濕式靜電除塵器流場的數(shù)值模擬與優(yōu)化設計

金定強，馬修元，周凱，申智勇，莊柯

(國電環(huán)境保護研究院，江蘇南京210031)

濕式靜電除塵器流場的數(shù)值模擬與優(yōu)化設計

金定強，馬修元，周凱，申智勇，莊柯

(國電環(huán)境保護研究院，江蘇南京210031)

濕式靜電除塵器流場的分布對煙氣深度凈化具有重要意義，采用CFD數(shù)值模擬方法對某項目600MW燃煤發(fā)電機組濕式靜電除塵器的內(nèi)部流場設計進行了研究分析。結(jié)果表明，流量分配和氣流整流是內(nèi)部流場的兩個關(guān)鍵設計要點。有關(guān)流量分配的設計需在確保各電場流量分配均勻的同時不明顯增加煙風系統(tǒng)阻力，而氣流整流的設計方案可同時運用氣流均布板和整流格柵，此設計方案不僅可降低整套整流方案的壓損，還有利于整流方案的標準化設計和現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整，提高裝置可靠性。

除塵器;流場;數(shù)值模擬;導流板;優(yōu)化設計

0 引言

目前，濕式靜電除塵器已成為火電廠煙氣深度凈化系統(tǒng)的主要裝置之一，其內(nèi)部煙氣流動的分布狀況對除塵器的壓降特性、除塵效率等參數(shù)有著至關(guān)重要的影響［1－4］。近年來，隨著CFD數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，正已逐步應用于火電廠大型設備的模擬煙氣流場中［5－7］。先進的CFD數(shù)值模擬技術(shù)因其精度和可靠性彌補了傳統(tǒng)設計的不足，為實際工程的應用提供更堅實的保障［8－14］。

某項目600MW燃煤發(fā)電機組尾部煙氣處理采用石灰石－石膏濕法全煙氣脫硫設備。為了滿足新標要求，同時解決脫硫系統(tǒng)排放煙氣中的石膏漿液、霧滴攜帶導致的“石膏雨”問題，電廠對1號機組加設濕式靜電除塵裝置。為了配合濕式靜電除塵器的初步設計，本文采用CFD數(shù)值模擬的方法，對除塵器的流場分布、除塵室的流量分配、以及整流格柵等方面進行了系統(tǒng)的分析與研究，通過對比不同方案，從而確定最佳的調(diào)節(jié)方式。

1 物理模型

濕式靜電除塵器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，按設計尺寸對濕式靜電除塵器進行數(shù)學建模，煙氣由脫硫塔出口經(jīng)頂部彎道進入除塵器本體，經(jīng)除塵器處理過的凈煙氣在出口聯(lián)箱匯集，最終由聯(lián)箱出口排出。為了簡化數(shù)值模擬過程，方便獲得煙氣在除塵器內(nèi)部的流場分布特性和阻力特性，假定煙氣在流經(jīng)除塵器過程中的物理性質(zhì)恒定不變。通過討論除塵器內(nèi)部的導流板、整流柵格的分布，確定其最佳的設計參數(shù)。

2 數(shù)學模型

采用局部平均法對濕式靜電除塵器進行數(shù)學建模，以便更好地處理模型中的物理量。在該方法中，連續(xù)相流體質(zhì)點變量被離散網(wǎng)格內(nèi)的局部平均變量所代替。其方法的主要要求是網(wǎng)格內(nèi)包含多個顆粒，同時各網(wǎng)格之間速度、溫度等參量的變化與整個氣相系統(tǒng)內(nèi)參量的宏觀變化相比，浮動不大。針對濕式靜電除塵器內(nèi)的氣固兩相流動的特征，所有這些條件均能滿足。

圖1 濕式靜電除塵器結(jié)構(gòu)示意

連續(xù)性方程:

式中:ε空隙率;u氣體速度矢量;ρg氣體密度。

動量方程:

式中:g是重力加速度;p是氣體壓力;τg是氣體應力張量;Sm為動量方程的源項，可以表示如下:

式中:Vcell為當?shù)亓黧w計算網(wǎng)格的體積Np為該網(wǎng)格中的顆粒數(shù);FD，i為顆粒i所受的流體力，主要為氣體曳力。

本文采用標準k－ε湍流模型:

式中:Skd是由于顆粒的運動引起的湍動能k的產(chǎn)生項，定義如下:

這里，β是流體曳力系數(shù)。式(6)右邊的第一項是由于固體顆粒阻礙而引起的k產(chǎn)生項，第二項是氣固兩相間湍動能交換項，也稱為湍動能重分配項。Δu是氣相速度波動，Δv是顆粒項的速度波動。湍動能重分配項可以計算為:

式中:τd是顆粒相相應時間尺度;τl是氣體相拉格朗日時間尺度，定義為:

這里σs是湍動Schmidt數(shù)。式中Sεd則是由于顆粒相而引起的耗散率產(chǎn)生項，可計算為:

式中:C3是經(jīng)驗常數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 除塵室流量分配特性

對某項目濕式靜電除塵器進行現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)場場地的限制，除塵器內(nèi)兩個除塵室與脫硫塔出口位置有一定偏斜，使之不能對稱分布，導致除塵器兩個除塵室的煙氣流量不一致。圖2為未對除塵器采取調(diào)節(jié)措施時濕式靜電除塵器入口處的流場分布數(shù)值模擬結(jié)果。從圖2可知，在未采取調(diào)節(jié)措施時，濕式靜電除塵器兩個除塵室的入口流量相差較大，兩個除塵室流量比例分別為66%和34%。

圖2 濕式靜電除塵器入口流場分布數(shù)值模擬結(jié)果

為了使?jié)袷届o電除塵器兩個除塵室的工作負荷相一致，即通過兩個除塵室入口處的煙氣流量相同，在除塵器入口聯(lián)箱中加裝了帶有一定傾角的導流板［15－16］。

圖3給出了對濕式靜電除塵器入口增設不同數(shù)量的導流板后，其氣流分布數(shù)值模擬結(jié)果。從圖3可知，安裝導流板后，除塵器入口處的氣流分布明顯得到改善，兩個除塵室入口處的流量相差變小，兩個除塵室內(nèi)的工作負荷趨于一致，這樣有利于提高濕式靜電除塵器的工作效率，減小除塵器的事故發(fā)生率。隨著導流板數(shù)量的增加，脫硫塔出口處的流場分布惡化，兩個除塵室的工作負荷差距較大，與未安裝導流板時相比，除塵器入口處的流場分布并未得到顯著改善。

圖3 導流板對靜電除塵器入口流場分布特性的影響

模擬結(jié)果表明，在聯(lián)箱內(nèi)增設一塊導流板可使除塵器1、2室的負荷分別為50.7%和49.3%，達到濕式靜電除塵器的工業(yè)應用要求。

3.2 整流柵格的作用評價

煙氣由濕式靜電除塵器頂部煙道進入除塵器本體時會經(jīng)過一個流通截面，此截面面積逐漸擴大，煙氣在慣性力的作用下會沿著原來的方向前進，導致煙氣在除塵室內(nèi)部的流場分布不均勻，在除塵室中心部，因煙氣流量較大，導致濕式靜電除塵器每一個除塵模塊的工作負荷較大;而在除塵室邊壁附近，因煙氣流量較小，導致該區(qū)域除塵模塊的工作負荷較小，這就使得除塵器整體工作效率較低，除塵效果較差。為了使煙氣在從除塵器頂部煙道進入除塵室的過程中，煙氣流場分布始終保持均勻狀態(tài)，必須在除塵器內(nèi)部安裝整流柵格。圖4給出了安裝整流柵格前后除塵室內(nèi)部流場分布數(shù)值模擬結(jié)果。

圖4 整流柵格對除塵室流場分布的影響

從圖4可以看出，未安裝整流柵格時，除塵室內(nèi)部流場分布不均勻，除塵室中心煙氣流量較大，邊緣煙氣流量較小;安裝整流柵格后，除塵室內(nèi)部的流場明顯得到改善，其效果基本處于均勻狀態(tài)。模擬結(jié)果表明，整流柵格對改善除塵室內(nèi)的氣流分布具有明顯的作用。

3.3 氣流分布板的作用評價

為了對除塵器內(nèi)部流場進一步優(yōu)化，在除塵器喇叭口位置處安裝氣流分布板，圖5為氣流分布板在喇叭口處空間布置示意。

圖5 氣流分布板的位置

我們對安裝氣流分布板后的除塵室流場分布進行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，安裝氣流分布板的除塵器流場分布趨于均勻，表明氣流分布板對除塵器的流場具有明顯的優(yōu)化作用［17－18］。

3.4 濕式靜電除塵器的阻力特性

煙氣流經(jīng)濕式靜電除塵器時的阻力特性是影響濕式靜電除塵器工業(yè)應用的一個主要因素，本文對濕式靜電除塵器內(nèi)各部分的煙氣阻力進行了研究，模擬結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，煙氣流經(jīng)濕式靜電除塵器的總壓降為528.72Pa。這表明，煙氣在除塵器頂部彎道以及由除塵室進入出口聯(lián)箱彎道的壓降較大，所以具有較大的優(yōu)化空間。因此，在不影響除塵器流場分布的情況下應當盡量優(yōu)化該部分的空間結(jié)構(gòu)，以減少除塵器的總體壓降。

圖6 濕式靜電除塵器阻力特性模擬結(jié)果

4 結(jié)語

(1)由于場地條件限制，濕式靜電除塵器兩個除塵室流量分配不均勻，在聯(lián)箱內(nèi)增設導流板可使除塵器1、2室的負荷均布達到50.7%和49.3%，同時對煙氣阻力影響較小。

(2)在濕式靜電除塵器入口喇叭中增設氣流分布板，可改善除塵器靜電室入口處的氣流分布，降低不同分區(qū)的速度偏差，對煙氣進行初整流，同時對煙氣阻力影響較小。

(3)在陽極模塊上方增設整流格柵，對煙氣流場進行深度整流，在增加不高于50Pa阻力的條件下，可實現(xiàn)氣流均勻性指標σ＜0.2，滿足工程要求。

研究發(fā)現(xiàn)，濕式靜電除塵器的流場設計主要包括流量分配、氣流分布、氣流整流三大部分。有關(guān)流量分配的流場設計需實現(xiàn)各電場流量均勻分配，但要求不明顯增加煙風系統(tǒng)阻力;有關(guān)氣流分布和整流的流場設計目的都是為了實現(xiàn)進入陽極模塊區(qū)間的流場均布，同時運行氣流分布板和整流格柵兩種技術(shù)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在:在提高氣流均布性的同時可降低單格柵設計方案的壓力損失;整流格柵可實現(xiàn)標準化設計;氣流分布板阻力小，調(diào)節(jié)范圍大，可以根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況調(diào)整改進，深度優(yōu)化，以滿足實際工程的要求。

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

The flow field distribution of wet electrostatic precipitator has important significance for deep purification system.Numerical simulation was applied to investigate flow field in the wet electrostatic precipitator of 600MW coal－fired Power station in Xing Yang.The results show that the flow distribution and rectifier are two key features of the flow field.The design of flow distribution needs to ensure uniform distribution of the electric field of each flow and also adds a significant amount of smoke ventilation resistance，and airflow rectifier design should simultaneously use both the airflow and the rectifier grille cloth Panels，this design not only reduces the entire pressure loss rectification，but also conducive to standardization of design and rectifying the optimal adjustment，even improves device reliability.

precipitator;flow field;numerial simulation;deflector;optimum design

X701.2

:B

1674－8069(2015)01－032－04

2014-09-16;

:2014-12-10

金定強(1964-)，男，高級工程師，長期從事燃煤電廠的鍋爐煙氣脫硫、脫硝和除塵技術(shù)的開發(fā)、設計和研究工作。E－mail:jdq_gdhb@126.com

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2013AA065401);國電環(huán)境保護研究院科技項目(H14Y01)