林州熱電有限責(zé)任公司，河南林州 455561；3.西安熱工研究院有限公司，西安 710032)

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型對(duì)1臺(tái)連接于鍋爐煙道的線板式靜電除塵器(ESP)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究了ESP內(nèi)煙氣流場分布、電暈電場以及飛灰顆粒的荷電特性和運(yùn)動(dòng)軌跡，并分析了電場力與湍流作用對(duì)煙氣流動(dòng)和飛灰顆粒捕獲的影響.結(jié)果表明：氣流分布板能均化煙氣流場,降低電場區(qū)入口煙氣流速；電場區(qū)飛灰顆粒質(zhì)量濃度沿深度方向逐漸降低，放電極電壓的增加使得飛灰顆粒荷電量增加，較強(qiáng)的電場力增強(qiáng)了收塵極板對(duì)飛灰顆粒的捕獲，提高了收塵效率；在較高的煙氣流速下飛灰顆粒所受慣性力增大，克服電場力逃脫收塵極板捕獲的能力增強(qiáng)，使得ESP收塵效率降低.

靜電除塵器； 飛灰顆粒； 湍流； 收塵效率； 數(shù)值模擬

鍋爐排煙是大氣中可吸入飛灰顆粒的重要污染源，因此對(duì)多技術(shù)協(xié)同高效除塵技術(shù)的需求日益迫切[1].靜電除塵器(ESP)作為一種高效捕獲飛灰顆粒的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵領(lǐng)域。對(duì)于粗飛灰顆粒，ESP的收塵效率達(dá)99.9%，但對(duì)于可吸入飛灰顆粒，特別是直徑小于2.5 μm的超細(xì)、超輕飛灰顆粒，則存在逃脫ESP捕獲的穿透窗口，因此難以滿足日益嚴(yán)格的超低排放標(biāo)準(zhǔn)[2].ESP由放電極和收塵極板組成，通過ESP內(nèi)電暈電場、煙氣流場以及荷電飛灰顆粒動(dòng)力場間的相互耦合作用，經(jīng)過氣體電離、飛灰顆粒荷電、荷電飛灰顆粒沉積和收塵極板振打清灰等過程可完成對(duì)飛灰顆粒的捕獲.

為提高ESP內(nèi)飛灰顆粒的捕獲率，特別是針對(duì)以亞微米為主的可吸入飛灰顆粒的捕獲，國內(nèi)外學(xué)者在ESP的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、荷電特性、飛灰顆粒沉積機(jī)理及場力耦合等方面進(jìn)行了理論、試驗(yàn)和數(shù)值研究.1977年，Mcdonald等[3]針對(duì)線板式ESP的伏安特性和電暈電場分布提出了計(jì)算方法，可用于設(shè)計(jì)不同幾何構(gòu)型的ESP.Vijapur[4]針對(duì)強(qiáng)化懸浮飛灰顆粒捕獲的濕法ESP裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證.劉繼平等[5]針對(duì)亞微米飛灰顆粒發(fā)明了一種多電暈線三角布置、收塵極板為凸凹型的ESP.Kim等[6]提出了一種裝備預(yù)充電碳刷、收塵極板覆蓋水膜的新型兩級(jí)濕式ESP.1922年，Deutsch[7]系統(tǒng)研究了帶電收塵極板上微細(xì)飛灰顆粒的沉降理論，并導(dǎo)出了著名的Deutsch-Anderson 公式.Zhuang等[8]試驗(yàn)研究了ESP內(nèi)超細(xì)飛灰顆粒二次攜帶的動(dòng)力學(xué)規(guī)律.趙汶等[9]通過熱態(tài)試驗(yàn)研究證明化學(xué)團(tuán)聚作用可促進(jìn)燃煤煙氣中飛灰顆粒的團(tuán)聚，使其粒徑增大4倍，經(jīng)ESP作用后飛灰顆粒質(zhì)量濃度降低40%，有效提高了ESP對(duì)超細(xì)飛灰顆粒的脫除.齊立強(qiáng)等[10]試驗(yàn)研究了燃煤鍋爐ESP內(nèi)飛灰顆粒的物化性質(zhì)和逃逸機(jī)制，分析了飛灰顆粒直徑、比電阻和荷電特性對(duì)其逃逸的影響.Kallio等[11]采用LDA可視化技術(shù)試驗(yàn)研究了線板式ESP內(nèi)電暈電場和煙氣流場的耦合作用，并建立了用于ESP內(nèi)煙氣湍流動(dòng)能模型電場力的有限元和有限差分的靜電模型，模型預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果一致.龍正偉等[12]試驗(yàn)研究了復(fù)合式電袋除塵器的伏安特性，并發(fā)展了電場三維算法，且在ESP試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，不斷將數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用于ESP結(jié)構(gòu)優(yōu)化、荷電特性、荷電飛灰顆粒沉積和場力耦合等領(lǐng)域.Nikas等[13]針對(duì)ESP的伏安特性和電暈電場分布提出了計(jì)算方法，可用于計(jì)算ESP的伏安特性、飛灰顆粒橫向速度及收塵效率.Guo等[14]提出了一種通用的控制體積模型，并模擬研究了ESP電暈電場和電流密度分布，將其與文獻(xiàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性.龍正偉等[15]模擬了ESP的電暈電場分布、煙氣流場分布和飛灰顆粒軌跡，其電暈電場采用非結(jié)構(gòu)有限容積法，飛灰顆粒荷電采用荷電率方程積分法，模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合很好.李卓函等[16]針對(duì)線板式ESP的RS芒刺電極放電特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并用數(shù)值模擬方法獲得了電極表面電暈電場分布.Luo等[17]采用Fluent軟件對(duì)ESP模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了溫度對(duì)煙氣流場、電暈電場、飛灰顆粒荷電及運(yùn)動(dòng)軌跡的影響.余志健等[18]模擬研究了ESP內(nèi)超細(xì)飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和電暈電場分布.實(shí)踐表明數(shù)值研究結(jié)果為ESP飛灰顆粒高效捕獲技術(shù)的應(yīng)用及ESP優(yōu)化改造提供了基礎(chǔ).

為實(shí)現(xiàn)鍋爐機(jī)組超凈排放，筆者研究了5電場區(qū)ESP內(nèi)鍋爐飛灰顆粒的捕獲特性，建立了1∶1全電場模型，分析了ESP內(nèi)煙氣流場、電暈電場、飛灰顆粒密度、運(yùn)動(dòng)軌跡以及電場力與湍流作用對(duì)煙氣流動(dòng)和飛灰顆粒捕獲的影響，揭示了煙氣流動(dòng)和飛灰顆粒捕獲的規(guī)律，為工程實(shí)踐提供了參考.

1 物理對(duì)象與網(wǎng)格模型

模擬對(duì)象為1臺(tái)連接于鍋爐煙道的ESP，主要由入口喇叭內(nèi)的氣流分布板、出口喇叭、5個(gè)電除塵區(qū)以及灰斗等組成.利用Gambit軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域建模及網(wǎng)格劃分，模擬與實(shí)際對(duì)象比例為1∶1，其幾何模型如圖1所示.由于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有較高的精度與收斂速度，整個(gè)計(jì)算區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，對(duì)氣流分布板周圍網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，網(wǎng)格總個(gè)數(shù)約為3.9×106.

圖1 ESP模型及其網(wǎng)格

為對(duì)電場區(qū)通道內(nèi)飛灰顆粒的捕獲過程進(jìn)行研究，筆者針對(duì)電場區(qū)通道單獨(dú)建模并劃分網(wǎng)格.如圖 2所示，共劃分結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格個(gè)數(shù)為1.5×106，對(duì)電極周圍網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，且在模擬過程中逐步細(xì)化網(wǎng)格，得到近似網(wǎng)格無關(guān)解.

圖2 ESP電場區(qū)通道網(wǎng)格

2 數(shù)學(xué)模型與方法

2.1 數(shù)學(xué)模型與求解

Deutsch公式描述了ESP的收塵效率，表明收塵效率是飛灰顆粒質(zhì)量流量、收塵面積和飛灰顆粒驅(qū)進(jìn)速度的函數(shù)，而飛灰顆粒驅(qū)進(jìn)速度正比于ESP峰值電壓與平均電壓的乘積.煙氣流場、飛灰顆粒驅(qū)進(jìn)速度與電暈電場的耦合作用決定了ESP的捕獲特性，ESP內(nèi)煙氣中含有大量的氣體粒子電荷和飛灰顆粒電荷，流體受到的電場力作用被稱為ESP電流場，Kallio等[11]、Liang等[19]和Schemid等[20]的研究表明可采用時(shí)均Navier-Stokes方程和雷諾應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)湍流模型[21]對(duì)ESP電流場進(jìn)行有效求解.

2.1.1 ESP電流場模型

ESP電流場模型的時(shí)均Navier-Stokes方程為：

(1)

(2)

式中：xi、ui(i=1，2，3)分別為笛卡爾直角坐標(biāo)系的x，y，z坐標(biāo)及其速度分量，單位分別為m、m/s；ρf為流體密度，kg/m3；μ為層流黏性系數(shù)，kg/(m·s)；μt為湍流黏性系數(shù)，是時(shí)間t的函數(shù)，kg/(m·s)；p為壓力，Pa；Fci為流體受到的電場力，N/m3；gi為重力加速度，m/s2.

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，湍流動(dòng)能κ可表示為：

(3)

式中：κ為湍流動(dòng)能；σκ為常數(shù)，σκ=1.00；K為相對(duì)介電常數(shù).

其中G可表示為：

(4)

湍流耗散系數(shù)ε為：

(5)

湍流黏性系數(shù)μt為：

(6)

式中：Cμ、σε、C1ε、C2ε均為常數(shù)，其中Cμ=0.09，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92.

2.1.2 電暈電場模型

忽略飛灰顆粒和氣體對(duì)電暈電場的影響，將ESP電暈電場控制方程簡化為電勢泊松方程和電流連續(xù)性方程：

▽·(ε0E)=ρs

(7)

E=-▽V

(8)

▽·J=0

(9)

J=ρsμiE-Di▽?duì)裺

(10)

式中：E為電場強(qiáng)度，V/m；J為電流密度，A/m2；V為電壓，V；ε0為氣體介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12C2/(N·m2)；μi為離子遷移率，μi=1.60×10-4m2/(V·s)；Di為離子擴(kuò)散系數(shù)，m2·s；ρs為空間電荷密度，C/m3.

采用磁流體MHD模型計(jì)算電場強(qiáng)度與空間電勢分布，其中煙氣流體所受電場力可通過軟件接口UDF獲得.

2.1.3 飛灰顆粒荷電模型

飛灰顆粒荷電量可由下式計(jì)算：

(11)

(12)

(13)

式中：qp為荷電飛灰顆粒瞬時(shí)荷電量，C；qs為荷電飛灰顆粒飽和荷電量，C；υm為離子平均運(yùn)動(dòng)速度；dp為飛灰顆粒直徑；e為電子電荷數(shù)，e=1.6×10-19C；Ta為空氣溫度；θ為飛灰顆粒中心角；θ0為過飛灰顆粒電暈電場等值線的最大中心角，θ0=arccos(qp/qs)；d0為沿飛灰顆粒中心角的直徑；b為離子遷移率；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為ESP內(nèi)煙氣流動(dòng)溫度.

荷電飛灰顆粒飽和荷電量qs、離子平均運(yùn)動(dòng)速度υm以及離子遷移率b分別為：

(14)

(15)

(16)

式中：p為ESP內(nèi)煙氣壓力；bs為常溫T0、壓力p0下的離子遷移率.

2.1.4 顆粒運(yùn)動(dòng)模型

ESP中放電極電暈電場放電，使得煙氣流動(dòng)中分布大量荷電離子，煙氣流體受電暈電場離子風(fēng)作用，煙氣流動(dòng)偏離原方向，且煙氣流動(dòng)對(duì)荷電離子起對(duì)流運(yùn)輸作用，荷電離子通過與飛灰顆粒碰撞及擴(kuò)散的方式使煙氣中飛灰顆粒荷電，荷電飛灰顆粒受到流體曳力及電暈電場庫侖力的作用，其運(yùn)動(dòng)方向改變，朝收塵極板方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)收塵極板對(duì)飛灰顆粒的捕獲.

煙氣中飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)方程如下：

gi(1-ρf/ρp)+γi,i=x,y,z

(17)

(18)

式中：Cd為流體曳力系數(shù)；γi為施加于飛灰顆粒的電場力；up,i為沿i方向的顆粒運(yùn)動(dòng)速度.

γx=(Ex·qp)/mp

(19)

γy=(Ey·qp)/mp

(20)

式中：Ex、Ey分別為x、y方向的電場強(qiáng)度；mp為飛灰顆粒的質(zhì)量.

ESP進(jìn)出口氣流分布板采用多孔介質(zhì)模型，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，壓力耦合采用Simple算法，并基于Fluent6.3進(jìn)行求解，飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)采用拉格朗日離散項(xiàng)模型.

2.2 材料屬性與邊界條件

煙氣密度為1 kg/m3，入口設(shè)為速度入口邊界條件，大小為6.02 m/s，出口設(shè)為自由出口邊界條件.飛灰顆粒密度為750 kg/m3，比電阻為4.3×1012Ω·cm，飛灰顆粒質(zhì)量流量為9.7 kg/s.收塵極板的離散相邊界條件為trap，進(jìn)出口設(shè)為escape，其他面設(shè)為reflect.放電極施加電壓為72 kV，收塵極板接地電勢為0，同極間距為400 mm.

在ESP距入口分別為2 m、3.495 m和3.8 m豎直方向處共設(shè)置3層氣流分布板，沿深度方向氣流分布板的開孔率分別為44%、35%和35%.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 ESP煙氣流場分布

在鍋爐負(fù)荷一定的條件下，爐膛出口過量空氣系數(shù)、鍋爐受熱面過量空氣系數(shù)、煙道漏風(fēng)、ESP本體漏風(fēng)等因素均會(huì)影響ESP內(nèi)的煙氣流速.一方面，煙氣流速?zèng)Q定了飛灰顆粒所受慣性力，另一方面又決定了飛灰顆粒在電場區(qū)的停留時(shí)間.飛灰顆粒所受慣性力、電場力及其在電場區(qū)的停留時(shí)間綜合決定了ESP對(duì)飛灰顆粒的收塵效率.基于此，筆者對(duì)ESP內(nèi)的煙氣流場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬.

圖3為ESP入口中心水平截面的煙氣流場分布，x表示沿深度方向的坐標(biāo)，y表示沿寬度方向的坐標(biāo).由圖3可知，煙氣由ESP入口經(jīng)3層氣流分布板后，進(jìn)入ESP電場區(qū).由于ESP入口為喇叭口結(jié)構(gòu)，煙氣受到慣性力作用，入口到第1層氣流分布板之間的煙氣流速呈中間高、近壁面處低、梯度大的分布特征.煙氣經(jīng)第1層氣流分布板后，煙氣流場得到明顯均化，近壁面處煙氣流速相對(duì)較高，最大約為1.29 m/s，中間煙氣流速相對(duì)較低，約為1 m/s.煙氣經(jīng)過第2層氣流分布板后，煙道中間區(qū)域煙氣流速下降較快，四周區(qū)域煙氣流速下降較慢.煙氣經(jīng)過第3層氣流分布板后，通道內(nèi)煙氣流速降至約0.4 m/s，煙氣經(jīng)過3層氣流分布板進(jìn)入電場區(qū)后，煙氣流速降低，煙氣流場分布均勻.

圖3 ESP入口區(qū)域z=0 m位置水平截面處的煙氣流速分布

ESP沿深度方向的煙氣流速分布如圖4所示.由圖4可知，ESP進(jìn)出口煙氣流速較高，流經(jīng)5個(gè)電場區(qū)段的煙氣流速較低，在第1電場區(qū)入口段煙氣流速降至約0.4 m/s，主要是因?yàn)闊煔饬鹘?jīng)ESP入口段時(shí)，喇叭口本身的幾何結(jié)構(gòu)造成煙氣流速降低，同時(shí)氣流分布板對(duì)煙氣進(jìn)行均流，也降低了煙氣流速.在前3級(jí)電場區(qū)，煙氣流速呈先降低后升高的趨勢，由于ESP出口幾何結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)入第4電場區(qū)后煙氣流速逐漸升高，在第5電場區(qū)出口處煙氣流速升至約0.47 m/s.在ESP出口喇叭位置處，煙氣流速迅速升高，ESP出口最終煙氣流速約為6.5 m/s.

圖4 ESP沿深度方向的煙氣流速分布

圖5為第1電場區(qū)入口縱截面的煙氣流速分布,z表示沿高度方向的坐標(biāo).由圖5可以看出，電場區(qū)入口兩側(cè)的煙氣流速呈對(duì)稱分布，中間區(qū)域煙氣流速較低，四周區(qū)域煙氣流速較高，其中入口截面4個(gè)角處形成高速區(qū)域，煙氣流速為0.45 m/s；中心位置形成低速區(qū)域，最低煙氣流速為0.332 m/s，此分布趨勢與張頡等[22]的計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果相符.電場區(qū)入口斷面處煙氣平均流速為0.375 m/s，斷面上煙氣流速分布的相對(duì)均方根σ為0.115，符合ESP性能考核指標(biāo)(σ≤0.2)[23].

3.2 ESP的伏安特性分布

ESP電場區(qū)通道內(nèi)的伏安特性決定了電場區(qū)的電暈電場分布及飛灰顆粒荷電，會(huì)影響煙氣中飛灰顆粒的捕獲，從而影響ESP的收塵效率.為研究ESP電場區(qū)內(nèi)的伏安特性及飛灰顆粒的捕獲過程，筆者對(duì)電場區(qū)單通道進(jìn)行建模分析.

圖5 電場區(qū)入口區(qū)域x=-14 m位置縱截面處的煙氣流速分布

圖6為第1電場區(qū)收塵極板中心線位置處的電流密度與電場強(qiáng)度分布，其中ESP放電極電壓為72 kV，煙氣流速為0.375 m/s，飛灰顆粒直徑為1 μm.由圖6可以看出，在收塵極板上正對(duì)放電極位置處的電場強(qiáng)度和電流密度出現(xiàn)峰值，在放電極之間出現(xiàn)較小值.電場強(qiáng)度與電流密度數(shù)量級(jí)分別為105V/m與10-1mA/m2，電場強(qiáng)度的最大值約為2根電極之間電場強(qiáng)度的1.4倍，而電荷密度的最大值約為2根電極之間電荷密度的1.5倍.

圖6 收塵極板中心線位置處的電流密度、電場強(qiáng)度分布

3.3 飛灰顆粒質(zhì)量濃度場分布

分別對(duì)放電極施加72 kV、60 kV和30 kV電壓時(shí)，沿深度方向的飛灰顆粒質(zhì)量濃度分布如圖7所示.由圖7可知，當(dāng)電場區(qū)入口飛灰顆粒質(zhì)量流量一定時(shí)，ESP內(nèi)飛灰顆粒質(zhì)量濃度沿深度方向逐漸降低，飛灰顆粒受電場力作用，被收塵極板捕獲.在第1、第2電場區(qū)飛灰顆粒質(zhì)量濃度降低幅度較大，進(jìn)入第3電場區(qū)后其質(zhì)量濃度降低趨勢逐漸變緩.沿深度方向ESP對(duì)飛灰顆粒的捕獲不均勻，放電極電壓為30 kV時(shí)，第1電場區(qū)飛灰顆粒捕獲比例達(dá)到64 %左右，第2電場區(qū)飛灰顆粒質(zhì)量濃度降至約0.05 kg/m3，飛灰顆粒捕獲比例達(dá)到82%，表明主要除塵區(qū)為第1、第2電場區(qū).由圖7還可以看出，隨電壓的增大，同一位置飛灰顆粒質(zhì)量濃度呈降低趨勢；第2電場區(qū)后電壓變化對(duì)飛灰顆粒質(zhì)量濃度的影響逐漸減弱，其主要原因是電壓增大，飛灰顆粒荷電量增加，且電場區(qū)電場強(qiáng)度增強(qiáng)，其綜合作用導(dǎo)致飛灰顆粒所受電場力增大，加劇飛灰顆粒向收塵極板的運(yùn)動(dòng)，從而飛灰顆粒被收塵極板捕獲，收塵效率提高.如表1所示，隨著放電極電壓的增大，ESP收塵效率提高.

圖7 不同放電極施加電壓下飛灰顆粒沿深度方向的質(zhì)量濃度分布

表1 不同放電極施加電壓下的收塵效率

ESP對(duì)直徑小于10 μm飛灰顆粒的捕獲特性是影響鍋爐機(jī)組超低排放的關(guān)鍵因素.圖8為在電場區(qū)入口處直徑為1～4 μm的飛灰顆粒沿深度方向的質(zhì)量濃度分布.圖9為在電場區(qū)入口處直徑為5～8 μm的飛灰顆粒沿深度方向的質(zhì)量濃度分布.由圖8和圖9可以看出，通道內(nèi)飛灰顆粒質(zhì)量濃度沿深度方向逐漸降低，隨著飛灰顆粒直徑的增大，飛灰顆粒質(zhì)量濃度迅速降低.ESP對(duì)直徑為6～8 μm飛灰顆粒的捕獲大部分在第1電場區(qū)完成.進(jìn)入第2電場區(qū)時(shí)較大直徑的飛灰顆粒質(zhì)量濃度降至0.01 kg/m3以下；直徑為4 μm、5 μm的飛灰顆粒質(zhì)量濃度降至0.015 kg/m3；直徑為1 μm、2 μm 的飛灰顆粒質(zhì)量濃度降至0.07 kg/m3.可見在第1電場區(qū)ESP基本捕獲了較大直徑的飛灰顆粒.其主要原因是飛灰顆粒直徑增大導(dǎo)致飛灰顆粒荷電量增加，飛灰顆粒受到的電場力增大，加劇了飛灰顆粒向收塵極板的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電場區(qū)通道內(nèi)飛灰顆粒質(zhì)量濃度降低.

圖8 直徑為1～4 μm飛灰顆粒沿深度方向的質(zhì)量濃度分布

圖9 直徑為5～8 μm飛灰顆粒沿深度方向的質(zhì)量濃度分布

鍋爐燃燒與運(yùn)行工況的變化會(huì)影響ESP的性能，煙氣質(zhì)量流量隨鍋爐負(fù)荷的增加而增加，且電場區(qū)煙氣流速也會(huì)提高，從而導(dǎo)致收塵效率下降，因此筆者對(duì)不同湍流強(qiáng)度條件下電場區(qū)的收塵效率進(jìn)行研究.

圖10為電場區(qū)不同速度入口條件下飛灰顆粒質(zhì)量濃度沿深度方向的分布規(guī)律.由圖10可知，隨著電場區(qū)入口煙氣流速的增加，第1電場區(qū)入口飛灰顆粒質(zhì)量濃度逐漸降低.由圖10及表2可知，在較低的煙氣流速下，第1、第2電場區(qū)飛灰顆粒質(zhì)量濃度下降得更快，ESP的收塵效率反而增加.其主要原因是ESP電場區(qū)入口煙氣流速較高時(shí)，進(jìn)入ESP電場區(qū)入口的飛灰顆粒具有較大慣性，飛灰顆粒受到煙氣的裹挾，跟隨較高流速的煙氣迅速脫離入口位置，導(dǎo)致入口位置高速煙氣中飛灰顆粒的質(zhì)量濃度劇烈下降；進(jìn)入電場區(qū)后，較高煙氣流速下飛灰顆粒所受慣性力較大，克服電場力逃脫收塵極板捕獲的能力更強(qiáng)，因此飛灰顆粒質(zhì)量濃度下降緩慢；距離電場區(qū)入口3 m位置后，高速煙氣中飛灰顆粒質(zhì)量濃度高于低速煙氣中的飛灰顆粒質(zhì)量濃度，導(dǎo)致在較低入口煙氣流速條件下，ESP收塵效率更高.不同入口煙氣流速下的收塵效率如表2所示.

圖10 不同電場區(qū)入口煙氣流速下沿深度方向飛灰顆粒質(zhì)量濃度分布

表2 不同電場區(qū)入口煙氣流速下的收塵效率

基于以上分析發(fā)現(xiàn)，ESP各電場區(qū)的收塵比例不均衡，其中第1電場區(qū)收塵比例較大，但仍受到入口煙氣流速的影響.鍋爐燃燒運(yùn)行時(shí)，鍋爐負(fù)荷、燃料的變化以及爐膛出口過量空氣系數(shù)等均會(huì)對(duì)ESP入口煙氣質(zhì)量流量產(chǎn)生影響.當(dāng)煙氣質(zhì)量流量增加時(shí)，針對(duì)飛灰顆粒在ESP通道內(nèi)質(zhì)量濃度的變化規(guī)律，選擇合適的ESP氣流分布板開孔率，可降低ESP電場區(qū)的煙氣流速，均化煙氣流場，進(jìn)而提高ESP第1電場區(qū)的收塵比例.將靠后的電場區(qū)改造為袋式除塵方式，對(duì)較低質(zhì)量濃度的超細(xì)飛灰顆粒進(jìn)行捕獲，可提高收塵效率，降低ESP耗電功率，起到高效節(jié)能的效果.

4 結(jié) 論

(1)在ESP入口合理布置氣流分布板，可均化煙氣流場、降低電場區(qū)入口煙氣流速；電場區(qū)入口截面中間區(qū)域煙氣流速較低，四周區(qū)域的煙氣流速較高，入口截面煙氣流速分布符合ESP性能考核指標(biāo).

(2)飛灰顆粒受電場力作用，飛灰顆粒質(zhì)量濃度沿深度方向逐漸降低；ESP的主要除塵區(qū)為第1、第2電場區(qū)，且隨電壓的增加，飛灰顆粒質(zhì)量濃度呈降低趨勢；第2電場區(qū)后電壓變化對(duì)飛灰顆粒質(zhì)量濃度的影響減弱.

(3)在較高煙氣流速下，飛灰顆粒受煙氣流體的裹挾，慣性力較大，克服電場力逃脫收塵極板捕獲的能力增強(qiáng)；在較低入口煙氣流速下，ESP收塵效率更高.

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CapturePerformanceofanElectrostaticPrecipitatorforFlyAshParticlesfromBoilerFlueDucts

WANGWeishu1,WANGXin1,ZHANGChunjie1,WANGJihong2,WANGBaowen1,YAOMingyu3
(1.Thermal Engineering Research Center, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China; 2. Datang Linzhou Thermal Power Co., Ltd., Linzhou 455561, Henan Province, China; 3. Xi'an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710032, China)

Three-dimensional numerical simulation was carried out using standardk-εtwo-equation turbulence model on a wire-plate electrostatic precipitator (ESP) installed in boiler flue duct to study the distribution of flue gas flow field, Corona electric field, particle charging and particle motion track within the ESP; besides, the effect of electric field force and turbulence action on the flue gas flow and the capturing of ash particles were analyzed. Results indicate that the gas flow distribution plates can homogenize the flow field and reduce the gas velocity at the entrance of electric field. The concentration of ash particles reduces gradually along the flow direction; the carrying capacity of ash particles increases with the rise of discharge electrode's voltage; stronger electric field force enhances the capturing of ash particles by collection plate, thus improving the dust collection efficiency. When the flue gas velocity increases, the collection efficiency of ESP decreases, due to the enhanced inertia force undertaken by ash particles under higher flue gas velocity, making the particles escape from the electrostatic precipitator more easily by overcoming the electric field force.

electrostatic precipitator (ESP); fly ash particle; turbulence; dust removal efficiency; numerical simulation

2016-09-12

2016-10-31

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0601404)

王為術(shù)(1972-)，男，重慶開縣人，教授，研究生導(dǎo)師，主要從事冶金流程耦合節(jié)能測試技術(shù)以及多相流和傳熱問題的理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方面的研究.電話(Tel.)：13733870955；E-mail: wangweishu@ncwu.edu.cn.

1674-7607(2017)12-1007-08

TK221

A

470.10