一體式濕式電除塵器流場的數(shù)值模擬與優(yōu)化設計

彭華寧

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建龍巖 364000)

一體式濕式電除塵器流場的數(shù)值模擬與優(yōu)化設計

彭華寧

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建龍巖 364000)

濕式電除塵器流場的均勻性對濕式電除塵器的性能及效率具有重要意義，而濕式電除塵器電場各個分區(qū)的流量偏差和通過每個陽極管流量的相對均方根差是體現(xiàn)其內(nèi)部流場均勻性的兩個重要指標。采用CFD數(shù)值模擬技術，對魏橋鄒平燃煤電廠660MW機組配套濕式電除塵器的內(nèi)部流場設計進行研究分析，結(jié)果表明，通過設置導流裝置和整流格柵可以分別優(yōu)化濕式電除塵器電場各個分區(qū)的流量偏差和通過每個陽極管流量的相對均方根差，從而提高濕式電除塵器的性能及效率。

一體式;除塵器;流場;CFD;導流裝置;優(yōu)化設計

0 引言

目前，濕式電除塵器作為煙氣治理的終端凈化設備，已廣泛運用于各燃煤電廠。濕式電除塵器可高效脫除濕法脫硫后煙氣中的液滴、細顆粒物PM2.5、SO3、重金屬等，實現(xiàn)煙氣的深度凈化［1］。濕式電除塵器按布置型式分有兩種，一種是獨立布置，即分體式;另一種是與脫硫吸收塔一體布置，即一體式。本文所研究的對象為正六邊形導電玻璃鋼陽極管式一體式濕式電除塵器。

一體式濕式電除塵器的優(yōu)點在于成本和運行費用低、占地面積小，流場的均勻性是影響一體式濕式電除塵器除塵、除霧效率的重要因素之一，不良的氣流分布可造成除塵、除霧效率的顯著降低。研究濕式電除塵器氣流分布均勻性主要有物理模型試驗和數(shù)值模擬計算兩種。數(shù)值模擬計算方法(CFD)可獲得全流場的數(shù)值解，可避免設計過程中的盲目性，為優(yōu)化濕式電除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供依據(jù)［2－3］。

本文結(jié)合魏橋鄒不燃煤電廠660MW機組工程實例，采用CFD數(shù)值模擬方法，對濕式電除塵器的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，通過合理設置導流裝置和整流格柵，來優(yōu)化濕式電除塵器電場各個分區(qū)的流量偏差和通過每個陽極管流量的相對均方根差，提高濕式電除塵器的性能和效率。

1 物理模型與數(shù)值計算方法

一體式濕式電除塵器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，利用gambit軟件對其進行全尺寸建模。濕式電除塵器布置在脫硫塔頂部，從脫硫塔出來的煙氣進入濕式電除塵器進行深度凈化，經(jīng)除塵器處理過的凈煙氣從出口排出。

通過調(diào)整濕式電除塵器內(nèi)部導流裝置和整流格柵的布置方式(見圖2、圖3)，由fluent軟件計算各種布置方式下濕式電除塵器電場各個分區(qū)的流量偏差值和通過每個陽極管流量的相對均方根差，對所得結(jié)果進行對比、分析，最終確定最佳的布置方式。為確保數(shù)值模擬的準確性，每組模擬的煙氣特性及運算條件都要保持一致。

圖1 濕式電除塵器結(jié)構(gòu)示意

圖2 導流裝置

圖3 整流格柵

2 數(shù)學模型

FLUENT軟件中提供以下湍流模型:Spalart－Allmaras模型、k－ε模型(標準、RNG、可實現(xiàn)的)、k－ε模型、雷諾應力模型(RSM)和大渦模擬模型(LES)。本項目的湍流模型采用標準k－ε模型，湍流流場的計算采用有限容積法離散控制方程，算法采用SIMPLE算法，對流項采用二階迎風格式，近壁面采用壁面函數(shù)法處理。假定流體是不可壓縮的，作定常流動，整個模擬過程為等溫過程。其控制方程如下［4－5］:

連續(xù)性方程:

動量方程:

式中:p為靜壓;Fi為包含了其他的模型相關源項，如多孔介質(zhì)和自定義源項。

濕式電除塵器進口采用速度入口邊界條件，需要計算其湍流參數(shù)，包括湍流強度I和水力直徑DH，湍流強度I按下式計算:

式中:μ＇和μ分別為湍流脈動速度和平均速度，ReDH為按水力直徑DH計算得到的Reynolds數(shù)。出口的邊界條件為自由出流;壁面視為絕熱壁面;對于壁面附近的區(qū)域，采用壁面函數(shù)法修正［6～8］。

3 結(jié)果與討論

3.1 未設置導流裝置與整流格柵的數(shù)值模擬

魏橋鄒平電廠660MW機組配套濕式電除塵器的電場分為一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)，共3個區(qū)。在不明確要如何設置導流裝置與整流格柵的情況下，首先對未設置導流裝置與整流格柵的濕式電除塵器進行數(shù)值模擬(見表1)，觀察其內(nèi)部氣流組織情況，這將為如何設置導流裝置與整流格柵提供依據(jù)。

從表1可以看出，在未設置導流裝置與整流格柵時，電場各個分區(qū)流量偏差和通過每個陽極管流量的相對均方根差都較大。煙氣流量在一區(qū)偏小，在三區(qū)偏大，這與除塵器出口位于三區(qū)側(cè)相符。從除塵器的整體速度云圖和陽極管面速度云圖同樣可以看出這一點。

3.2 設置導流裝置調(diào)節(jié)電場流量偏差

根據(jù)煙氣流量在一區(qū)偏小，在三區(qū)偏大這一事實，設計出了一套煙氣導流裝置，并通過不斷改變導流裝置的角度來進行多次數(shù)值模擬，最終找到能夠?qū)崿F(xiàn)電場各分區(qū)流量偏差＜5%的一個最佳角度。

從表1可以看出，當導流裝置角度設為角度3時，電場各分區(qū)流量偏差較小，滿足各個電場各分區(qū)的流量偏差＜5%的要求。從除塵器設置導流裝置后的整體速度云圖和設置導流裝置后的陽極管面速度云圖同樣可以看出，設置導流裝置后，除塵器內(nèi)部氣流變得較為均勻。

3.3 設置整流格柵調(diào)節(jié)通過每個陽極管流量的相

對均方根差

從前面探討可以看出，設置導流裝置對于調(diào)節(jié)電場各分區(qū)流量偏差效果顯著，但從表1的數(shù)據(jù)可以看出，雖然設置導流裝置對于通過每個陽極管流量的相對均方根差有一定的改善作用，但其效果并不十分顯著，因此，需要通過設置整流格柵來調(diào)節(jié)通過每個陽極管流量的相對均方根差(見表2)。

將整流格柵平鋪在導流裝置上部的整個平面，從表2的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，設置整流格柵后，通過每個陽極管流量的相對均方根差明顯減小，實現(xiàn)通過每個陽極管流量的相對均方根差＜0.2的要求。同時設置導流裝置和整流格柵后，電場各分區(qū)流量偏差和通過每個陽極管流量的相對均方根差均能滿足相關要求，從除塵器設置導流裝置和整流格柵后的整體速度云圖和設置導流裝置和整流格柵后的陽極管面速度云圖同樣可以看出，同時設置導流裝置和整流格柵后，除塵器內(nèi)部氣流變得更加均勻。

表1 導流裝置設為不同角度時的各分區(qū)流量偏差和通過每個陽極管流量的相對均方根差

表2 導流裝置設為不同角度，同時設置整流格柵時各分區(qū)流量偏差和通過每個陽極管流量的相對均方根差

3.4 一體式濕式電除塵器的阻力特性

煙氣流經(jīng)一體式濕式電除塵器的阻力特性是影響一體式濕式電除塵器工業(yè)應用的一個主要因素，本文對優(yōu)化前后一體式濕式電除塵器的煙氣阻力進行了研究，結(jié)果表明，優(yōu)化前后一體式濕式電除塵器的煙氣阻力變化不大。

4 結(jié)語

(1)一體式濕式電除塵器由于其出口不在除塵器的中心位置，而是位于除塵器的一側(cè)，造成通過除塵器的煙氣流量在靠近除塵器出口側(cè)明顯偏大，流場均勻性差。因此，需要通過設置導流裝置和整流格柵來調(diào)節(jié)電場各分區(qū)流量偏差和通過每個陽極管流量的相對均方根差，優(yōu)化濕式電除塵器的內(nèi)部流場，提高濕式電除塵器的性能和效率。

(2)設置煙氣導流裝置，對于電場各分區(qū)流量偏差的調(diào)節(jié)作用十分明顯，可以實現(xiàn)各個電場的流量偏差＜5%。

(3)設置整流格柵，對于通過每個陽極管流量的相對均方根差的改善效果顯著，實現(xiàn)通過每個陽極管流量的相對均方根差＜0.2。

(4)優(yōu)化前后一體式濕式電除塵器的煙氣阻力變化不大。

［1］郭程程，李娜.火電廠石膏雨治理方案的研究與應用［J］.電力科技與環(huán)保，2013，29(2):28－30.

［2］金定強，馬修元，周凱，等.濕式靜電除塵器流場的數(shù)值模擬與優(yōu)化設計［J］.電力科技與環(huán)保，2015，31(1):32－35.

［3］馬雙忱，王夢璇，蔡曉彤，等.FLUENT在燃煤電廠大氣污染控制領域的應用研究進展［J］.電力科技與環(huán)保，2011，27(6):1－5.

［4］王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［5］陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，1999.

［6］黨小慶，謝照亮，胡紅勝，等.燃煤電廠袋式除塵器入口煙道煙氣溫度偏差調(diào)整［J］.電力科技與環(huán)保，2012，28(4):20－22.

［7］沈丹，仲兆平，過小玲.600MW電廠SCR煙氣脫硝反應器內(nèi)不同導流板的流場數(shù)值模擬［J］.電力環(huán)境保護，2007，23(1):42－45.

［8］李雪梅.電除塵器內(nèi)部氣流分布特性的數(shù)值研究［D］.吉林:東北電力大學，2009.

Numerical simulation and optimization design of flow field in the unitary type wet electrostatic precipitator

The uniform ity of the flow field distribution ofwet electrostatic precipitator has im portant significance on its performance and efficiency，the electric field flow distribution and the relative RMS through each anode tube flow are two important indicators to reflect its internal flow field uniform ity.Using CFD numericalsimulation technology to analyze the internal flow field design of a coal－fired power plant660MW unit supporting wet electrostatic precipitator.The results show that the electric field flow distribution and the relative RMS through each anode tube flow o f wet electrostatic precipitator can respectively be optim ized by setting deflector and Rectifier grille，thus im prove the performance and efficiency ofwet electrostatic precipitator.

unitary type;precipitator;flow field;CFD;deflector;optim ization design

X701.2

:B

:1674－8069(2016)01－030－03

2015-09-22;

:2015-11-12

彭華寧(1988-)，男，福建龍巖人，助理工程師，長期從事電袋復合除塵器、濕式電除塵器的CFD模擬計算等技術的開發(fā)、設計和研究工作。E－mail:13850605621@139.com