多管濕式靜電除塵器等壓入口設(shè)計(jì)研究

董勇，秦明臣

(山東大學(xué)燃煤污染物減排國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061)

多管濕式靜電除塵器等壓入口設(shè)計(jì)研究

董勇，秦明臣

(山東大學(xué)燃煤污染物減排國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061)

針對(duì)多管濕式靜電除塵器入口煙氣均布的要求，基于流體力學(xué)原理，提出了入口等壓煙道布置方式，分析了沿程壓力分布模型，并通過FLUENT軟件對(duì)某電廠600MW機(jī)組配套多管濕式靜電除塵器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，采用等壓入口煙道后陽極管束入口截面速度和粉塵濃度分布均勻，系統(tǒng)阻力損失較小，入口截面氣流均布系數(shù)小于0.2。該等壓入口設(shè)計(jì)能夠降低以往導(dǎo)流設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，節(jié)約成本，便于施工。

濕式靜電除塵器;多管;等壓入口;流場;數(shù)值模擬

0 引言

濕式靜電除塵器是目前火電廠煙氣深度凈化系統(tǒng)的主要設(shè)備之一［1－4］，除塵器內(nèi)流場分布的均勻性顯著影響其除塵效率［5］。入口煙道流速分布對(duì)除塵器內(nèi)部流場均勻性有重要影響，合理的入口煙道布置形式，能夠獲得較好的流場分布特性和較低的系統(tǒng)阻力損失。然而，現(xiàn)有濕式靜電除塵裝置由于空間布置限制，需多次轉(zhuǎn)向，造成流場不均。同SCR裝置類似，為了獲得均勻流場，須在煙道各彎頭、變徑、入口、上游氣室等部位布置大量導(dǎo)流板及整流格柵［6－10］，上述復(fù)雜導(dǎo)流結(jié)構(gòu)帶來較大阻力損失，并且在濕式靜電除塵期內(nèi)加裝的導(dǎo)流板存在腐蝕、磨損等問題。本文基于流體力學(xué)原理，經(jīng)過理論分析，提出了入口等壓煙道設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)入口煙氣的均勻分布，并通過數(shù)值模擬的方法，優(yōu)化了等壓煙道布置形式。

1 等壓煙道設(shè)計(jì)原理

在濕式靜電除塵器本體入口處，由于煙氣沿入口流動(dòng)方向不斷分流，其流量不斷減小，軸向速度下降，因此煙氣動(dòng)壓減小而靜壓增加，如圖1(a)、1 (b)所示。由于軸向存在分流，不滿足連續(xù)性方程的要求，不易采用伯努利方程進(jìn)行靜壓變化的分析［11］，因此應(yīng)用動(dòng)量方程來建立等壓煙道數(shù)學(xué)模型。取入口某微元段dx，如圖1(c)所示，在A及B所構(gòu)成的控制體中，列出x方向上的動(dòng)量方程式:

式中:p為靜壓;△pf為阻力損失;ρVxdv為煙氣從等壓煙道進(jìn)入支管處的軸向動(dòng)量分量;Vx為軸向速度分量，經(jīng)整理后得:

式中:h0為等壓煙道入口高度。

流體沿y軸方向運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力為靜壓差△px，為得到等壓煙道斜面設(shè)計(jì)尺寸hx的變化函數(shù)表達(dá)式，做出如下假設(shè):(1)沿?zé)煹垒S向煙氣分流是連續(xù)的;(2)忽略分流中的煙氣摩擦阻力△pf;(3)各支路分流流量相等，即Vy為常數(shù);(4)推動(dòng)力△px沿入口軸線方向不發(fā)生變化，可實(shí)現(xiàn)入口煙氣分布均勻，即要求dp=0。

圖1 入口煙道布置方式壓力變化示意

因此，從式(2)知:

由控制體內(nèi)的質(zhì)量守恒，每個(gè)微元段的分流量等于軸向質(zhì)量流量的減少，因此有:

式中:Vy=vinh0/L，vin為入口軸向煙氣速度，L為等壓煙道設(shè)計(jì)寬度。對(duì)式(4)積分并整理得:

上式即為等壓煙道高度漸變公式。當(dāng)設(shè)計(jì)的垂直入口縱向整流格柵將截面分為n段時(shí)，末端高度hn應(yīng)為h0/n。

2 應(yīng)用案例與分析

2.1 物理模型

圖2為某電廠600MW機(jī)組配套濕式靜電除塵器結(jié)構(gòu)示意，處理煙氣量2530000m3/h。煙氣由濕法脫硫塔頂部流經(jīng)入口煙道彎頭和方圓節(jié)，進(jìn)入除塵器本體入口，本體底部為等壓煙道設(shè)計(jì)，上方通過整流格柵對(duì)煙氣進(jìn)行導(dǎo)向及分流［12］，煙氣流經(jīng)陽極管束區(qū)后，由頂部煙囪排出。濕式靜電除塵器入口煙道平均流速3.5m/s，多管濕式靜電除塵器陽極管內(nèi)切圓300mm，管束內(nèi)設(shè)計(jì)平均速度2.5m/s。

為簡化數(shù)學(xué)模型，假定濕式靜電除塵器內(nèi)煙氣為常物性不可壓縮流體，陽極管束區(qū)域處理為各向異性多孔介質(zhì)。通過分析本體內(nèi)流體速度分布，陽極管束上游截面速度均布系數(shù)、系統(tǒng)阻力損失和灰分濃度分布等，探討等壓煙道布置方案的流場均布特性。

2.2 速度分布

濕式靜電除塵器內(nèi)流場分析最關(guān)心的問題之一是速度分布的均勻性。圖3為中心縱截面速度分布云圖，從圖3可知，流場在入口煙道內(nèi)分布并不均勻，由于煙氣流經(jīng)彎頭及天圓地方，流動(dòng)方向發(fā)生了較大的變化，為防止煙氣在進(jìn)入下氣室時(shí)除塵器入口煙氣上下偏差過大，在入口設(shè)置一塊弧形導(dǎo)流板。煙氣進(jìn)入下氣室后，整流格柵內(nèi)沿流向的各相鄰格柵板形成了一系列煙氣分流通道，模擬結(jié)果顯示，各支路分流速度在2～3m/s，較為均勻。

圖2 濕式靜電除塵器結(jié)構(gòu)示意

圖3中心縱截面速度分布

圖4 為等壓煙道內(nèi)y和z軸方向分速度，由等壓煙道設(shè)計(jì)原理知，在單個(gè)微元體dx中，y軸方向上v應(yīng)為常數(shù)，z軸方向上的分流量也應(yīng)相等，因此在整個(gè)截面內(nèi)y和z軸方向分速度應(yīng)不變。從圖4可知，y軸分速度約為15m/s，z軸分速度約為2.5m/s，但在入口處受彎頭的影響，vin在整個(gè)截面分布并不均勻，導(dǎo)致靠近入口處的z軸向速度分量較小。整體而言，模擬結(jié)果同理論分析一致。

圖4 等壓煙道內(nèi)Y和Z軸方向分速度

為了對(duì)除塵器內(nèi)的流場分布效果進(jìn)行定量分析，采用速度均布系數(shù)Cv進(jìn)行研究［13］，定義為:

其中:

圖5為陽極管束入口上游0.5m處截面速度分布，從圖可知，截面內(nèi)速度分布均勻，經(jīng)(6)計(jì)算的截面速度均布系數(shù)為0.178，小于規(guī)定值0.2。

圖5 陽極管束上游0.5m處速度分布

2.3 壓力分布

濕電除塵器內(nèi)阻力損失相對(duì)較小，本實(shí)例系統(tǒng)總阻力損失約為294Pa。煙氣流過陽極管束造成的阻力損失不到10Pa，一般可以忽略不計(jì)。

圖6為等壓煙道及下氣室y軸方向壓力變化，理想條件下，pin與pout應(yīng)為一條水平線，如圖1(b)所示，然而，入口截面各點(diǎn)速度vin并不相等，造成等壓煙道內(nèi)的壓力沿?zé)煔饬飨蛴幸欢ǔ潭鹊慕档停苿?dòng)力△px也逐漸降低，產(chǎn)生圖5中入口側(cè)速度略高，對(duì)側(cè)速度略低的煙氣分布特點(diǎn)，該現(xiàn)象可通過微調(diào)整流格柵安裝位置進(jìn)一步改善。

圖6 等壓煙道及下氣室y軸方向壓力變化

2.4 灰分濃度

由于煙氣中99%以上的灰分顆粒都已在靜電除塵器和濕法脫硫塔中得到了有效去除，進(jìn)入濕式靜電除塵器的煙氣含塵量較少，大部分都是粒徑小于10μm的液滴、粉塵或氣溶膠，本文選取平均粒徑為5μm的顆粒進(jìn)行研究，粒徑服從rosin－rammler分布規(guī)律，最大粒徑10μm，最小1μm，分布指數(shù)n為3.5，含塵量取100mg/m3。圖7為陽極管束上游0.5m處的粉塵濃度分布。

圖7 陽極管束上游0.5m處粉塵濃度分布

從圖7可知，顆粒在整個(gè)截面內(nèi)分布均勻，偏差較小。同SCR流場分布特性模擬研究相比，由于此處均為微細(xì)顆粒物，其所受的慣性力不足以克服煙氣的曳力作用，因此，顆粒的煙氣跟隨特性很強(qiáng)，一般只要煙氣速度場分布均勻，離散相就不存在明顯偏差，不必再考慮顆粒的沉積特性。

3 結(jié)語

本文通過流體力學(xué)基本原理，對(duì)濕式靜電除塵器等壓煙道設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析，并通過600MW機(jī)組配套濕式靜電除塵器流場模擬研究，得到如下結(jié)論:

忽略煙道摩擦阻力損失后的簡化等壓煙道尺寸設(shè)計(jì)公式為hx=(1－x/L)h0。

等壓煙道及整流格柵組合方式保證了陽極管入口截面速度分布的均勻性，均布系數(shù)滿足小于0.2的要求。除塵器內(nèi)微細(xì)顆粒物的煙氣跟隨特性較好，濃度分布均勻;系統(tǒng)總阻力損失小于300Pa，陽極管束區(qū)域阻力損失低于10Pa，可忽略不計(jì)。

等壓煙道設(shè)計(jì)簡化了導(dǎo)流布置方案，可以采用廉價(jià)玻璃鋼制作整流格柵，降低了施工難度和成本，減輕了設(shè)備腐蝕。采用等壓煙道下氣室斜底設(shè)計(jì)也有利于灰漿的排出，使?jié)袷届o電除塵器本體設(shè)計(jì)有章可循。

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Research on the design of isostatic inlet flue of multi－tube wet electrostatic precipitators

In order to meet the uniformity requirements of flue gas in multi－tube wet electrostatic precipitators (WESP)，a type of isostatic inlet flue was put out based on aerodynamics，and then，the pressure distribution model was analyzed.Numerical simulation for a multi－tube WESP of 600MW unit was implemented using the commercial software FLUNET.Results show that this design can get a more uniform velocity distribution as well as dust concentration.The system pressure drop was small and the velocity standard deviation coefficient at inlet cross－section of anode bundle was less than 0.2.This design could also reduce the complexity of flow field optimization，lower cost，and facilitate construction.

wet electrostatic precipitator;multi－tube;isostatic inlet;flow filed;numerical simulation

X701.2

B

1674－8069(2016)02－018－04

2015-10-21;

2015-12-26

董勇(1967-)，男，山東壽光人，山東大學(xué)教授，主要從事燃煤污染物控制方面的研究工作。E－mail:dongy@sdu.edu.cn