過濾速度對200 MW 機組電袋復合除塵器流場分布影響的數(shù)值對比

張立棟，郭婷婷，李少華

（1．東北電力大學能源與動力工程學院，吉林省 吉林市 132012；2．中國大唐集團科學技術研究院有限公司，北京市 石景山區(qū) 102206）

0 引言

根據(jù)《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的分析，潔凈煤發(fā)電技術仍將是“十三五”燃煤發(fā)電機組技術發(fā)展的核心[1]。工業(yè)污染源排放出的粉塵顆粒是懸浮在大氣中的，當它超過一定濃度時就會對環(huán)境產(chǎn)生有害影響，引起灰霾，同時危害人體健康。作為細顆粒物的生成來源，人為源主要包含固定源及流動源，固定源包括各種燃料燃燒源，如燃煤過程可產(chǎn)生大量的人體可吸入顆粒物[2]。因此，火電廠的環(huán)保治理正在從控制端的濃度控制到質(zhì)量控制的技術轉(zhuǎn)變[3]。

電袋復合除塵技術除塵率一般大于 99.5%，普通電袋復合除塵器出口顆粒物濃度可控制在20 mg/m3以下[4]。電袋復合式除塵器經(jīng)過優(yōu)化整合，使其中粉塵通過電場帶電，利用荷電粉塵的氣溶膠效應提高濾袋過濾效率，同時減少布袋的損耗，延長了布袋使用壽命[5]。文獻[6]對實際生產(chǎn)過程中燃煤電廠的電除塵器、袋除塵器、電袋復合除塵器對PM10及PM2.5進行捕集效率對比試驗，通過對比得出了以出口排放總質(zhì)量濃度和PM10和PM2.5分級的質(zhì)量濃度為指標，除塵效果最好的為電袋復合除塵器、其次為袋式除塵器。文獻[7]通過對3種除塵器對比實驗及現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得出電袋復合除塵器具有較高的 PM2.5脫除效率。文獻[8]對我國6個燃煤電廠細顆粒物排放量進行實際測量并與美國及加拿大的相應排放水平進行對比，顯示這 6個代表性電廠的 PM10及PM2.5的排放因子遠大于美國和加拿大的水平。文獻[9]在不同過濾速度下對PM10除塵效果在電袋復合除塵器進行工業(yè)試驗，得出除塵器的壓降與過濾速度之間存在著線性關系。文獻[10-11]對電袋復合除塵器中的靜電區(qū)與布袋區(qū)之間的結(jié)合部分及氣流分布板的開孔率進行詳盡的實驗研究。文獻[12]分析了 7種開孔率及孔板的布置對電袋復合除塵器中孔板對顆粒物脫除的影響規(guī)律，不同孔板對電袋復合除塵器內(nèi)的電場及流場均有一定的影響。文獻[13]通過實驗證明電袋復合除塵器對PM2.5粒子的收集效率隨粒子尺寸的減小而降低，但對于0.03－0.2 μm的粒子收集效率會再次提高。文獻[14]對 660 MW 機組配套的電袋復合除塵器進行脫除多污染物的效果研究，結(jié)果表明其對Hg、SO2、SO3的脫除效果良好。

數(shù)值模擬方面，文獻[15]對電袋復合除塵器中除塵器的流量不均等情況進行數(shù)值模擬；文獻[16]對電袋復合除塵器的氣流入口流速及電凝并區(qū)前水平管道長度進行數(shù)值研究；文獻[17]對150 MW 機組電袋復合除塵器的氣流分布進行數(shù)值研究；文獻[18]對1 000 MW機組的電袋復合除塵器內(nèi)煙氣量、壓降以及粉塵比電阻3個因素進行數(shù)值研究，得出最佳除塵效率對應的壓降范圍及溫度范圍。從文獻模型中看，以上數(shù)值研究電袋復合除塵器時，都未對灰斗的影響進行研究，本文研究了不同過濾速度下除塵器內(nèi)流場區(qū)別，同時也分析了灰斗產(chǎn)生的二次揚塵現(xiàn)象。

通過以上分析，雖然除塵器的壓降與過濾速度存在線性關系，但除塵器內(nèi)部流動空間較大，電極及布袋的布置位置都會對流動的不均勻產(chǎn)生較大影響，因此本文通過研究不同過濾速度下的電袋結(jié)合除塵器中流動速度不均勻性。

1 模型建立及評價指標

1.1 仿真模型數(shù)值模擬參數(shù)

該機組煙氣氣流從進口進入除塵器，攜帶灰塵顆粒的煙氣依次通過2個電場除塵室和3個袋式除塵室。含塵煙氣流經(jīng)過電除塵區(qū)的2個電場除去煙氣中顆粒較大的粉塵，含較小粉塵顆粒的氣體再進入袋除塵區(qū)經(jīng)過濾袋的過濾進入凈氣室，得到潔凈的氣體經(jīng)由除塵器出口離開電袋復合除塵器，經(jīng)過簡化后的模型如圖1所示。

圖1 電袋復合除塵器物理模型Fig. 1 Model of electrostatic-fabric integrated precipitator

電袋復合除塵器模型基本幾何參數(shù)。電除塵區(qū)：長10 400 mm、寬13 100 mm、高14 800 mm；一個袋除塵室長為15 600 mm，寬5 800 mm，高14 800 mm，濾袋直徑300 mm、長8 000 mm，濾袋為12排12列，間距是400 mm×400 mm，共432個濾袋；凈氣室長15 600 mm，寬5 800 mm，高4 200 mm，除塵器總過濾面積21 200 m2。

采用計算流體力學的方法對電袋復合除塵器的流場進行了模擬計算，通用控制方程的離散采用有限容積法，對流項差分格式采用二階迎風格式，流體壓力－速度耦合基于SIMPLE算法。

采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法，對電袋復合除塵器的不同區(qū)域進行前處理。劃分出了4種不同網(wǎng)格數(shù)量，經(jīng)過計算得出 1 100萬網(wǎng)格與實際出口壓力值做比較接近，出口負壓為 2 850 Pa，湍流強度I和水力直徑d分別見公式(1)和公式(2)。各壁面均設為無滑移壁面，空氣密度ρ為 1.225 kg/m3，黏度μ為 2.425×10-5kg/m3；濾料的厚度Δm=2 mm，滲透率k見公式(3)，內(nèi)部阻力系數(shù)C見公式(4)。式中：Re為雷諾數(shù)；u為來流速度；Dp為顆粒當量直徑；ε 為開孔率。

1.2 流場測定理論評價指標

由于袋除塵區(qū)內(nèi)部截面各點的氣流速度不同，以相對均方根公式(5)作為評價指標，其特點是對速度場的不均勻值反應比較靈敏，其均方根越大，不均勻度越高。

式中：vi為測點的流速，m/min；為截面的平均流速，m/min；n為截面的測定點數(shù)。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同過濾速度對內(nèi)部流場影響

通過比較在不同過濾風速電袋復合除塵器中的速度云圖(圖 2)和流線圖(圖 3)，分析不同過濾風速的影響程度。

均勻煙氣流進入袋除塵區(qū)后，由于袋式除塵器的濾袋區(qū)對氣流的阻擋作用，使得均勻煙氣下行加速，在濾袋與灰斗間的區(qū)域形成速度變化梯度較大的不穩(wěn)定空間。圖2(a)是速度為0.8 m/min，在Z=2 450 mm平面區(qū)域中濾袋與灰斗間的區(qū)域，可以看到煙氣的“高速區(qū)”。此區(qū)域主要出現(xiàn)在前2個布袋除塵單元以及最后一個單元的前半個區(qū)域，后期由于煙氣向后輸運過程中遇到了除塵室墻面的阻擋作用，形成上升氣流，與之前的高速氣流疊加，造成了“高速區(qū)”的上揚。由于氣流速度變化緩慢，濾袋區(qū)煙氣速度分布均勻，即煙氣量較均勻。濾袋底部“高速區(qū)”最大氣流速度為7.5 m/min；濾袋區(qū)最大氣流速度在后墻上部濾袋處，為5.3 m/min，最小氣流速度在濾袋區(qū)前端1.3 m/min。

圖2(b)是速度為1.2 m/min的云圖，電袋復合除塵器內(nèi)部氣流速度等值區(qū)出現(xiàn)了明顯的分區(qū)狀態(tài)，電除塵區(qū)的低速氣流區(qū)(b-a區(qū))與后部的高速氣流區(qū)(b-b區(qū))分界明顯，并且在后墻上部濾袋處出現(xiàn)了狹長的高速氣流區(qū)(b-c區(qū))，這將增大濾袋負荷的不均勻度，降低高速區(qū)濾袋使用壽命。本工況，濾袋底部空間最大氣流速度11 m/min，濾袋區(qū)的最大氣流速度同樣在后墻上部濾袋處，為8.3 m/min，最小氣流速度在濾袋區(qū)的前端為0.8 m/min。速度差較大。

圖2(c)是速度為1.6 m/min的云圖，在此工況下，濾袋下部空間的“高速區(qū)”呈帶狀斜向上延伸至濾袋區(qū)后墻出口。在此區(qū)域內(nèi)，氣流速度大，氣流量大，本工況，濾袋底部空間最大氣流速度為15 m/min，濾袋區(qū)的最大氣流速度在后墻中部濾袋處，為 10.3 m/min，最小氣流速度在濾袋區(qū)的前端下部，為0.4 m/s。速度差值進一步增大。

速度為2.0 m/min的云圖如圖2(d)所示，在此工況下電除塵區(qū)風速不均勻，出現(xiàn)了下部風速大，上部風速小的情況，這主要是由于隨著過濾風速的提高，電除塵區(qū)入口風速也相應地提高，導流板及濾袋區(qū)的阻力作用顯著增加，導致大量煙氣流受阻下行的結(jié)果。在濾袋區(qū)的下部空間依舊形成了“高速區(qū)”，最高速度18 m/min，且高速區(qū)域面積較其他速度相比都大，濾袋底部氣流如此高的水平流速將造成濾袋底部損壞。在濾袋區(qū)，除第一袋除塵單元中部氣流速度較小外，最小速度為0.7 m/s，其他部分速度均較高，尤以第二及第三單元為甚，其中最大氣流速度出現(xiàn)在靠近后墻的中部，為13 m/min。

圖2 不同速度Z=2 450 mm截面速度云圖對比Fig. 2 Nephogram of Z=2 450 mm under variable velocity

速度為2.4 m/min的云圖如圖2(e)所示，在此工況下緊貼濾袋區(qū)后墻及后墻出口處出現(xiàn)了2塊狹長的高速氣流等值區(qū)，其中濾袋下部空間的最大氣流速度達20 m/min。由以上分析可以看出，當過濾風速為0.8 m/min時，流場分布比較均勻，袋式除塵區(qū)內(nèi)最高速度與最低速度差值最小。且在布袋出口區(qū)域流速分布均勻，沒有出現(xiàn)流速前后分化情況，布袋所承受負荷較小，有利于延長布袋的使用壽命。在過濾風速為1.2、1.6、2.0 及2.4 m/min的4種工況內(nèi)，均在濾袋區(qū)內(nèi)出現(xiàn)不同程度的高速氣流區(qū)，其中尤以 2.4 m/min工況為甚。說明過濾風速越小，袋式除塵區(qū)域的除塵效率越高。而過高的過濾風速，不僅會造成除塵效率低下，還可能因為風速過大，對布袋造成很大沖擊，影響布袋的使用壽命。

圖3為截面流線圖，從圖3可以更加清晰地看到煙氣在除塵器中的流動狀況?？梢钥吹诫姵龎m區(qū)以及袋除塵區(qū)的前2個單元流線分布較為均勻，除塵效果較好，而布袋除塵區(qū)的最后一個除塵單元，在上揚的“高速區(qū)”和灰斗間存在一個影響范圍較大的渦旋區(qū)域，在這種渦旋結(jié)構(gòu)的作用下，煙氣流將對灰斗造成嚴重的沖刷作用，使部分已經(jīng)沉積于灰斗的灰重新被煙氣流卷起，造成二次揚塵，增大了濾袋的過濾負荷，增加濾袋的磨損幾率，影響除塵器的效率。

圖3 不同速度Z=2 450 mm截面流線圖對比Fig. 3 Streamline diagram of Z=2 450 mm under variable velocity

2.2 袋除塵區(qū)各部分的流場均勻性分析

檢測截面的選取應具有代表性，能夠正確地反應布袋除塵區(qū)各部分的流場均勻性。在袋除塵區(qū)，檢測面(布袋下部空間、布袋區(qū)和凈氣室)是沿y軸方向依次布置8個面，其中布袋下部空間3個面分別為y1=1 500 mm，y2=3 540 mm，y3=5 540 mm；布袋區(qū)4個面分別為y4=7 140 mm，y5=9 750 mm，y6=11 340 mm，y7=13 000 mm；凈氣室1個面為y8=16 570 mm。

圖4是各個檢測面的相對均方根值對比。由圖4可以看出，濾袋與灰斗間區(qū)域(y1-y3)，各工況在y1處相對均方根值σ 相差不多，沿除塵器從底部升高，呈現(xiàn)越接近濾袋區(qū)不均勻度越低，這說明濾袋區(qū)對氣流的阻礙作用明顯，可使氣流均勻的進入濾袋空間；在濾袋區(qū)(y4-y7)，0.8 m/min工況的相對均方根值明顯優(yōu)于其他工況，并且隨著過濾風速的增大，相對均方根值σ 逐漸增加；在凈氣室(y8)，各工況的相對均方根值基本相同。從圖4還可以看出，過濾速度為0.8 m/min時，整體袋除塵區(qū)的不均勻度波動幅度最小。過濾風速越小，氣流的速度越?。淮蟮倪^濾風速會降低濾袋的過濾的效果，而小的過濾風速能提高濾袋的除塵效率，對濾袋的磨損也將減小。

圖4 不同速度各個檢測面的相對均方根值對比Fig. 4 The relative RMS of different calibration surface under variable velocity

3 結(jié)論

本文研究了200 MW機組的電袋復合除塵器中5種不同過濾速度對袋除塵器內(nèi)流場分布及流場均勻性進行了數(shù)值研究，得到以下結(jié)論：

1）電袋復合除塵器內(nèi)部氣流速度出現(xiàn)了明顯的分區(qū)狀態(tài)，在于電除塵結(jié)合的袋除塵區(qū)出現(xiàn)了明顯的高速區(qū)，速度為 1.6 m/min時的高速區(qū)最小，且隨著速度的增加在袋除塵區(qū)靠近出口的后墻上部濾袋處出現(xiàn)了狹長的氣流聚集區(qū)，這將增大濾袋負荷的不均勻度。

2）通過流線圖可以看出，在灰斗區(qū)產(chǎn)生一定量的漩渦，對已經(jīng)脫除下來的灰產(chǎn)生二次揚塵，增大袋除塵的負荷。

3）在袋除塵下部區(qū)域、袋除塵區(qū)域及凈氣室區(qū)域選取有代表的截面進行流場均勻性檢驗，得出速度為0.8 m/min時的不均勻性波動最小，且在袋除塵區(qū)隨著速度增大流場不均勻性也增大，但同時隨著高度的增高整體都呈現(xiàn)下降的趨勢。