高溫電除塵器的數(shù)值模擬研究

劉含笑，李文華，郭 瀅，楊 倩，郭 鏈

(1.浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬?諸暨 311800；2.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 樂清 325602)

高溫電除塵器的數(shù)值模擬研究

劉含笑1，李文華2，郭 瀅2，楊 倩2，郭 鏈2

(1.浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬?諸暨 311800；2.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 樂清 325602)

高溫電除塵器廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，為研究高溫電除塵器的除塵特性，搭建了一套合理的實驗裝置以開展實驗研究。該試驗裝置采用商業(yè)CFD軟件，計算了不同初設(shè)方案的夾層氣流均勻性，最終確定立式矩形腔體為最佳方案。

高溫電除塵器；氣流分布；數(shù)值計算；網(wǎng)格劃分

近年來，全國范圍實施燃煤電廠煙氣超低排放改造工作[1-7]，東部地區(qū)2017年改造完成，中部及西部地區(qū)也將在2020年前完成改造。燃煤發(fā)電已是我國燃煤使用的最清潔方式，但在化工、石油、冶煉等其他行業(yè)尚有較大提升空間，這些行業(yè)的煙塵高效治理也迫在眉睫。這些行業(yè)常產(chǎn)生較高溫度煙氣，與燃煤電廠的常規(guī)煙氣(溫度在120℃左右)相比，較高煙氣溫度工況下要實施顆粒脫除難度較高。

國內(nèi)外幾十年的研究及工程應(yīng)用實踐表明，高溫電除塵器是一種高效凈化燃煤高溫?zé)煔獾挠行侄沃唬⑶揖哂辛己玫膽?yīng)用前景。高溫電除塵器是指在高煙氣溫度(≤500℃)時，利用電場力促使顆粒物脫除的裝置，其核心部件由放電極、收塵極、配套電源系統(tǒng)及輔助設(shè)備等組成。當(dāng)放電極線通過尖端放電使得氣體分子電離，產(chǎn)生負(fù)電暈放電，懸浮在氣體中的顆粒物帶電，并在電場作用下被收塵極收集，從而實現(xiàn)煙氣凈化。收集的顆粒物通過振打等作用從收塵極板上脫落進(jìn)入灰斗，最終排出電除塵系統(tǒng)[8-9]。

1 技術(shù)方案

為研究高溫電除塵器的除塵特性，搭建高溫電除塵器試驗平臺，初設(shè)電除塵器方案如圖1所示。方案1為方形截面結(jié)構(gòu)，方案2為圓形截面結(jié)構(gòu)，方案2還可考慮是否配置螺旋導(dǎo)流葉片，兩個方案的設(shè)計參數(shù)如表1所示。絕緣子和殼體之間、絕緣子保溫外殼與高壓線之間均密封處理，設(shè)置觀測孔，可觀測到極線極板。外壁設(shè)置夾層，通入高溫?zé)煔狻?/p>

2 物理建模及網(wǎng)格劃分

為對比不同初設(shè)方案的夾璧層的優(yōu)劣，采用三維制圖軟件按圖1中兩個方案的實際尺寸進(jìn)行三維制圖，如圖2所示。圖2中，a工況為方案1，b工況為方案2，c工況為方案2的基礎(chǔ)上增設(shè)螺旋導(dǎo)流葉片。采用網(wǎng)格劃分軟件對三個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖3)，主體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，c工況的螺旋導(dǎo)流葉片區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖1 電除塵器技術(shù)方案圖

參數(shù)方案1方案2處理煙氣量/(Nm3·h-1)200200入口煙塵濃度/(g·m-3)0～300～30流通面積/m20．40．4總集塵面積/m27．687．04電場長度/m3．23．2電場內(nèi)煙氣流速/(m·s-1)0．37～0．450．37～0．45本體阻力/Pa≤150≤150本體漏風(fēng)率/%≤2≤2煙氣運行溫度/℃450～600450～600煙氣流經(jīng)電場時間/s7．0～8．67．0～8．6同極間距/mm300300每臺除塵器通道數(shù)/個22電源型號GGAJ02?60mA/60kVGGAJ02?60mA/60kV陽極板型式310s平板310s平板陰極線型式Φ20圓桿Φ20圓桿

圖2 幾何模型

圖3 網(wǎng)格劃分

3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

煙氣屬于連續(xù)相流體，其遵循質(zhì)量、動量及能量守恒方程[10-13]，如式(1)～式(3)所示。

煙氣流動遵守的質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

=-ρ+

(2)

能量守恒方程：

(3)

圖4 Y=0 m截面速度云圖

本文主要關(guān)心模型內(nèi)速度分布特征，因此可僅考慮連續(xù)方程和動量守恒方程。寫成速度分量的形式，連續(xù)方程和動量守恒方程可以寫成如下形式：

(4)

(5)

層流模型，考慮重力作用，不考慮換熱，入口邊界條件為速度入口，其余均采用固體壁面邊界條件，入口速度為7×10-5m/s，出口條件為OUTFLOW，空氣粘度為14.8×10-6m2/s，空氣密度為1.169 1kg/m3。借助CFD軟件求解。

4 計算結(jié)果

經(jīng)計算，各方案Y=0m截面速度云圖如圖4所示，各方案Z=0m、Z=1m、Z=2m、Z=4m、Z=5m、Z=6m截面速度云圖分別如圖5～圖10所示。由圖4～圖10可知，a工況與b工況的速度分布均勻性差別不大，但c工況的部分截面存在明顯的較高流速和較低流速區(qū)域，尤其是在導(dǎo)流葉片布置區(qū)域。

圖5 Z=0 m截面速度云圖

圖6 Z=1 m截面速度云圖

圖7 Z=2 m截面速度云圖

圖10 Z=6 m截面速度云圖

按式(6)計算高溫電除塵器各截面的速度相對均方根差σr，結(jié)果如圖11所示。

(6)

式中vi——各測點風(fēng)速；v——截面平均風(fēng)速；n——測點數(shù)。

對比a工況與b工況，c工況在Z=0 m、Z=1 m截面速度分布要明顯不均勻，在Z=2 m、Z=4 m、Z=5 m、Z=6 m截面速度分布均勻性差別不大。這表明即使采用圓形截面方案也不易設(shè)置螺旋導(dǎo)流葉片。各計算工況里，a工況的速度均勻性最好，為最佳方案。

圖11 速度均方差曲線

5 結(jié)語

由于夾層內(nèi)流速極低，在不考慮換熱的情況下，立式矩形腔體速度分布均勻性好于圓形腔體。因此認(rèn)為，此時速度分布對換熱影響不大，對于立式矩形腔體內(nèi)也可設(shè)置肋片，增加換熱面積。當(dāng)考慮換熱時，速度分布結(jié)果可能會有差異，因為腔體內(nèi)流速較低，當(dāng)溫度分布不均時，溫度梯度引起的速度擾動可能會相對比較明顯。

夾層內(nèi)高溫?zé)煔馔龎m器內(nèi)部煙氣的換熱經(jīng)高溫?zé)煔馔瑑?nèi)壁面對流換熱(h1)、內(nèi)壁面導(dǎo)熱(λ)、除塵器內(nèi)部煙氣同內(nèi)壁面導(dǎo)熱(h2)三個過程完成，由于夾層內(nèi)高溫?zé)煔饬魉佥^低，h1差別應(yīng)該不會太大，λ為鋼板導(dǎo)熱系數(shù)，固定不變。因此，在這三個過程中，h2可能會對換熱影響最大，因此需要盡量保證除塵器內(nèi)煙氣分布均勻。

[1] 中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會電除塵委員會.我國電除塵行業(yè)2011年發(fā)展綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2012(7):14-20.

Electrical Precipitation Committee of CAEPI. China Development Report on Electrical Precipitation Industry in 2011[J]．China Environmental Protection Industry，2012(7)：14-20．

[2]中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會電除塵委員會.燃煤電廠煙氣超低排放技術(shù)[M]. 北京:中國電力出版社.

[3]張軍, 鄭成航, 張涌新, 等. 某1000MW燃煤機組超低排放電廠煙氣污染物排放測試及其特性分析[J].中國電機工程學(xué)報, 2016,36(5):1310-1314.

ZHANG Jun, ZHENG Chenghang, ZHANG Yongxin, et al. Experimental investigation of ultra-low pollutants emission characteristics from a 1 000 MW coal-fired power plant[J]. Proceedings of the CSEE，201 6，36(5)：1310-1314．

[4]劉含笑, 姚宇平, 酈建國, 等. 燃煤電廠煙氣中SO3生成、治理及測試技術(shù)研究[J].中國電力, 2015,48(9):152-156.

LIU Hanxiao, YAO Yuping, LI Jianguo, et al. Study on SO3Generation, Control and Testing Technology for Coal-fired Power Plants[J]．Electric Power，2015，48(9)：152-156.

[5]趙磊, 周洪光. 超低排放燃煤火電機組濕式電除塵器細(xì)顆粒物脫除分析[J].中國電機工程學(xué)報, 2016,36(2):468-473.

ZHAO Lei, ZHOU Hongguang. Particle Removal Efficiency Analysis of WESP in an Ultra Low Emission Coal-fired Power Plant[J]. Proceedings of the CSEE，2016, 36 (2)：468-473.

[6]韋海浪,朱琦,計桂芳,等. 石油焦+重油浮法玻璃窯爐煙氣高溫電除塵和SCR脫硝技術(shù)及其應(yīng)用[J].玻璃,2015, 42(11): 40-46.

WEI Hailang, JI Guifang, etal. High Temperature EP+SCR Denitrification Technology of Glass Furnace Flue Gas and Its Application[J]．Glass．2015，42(11)：40-46.

[7]劉含笑,姚宇平,酈建國. 凝聚器二維單擾流柱流場中顆粒凝并模擬[J].動力工程學(xué)報, 2015,35(4):292-297.

LIU Hanxiao, YAO Yuping, LI Jianguo. Coagulating simulation of particles in flow field of coagulator 2d single turbulence column[J].Journal Of Chinese Society Of Power Engineering, 2015, 35(4): 292-297.

[8]酈建國,劉含笑,姚宇平. 微顆粒捕集增效裝置二維單擾流柱流場計算[J].華東電力,2013,41(11):2404-2407.

LI Jianguo, LIU Hanxiao, YAO Yuping. Flow field calculation of 2d single turbulence column in the pm2.5 capture efficiency device[J].East China Electric Power, 2013, 41(11): 2404-2407.

Numerical Simulation of High Temperature Electrostatic Precipitator

LIU Hanxiao1, LI Wenhua2, GUO Ying1, YANG Qian1, GUO Lian1

(1. Zhejiang Feida Environmental Science and Technology Co., Ltd., Zhuji 311800, China； 2. Zhejiang Zheneng Wenzhou Power Generation Co., Ltd., Yueqing 325602, China)

The high temperature electrostatic precipitators have been widely used in the industrial field. To study the dust removal characteristics of high temperature electrostatic precipitators, a set of reasonable experimental equipment was set up to carry out experimental research. In this equipment, commercial CFD software is used to calculate the evenness of the interlayer airflow of different initial schemes, and the vertical rectangular cavity is determined as the best solution.

high temperature electrostatic precipitator; airflow distribution; numerical calculation; meshing

10.11973/dlyny201704030

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2013AA065002)；國家國際科技合作專項(2014DFA90620)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0203704)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0209107)。

劉含笑(1987—)，男，碩士，工程師，主要從事電除塵器研究工作。

X701.2

：A

：2095-1256(2017)04-0487-06