電袋復合除塵器氣流分布的研究與應用

王民玉，葛云峰，葛慶偉，高 軍

(江蘇宇達電站輔機閥門制造有限公司，江蘇 鹽城 224007)

0 引言

新《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223－2011)規(guī)定燃煤電廠粉塵排放限值為30 mg/m3［1］，重點地區(qū)為20 mg/m3。根據(jù)世界衛(wèi)生組織 的標準要求，我國將于2016年把PM2.5的最寬限值(PM2.5年和24 小時平均濃度限值分別是0.035 mg/m3和0.075 mg/m3)納入《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》［2］，這必將對環(huán)保行業(yè)提出更高的技術(shù)要求。

電袋復合除塵器是符合新標準要求的一項新技術(shù)，它充分利用電除塵、袋式除塵各自的優(yōu)點，解決了彼此在運行中的不足，得到了市場的認可，尤其是在常規(guī)電除塵器的改造工程中被大量應用。

1 電袋復合除塵器氣流分布研究

1.1 電袋復合除塵器的優(yōu)點

(1)由于電袋復合除塵器的最終除塵效果取決于袋式除塵，所以解決了單一靜電除塵器因特殊工況難收塵，難以長期穩(wěn)定達標排放的問題。

(2)煙氣經(jīng)過前部電場時，電場的重力沉降和靜電預收塵效率在50%～90%之間，煙氣中的大顆粒粉塵含量大大降低，減少了大顆粒粉塵對濾袋的沖刷磨損;袋式除塵區(qū)的入口含塵濃度大幅度降低，運行負荷降低，在維持一定清灰頻率的情況下，可實現(xiàn)除塵器在低阻力600～800 Pa 運行，為降低引風機的運行電耗創(chuàng)造條件;若設(shè)定濾袋區(qū)為上限1000～1200 Pa 的定阻清灰，可以大幅度減少濾袋的清灰頻率，減少濾袋和籠骨之間的機械磨損，延長濾袋的使用壽命，節(jié)省空壓機電耗［3－4］。

(3)前級電場對粉塵有凝聚作用，特別是超細粉塵經(jīng)電荷凝聚后，在后級的袋式除塵中具有更高的粉塵捕集效率，對PM2.5的指標要求有更好的貢獻作用。經(jīng)過電場荷電的粉塵沉積在濾袋表面時，受同極電荷(負電荷)相互排擠的作用影響，荷電粉塵顆粒之間排列有序，孔隙率高，透氣性好，有利于降低設(shè)備的運行阻力;而且有利于阻擋荷電凝聚后的超細粉塵進入濾袋，減少了濾料孔隙的堵塞和透塵現(xiàn)象［3－4］。

1.2 電袋復合除塵器的缺點

電袋復合除塵器是由兩個不同收塵原理的部分串聯(lián)使用，工藝結(jié)構(gòu)的突然變化造成含塵煙氣的氣流流動紊亂，電場出現(xiàn)嚴重的分風不均，電除塵部分運行過程中達不到設(shè)計的除塵效率，降低了袋除塵部分應該達到的設(shè)計優(yōu)勢。

為此，許多廠家在設(shè)計時，為了提高電場內(nèi)氣流的均勻性，同時為了能降低設(shè)備成本，將濾袋過濾室的前壁板和分室板去掉，只在凈氣室設(shè)置分室板。因此出現(xiàn)了其他不利的因素:靠近電場部分的多排濾袋由于受含塵氣流的直接沖刷，破損快，壽命短;清灰時下落的粉塵，特別是超細粉塵，被氣流帶到附近的濾袋上，造成粉塵的二次吸附，清灰效果差，設(shè)備阻力高。

2 解決的技術(shù)方法

(1)除塵器的進口封頭采用成熟的技術(shù)結(jié)構(gòu):一層導流板+兩層不同開孔率的孔板的結(jié)構(gòu)。

(2)保留袋式除塵器過濾室的完整結(jié)構(gòu)，在電場末端和袋式除塵過濾室的前壁板之間按照合理流速保留一定寬度的上下氣流通道，在通道前端避開陰極線放電的安全距離設(shè)置可單獨調(diào)節(jié)葉片角度的百葉窗導流板，通過改變每個葉片角度來改變通道阻力，已達到整個氣流通道斷面風速基本均勻。

(3)聯(lián)合中國科學院過程工程研究所對該設(shè)計方案做工廠模型試驗。試驗中分別對電袋復合除塵器的進口段和電與袋結(jié)合部做氣流分布測試，進行分析、研究和改進。

3 電袋復合除塵器氣流分布模型試驗

河北柏坡正元化肥公司150 t/h 鍋爐配用電袋除塵器，為了確保除塵器高效運行，提高進入電場的氣流分布均勻性，對其進行了氣流分布模型試驗。

3.1 試驗目的

(1)校核設(shè)計的導流、均流裝置的效果及有關(guān)參數(shù)的合理性;

(2)確保進、出電場的氣流分布均勻性達到均方值σ≤0.25。

3.2 試驗內(nèi)容

(1)測定模擬漏風率;

(2)確定該模型試驗第二自模化區(qū);

(3)該模型電場進、出口斷面氣流分布均勻性調(diào)試。

3.3 試驗依據(jù)、準則和過程

3.3.1 試驗依據(jù)

電袋復合除塵器氣流分布模型試驗，是把除塵過程中十分復雜的氣固多相流湍流流場予以簡化。因為除塵器進口封頭和預收塵電場中的粉塵顆粒相濃度很小，符合稀相多相流原則，所以在該氣固多相流的模型試驗中，只考慮氣體對顆粒的作用，符合計算的單項耦合條件(離散方程的分離式求解法);假定氣體的運動是定常流動，流體的各項參數(shù)與時間、空間無關(guān);整個模型試驗過程為等溫過程，流體是不可壓縮的［5－8］。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，用控制方程包括連續(xù)性方程、動能方程、k－ε 微分雙方程，求解離散形式的動量方程，得到速度場，經(jīng)過反復修正，直至得到收斂的速度場解［5－8］。

3.3.2 準則

遵循歐拉相似準則和雷諾相似準則［9］:

相似準數(shù)歐拉數(shù)表示流體壓力與慣性力之比值，若實物與模型的歐拉數(shù)相等，則其壓力場相似。歐拉準則是非定性準則，其取決于定性準則雷諾相似準則。

雷諾相似準則表示流體慣性力與粘性力之比值，若實物與模型的雷諾數(shù)相等，則其運動狀態(tài)相似，雷諾相似準則是氣流分布試驗必須遵守的準則。

隨著Re 增大，Eμ 呈逐漸減小趨勢，當Re 達到某一數(shù)值時，Eμ 不再隨著Re 的變化而變化，基本為一常數(shù)。此時表明流體的流動進入第二自模區(qū)，當流速大于此流速時模型與原型流動相似。此時模型內(nèi)電場氣流速度為臨界速度。

因此，氣流分布模型試驗必須做到以下兩點，即可保證模型和原型介質(zhì)流動狀態(tài)近似:模型和實物幾何相似;模型試驗時應保持其雷諾數(shù)大于“第二自?；瘏^(qū)”的臨界雷諾數(shù)。

3.3.3 試驗過程

試驗時首先要檢查模型漏風率。采用測量儀器分別測得進、出口煙道內(nèi)的動壓、靜壓、溫度及大氣壓力代入相應公式計算出風速、風量及漏風率。

確認模型漏風小于1%以后，再做氣流分布調(diào)試。氣流分布調(diào)試時，首先要測定“第二自?；瘏^(qū)”的臨界雷諾數(shù)值，它是由歐拉－雷諾曲線來確定的。試驗時，分別測幾組不同的風量，從而算出相應的雷諾數(shù)Re =(VD)/ν 和歐拉數(shù)Eμ =△P/(ρV2)，并整理成Eμ = f(Re)的函數(shù)關(guān)系，繪制也歐拉－雷諾曲線，曲線的拐點所對應的雷諾數(shù)即為第二臨界雷諾數(shù)。氣流分布調(diào)試時取大于第二臨界雷諾數(shù)值狀態(tài)下的風量，用熱球風速儀測電場進、出口斷面上各點的氣流速度，代入公式計算相應均方根值，如果氣流分布均勻性達不到就要求反復調(diào)整均流裝置，直至均勻性達到要求為止。

3.4 試驗裝置、邊界條件及主要參數(shù)

3.4.1 試驗裝置

試驗裝置:模型設(shè)備一套(模型按1∶8 的比例縮小建立實物幾何模型，模型內(nèi)部與原型內(nèi)部氣流流動處于同一自模區(qū))、引風機一臺、電器控制柜一臺、氣流分布扳。

測量儀器:標準畢托管、YYT－200B 微壓計、U型管、水銀溫度計、熱球風速儀。

3.4.2 試驗裝置模擬范圍及流場邊界條件

試驗裝置模擬范圍:進口煙道、進口封頭(包括導流、均流裝置)、電場部分、電袋結(jié)合部的氣流通道(包括導流均流裝置)、袋式除塵部分、出口煙道、灰斗(包括灰斗阻流板)、風機均在模擬范圍。試驗模型及測點見圖一。流場邊界條件:進、出口邊界條件分別采用速度進口邊界條件和壓力出口邊界條件，導流板采用固體壁面邊界條件。

圖1 氣流分布試驗模型及測點

3.4.3 主要參數(shù)

實物和模型的主要參數(shù)見表1。

表1 實物和模型的主要參數(shù)

3.5 試驗過程

3.5.1 測定模型漏風率

漏風率計算公式:

表2 模型漏風率測試結(jié)果

3.5.2 第二自模化區(qū)的確定

經(jīng)測試該模型漏風率小于1%，進行第二自?；臏y試。通過改變各組試驗風量分別測出進、出口動、靜壓等相關(guān)量，從而計算出各組相應的歐拉數(shù)、雷諾數(shù)，該模型的歐拉－雷諾關(guān)系見表3。

表3 歐拉－雷諾關(guān)系

圖2 氣流分布Eμ = f(Re)曲線

從表3、圖2可知，當Re ＞1.355×105時表明模型試驗已進入第二自模化區(qū)，對應的臨界風量為12900 m3/h，模型電場風速為1.970 m/s，因此，在作氣流分布均勻性調(diào)試時，只要該模型中風量大于臨界風量，就可保證模型試驗和原型流動狀態(tài)處于同一自模化區(qū)。

3.5.3 氣流分布均勻性測定

氣流分布均勻性的判定采用相對均方根值法，其計算公式為:

式中:σ 為斷面氣流速度相對均方根值;n 為測量斷面上測點總數(shù);Vi為i 點上測出的氣流速度，m/s;V為測量斷面各測點氣流速度算術(shù)平均值，m/s。

評判標準:根據(jù)上式計算出σ 值，當σ ≤0.1 時氣流分布均勻性為優(yōu);當σ ≤0.15 時為良;當σ ≤0.25 時表示合格。

進氣喇叭出口斷面與電場末端氣流分布測試試驗。經(jīng)調(diào)試確定該模型進口封頭中順氣流方向第一層導流板，第二、三層孔板開孔率分別為60%、45%，進氣喇叭出口斷面測量點風速數(shù)據(jù)見表4;電場末端斷面測量點風速數(shù)據(jù)見表5。表中“1、2、3、4”為水平點位，“一、二、三、四”為垂直點位。

表4 氣流分布試驗記錄 m/s

從表4中試驗數(shù)據(jù)可以看出，電袋復合除塵器進氣喇叭出口斷面的平均風速為2.036 m/s，相對標準偏差σ =0.0832。

表5 氣流分布試驗記錄 m/s

從表5可知，電袋復合除塵器電場末端斷面平均風速為2.425 m/s，相對標準偏差σ =0.206。

3.6 結(jié)果分析

(1)氣流分布均勻性調(diào)試達到了進口斷面σ =0.0832 的“優(yōu)”指標，第一電廠末端斷面σ =0.206的“合格”指標。

(2)本試驗證明我公司對于電袋復合除塵器氣流分布均勻性的解決方法是合理的、可靠地，可推廣應用于實際工程。

(3)根據(jù)上述試驗的結(jié)果，該項技術(shù)方法成功應用到河北柏坡正元化肥有限公司的150 t/h 鍋爐和其他工程所配用得電袋復合除塵器上，并取得了滿意的效果，解決了電袋復合除塵器氣流分布均勻性的問題，保證了電袋復合除塵器的成功運行。

4 結(jié)語

2012年底到2013年初全國大范圍、長時間持續(xù)的嚴重霧靄天氣，讓我們看到加快落實《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》和全面執(zhí)行PM2.5最寬限值的必要性和緊迫性。解決好電袋復合除塵器氣流分布的均勻性，提高電袋復合除塵器對PM2.5細顆粒物發(fā)揮良好的捕集作用，為推動電袋復合除塵新技術(shù)迎接新的發(fā)展機遇創(chuàng)造良好條件。

［1］GB 13223－2011，火電廠大氣污染排放標準［S］.

［2］GB 3095－2012，環(huán)境空氣質(zhì)量標準［S］.

［3］戴日俊，李 偉.電－袋復合除塵器捕集微細粒子的理論淺析［J］.電力科技與環(huán)保，2011，(27)2:22－24.

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