電除塵器進口封頭內設置凝聚器對流場的影響

酈建國，劉含笑，姚宇平，袁偉鋒，郭 峰，余順利

（浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司，浙江 311800）

0 引言

燃煤電廠產(chǎn)生的細顆粒物（PM2.5）約占全社會總量10%［1］，是大氣細顆粒物重要排放源之一，且燃煤產(chǎn)生的細顆粒物通常富集As、Se、Pb、Cr等重金屬及多環(huán)芳香烴（PAHs）、揮發(fā)性有機物（VOCs）等污染物，危害極大。加強火電行業(yè)細顆粒物排放控制技術的研究至關重要［2］。

凝聚器一般安裝于電除塵器進口煙道內，對進入電除塵器前的粉塵進行分列荷電處理，并通過擾流裝置的擾流作用，使帶異性電荷的不同粒徑粉塵產(chǎn)生速度或方向差異而有效凝聚，形成大顆粒后被電除塵器有效收集，提高電除塵器PM2.5脫除效率。國外公司從1999年就開始研究該技術，至今已有10余套裝置的應用業(yè)績，設備運行良好，效果顯著。國內相關單位自2008年開始研發(fā)，已在300 MW機組、135 MW機組上得到了應用，第三方測試機構對300 MW機組應用工程的測試結果表明，電除塵器出口PM2.5的下降率超過30%，總煙塵質量濃度的下降率超過20%［3－5］。

凝聚器結構簡單，提效程度明顯，且改造方便，具有很好的應用前景，將其設置在電除塵器前置煙道上時，直煙道直段長度需大于5 m，這就限制了其在某些場合的應用。本文探討一種將凝聚器布置在電除塵器進口封頭內的方法，對其氣流分布特性及湍流強度進行分析，旨在為工程設計提供技術參考，擴大凝聚器的應用范圍。

1 氣流分布

氣流分布是影響電除塵器除塵效率的主要因素之一。通過計算流體動力學（CFD）的方法，進行氣流分布模擬試驗，研究將凝聚器布置在電除塵器進口封頭內時，對其氣流分布的影響。

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

參照某135 MW機組布置方式，將凝聚器布置在第一、二層分布板之間［6］，并探討4種不同方案時氣流分布狀況，如圖1所示。

圖1 幾何模型

方案A：電除塵器原始方案；方案B：第一、二層分布板間增設凝聚器（或稱為電凝聚器、雙極荷電裝置或微顆粒捕集增效裝置）；方案C：在方案B的基礎上去掉第二層分布板前4個直條；方案D：在方案B的基礎上將第二、三層分布板下端割掉0.5 m。

網(wǎng)格劃分如圖2所示。把幾何模型劃分成許多個子區(qū)域，所有區(qū)域均采用六面體結構化網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為140萬個。進口封頭內氣流分布板設為多孔介質區(qū)域，并進行密封處理。

1.2 邊界條件

圖2 網(wǎng)格劃分

設進口封頭內速度為12.3 m／s，出口靜壓為－2 k Pa，進口氣流分布板采用多孔介質模型；進口喇叭處的導流片、陽極板及灰斗擋風板等，均采用固體壁面邊界條件；空氣密度設為0.901 kg／m3（對應工況溫度、壓力條件下空氣密度），計算采用非耦合求解器、湍流模型為k（湍動能）-ε（耗散率）兩方程模型、應用標準壁面函數(shù)、壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法、對流項差分格式采用二階迎風格式。計算過程中可檢查變量的殘差變化，監(jiān)視計算的收斂性，當收斂精度達到10－4及監(jiān)測斷面的速度、壓力等參數(shù)變化很小時，計算完成。

1.3 氣流分布要求

根據(jù)電除塵器氣流分布模擬試驗標準，要求電場入口截面相對均方根差σr≤0.25［7］。

式中：vi為各測點風速；v為截面平均風速；n為測點數(shù)。

1.4 計算結果及分析

計算不同方案時的第一電場入口速度分布，分別取y＝0截面進口封頭處速度云圖如圖3所示，第一電場入口截面速度云圖如圖4所示，y＝0截面速度云圖如圖5所示，第一電場入口截面速度云圖如圖6所示。

圖5 y＝0截面速度云圖

由圖5可以看出，電除塵器進口封頭內具有明顯的速度梯度，經(jīng)導流板導流后，氣流被分割打散，并局部改變氣流方向，使氣流均勻性增強。觀察方案D速度云圖，由于第二、三層分布板下端割掉0.5 m，因此下端煙氣流速較高。由圖5可知，電除塵器第一電場入口截面速度分布大部分集中在0.5～1.5 m／s范圍內，低流速區(qū)域主要集中在截面下端，這是因為分布板下端一般留有一定空隙，下端氣流大量從縫隙流過，且受分布板最下端導流板的遮擋，因此第一電場入口有效收塵截面的下端一般為低流速區(qū)域。由于煤灰顆粒受重力影響，進入電除塵器內時一般下端煤灰濃度較高，上端濃度低，因此下端流速較低對收塵有利［8］。

圖6 第一電場入口截面速度云圖

將凝聚器布置到進口封頭內，可使煤灰顆粒帶上異極性電荷后有效凝聚，但由于封頭內流速較低，帶電煤灰顆粒容易沉積在接地的氣流分布板上，此時需要采取必要的清灰措施，且為了保證封頭下端卸灰順暢，將第二、三層分布板下端割掉0.5m（方案D），觀察此時第一電場入口截面速度云圖，該有效收塵截面下端存在一個高流速區(qū)域，此處高流速對封頭下端卸灰有利，但會使有效收塵截面的氣流均勻性降低。

計算不同方案第一電場入口有效收塵截面速度的相對均方差σr，方案A的σr為0.154；方案B的σr為0.165；方案C的σr為0.168；方案D的σr為0.20。

進口封頭內設置凝聚器后氣流均勻性有所降低，但仍滿足標準要求（σr為0.25），為保證卸灰順暢，將第二、三層分布板下端割掉0.5 m（方案D），此時第一電場入口有效收塵截面速度的σr為0.2，仍滿足標準要求。

為了進一步保證卸灰順暢，在方案D的基礎上去掉第三層分布板最下端的導流板，計算此時第一電場入口截面速度分布如圖7所示，此時截面下端高流速區(qū)域流速變得更高，而低流速區(qū)域速度變得更低，均勻性進一步降低。經(jīng)計算，此時第一電場入口有效收塵截面速度的σr為0.32，已經(jīng)超出標準值（σr為0.25）要求。

圖7 第一電場入口截面速度云圖及局部放大圖

2 顆粒運動軌跡及湍流強度計算

正、負荷電顆粒能否有效凝聚，取決于在其流動區(qū)域內是否有足夠的湍流強度使其產(chǎn)生足夠的速度或方向差異［9－11］，因此對進口封頭內顆粒運動軌跡及湍流強度進行了測試。

2.1 幾何模型及數(shù)學模型

為簡化計算，僅取入口煙道擾流柱和進口封頭為研究對象，三層氣流分布板圓孔均實體建模，如圖8所示。

圖8 幾何模型

k－ε兩方程模型模擬流場參數(shù)，離散相模型（DPM）模擬顆粒運動軌跡，考慮重量作用，連續(xù)相對顆粒作用采用Discrete Random Walk模型，煤灰顆粒真密度值取平均值2 100 kg／m3計算，壁面邊界處理為彈射。

2.2 計算結果及分析

各截面湍流強度與顆粒運動軌跡偏移關系如圖9所示。

圖9 湍流強度與顆粒運動軌跡關系

封頭內顆粒運動軌跡如圖10所示。

湍流強度為湍流脈動速度與平均速度的比值。第一層分布板所產(chǎn)生湍流強度值最大，其最大值與煙道內擾流柱所產(chǎn)生的湍流強度值相當（參見圖9中上面兩條曲線）；第二、三層分布板產(chǎn)生湍流強度值較小。觀察進口封頭內顆粒運動軌跡，發(fā)現(xiàn)不同粒徑顆粒經(jīng)過分布板后，軌跡發(fā)生明顯偏移，且第一層分布板處顆粒偏移幅度較大。因此，若將荷電裝置設在第一層分布板之前，會使荷電顆粒有更多的碰撞凝聚的概率，但此時積灰的風險可能會更大。

圖10 進口封頭內顆粒運動軌跡

3 結論

對于某些除塵器前置水平煙道較短的項目，可將凝聚器布置在電除塵器進口封頭內。本文利用數(shù)值模擬的方法，探討將凝聚器布置在第一、二層分布板之間及不同方案時對氣流分布的影響，并計算進口封頭內顆粒運動軌跡及湍流強度值，結論如下：

1）進口封頭第一、二層分布板之間布置凝聚器，對氣流均勻性影響不大，可以滿足第一電場入口速度均勻性要求。

2）第二、三層分布板下端適當割斷及去掉導流板，可有利于卸灰，但對氣流均勻性影響較大，實際應用時應謹慎處理。

3）依據(jù)湍流強度值推測，將凝聚器布置在第一層分布板之前，可能會使荷電顆粒有更多的碰撞凝聚的概率。

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