煙氣溫度對電除塵器性能影響的數(shù)值模擬

閆東杰,莊 倩,玉 亞,丁 柳,張子昂

煙氣溫度對電除塵器性能影響的數(shù)值模擬

閆東杰*,莊 倩,玉 亞,丁 柳,張子昂

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710055)

采用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)軟件對電除塵器進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究,通過自定義函數(shù)(UDF)實(shí)現(xiàn)電場、流場、顆粒場和溫度場的4場耦合,研究煙氣溫度對電除塵器電場特性、流場特性和除塵效率的影響.結(jié)果顯示:入口煙氣質(zhì)量流量相同時(shí),當(dāng)煙氣溫度從20℃上升到400℃時(shí),平均電場強(qiáng)度從4.9×105V/m減小到1.4×105V/m,平均板電流密度從0.971mA/m2降至0.261mA/m2,但板電流密度分布的均勻性逐漸變好;煙氣溫度上升平均湍流強(qiáng)減小,離子風(fēng)效應(yīng)也隨之減小.當(dāng)入口煙氣體積流量相同時(shí),隨著煙氣溫度的增加,顆粒運(yùn)動軌跡線拉長,整體的顆粒捕集效率減低.降低煙氣溫度可以有效提高電除塵器的除塵效率.

煙氣溫度；電除塵器；數(shù)值模擬；除塵效率

根據(jù)使用溫度的不同,電除塵器有高溫電除塵、常規(guī)電除塵和低低溫電除塵器.低低溫電除塵技術(shù)是燃煤電廠煙氣超低排放的重要技術(shù),而高溫電除塵技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高效除塵的同時(shí),有效利用了氣體的顯熱、潛熱及其中有用的資源,不同的使用溫度,電除塵器性能差別較大[1-3].

研究發(fā)現(xiàn)高溫條件下離子風(fēng)對氣體二次流的影響更為顯著,高溫加強(qiáng)了顆粒和流體間的相互作用,不利于顆粒捕集[4-5]. Yan等[6]分析了高溫放電過程的機(jī)理,認(rèn)為放電電流由電子電流和離子電流共同組成.Xiao等[7]研究了線管式靜電除塵器高溫下的除塵特性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙氣溫度為350～700℃時(shí),在電壓增大的起始階段除塵效率迅速提高,但當(dāng)電壓達(dá)到一定值后,除塵效率上升速度減緩;且當(dāng)電壓較高時(shí),隨煙氣溫度上升,除塵效率存在小幅度降低. Rinard等[8]在743～916℃,0.64MPa條件下,測量了電除塵器正負(fù)電暈下的收集效率,結(jié)果顯示負(fù)電暈下的收集效率較高,但在743℃以上的煙氣溫度下,由于工作電壓下降收集效率會降低,并提出可以通過更改電暈電極設(shè)計(jì)的辦法來提高工作電壓. 胡斌等[9]研究了低低溫電除塵入口煙溫對細(xì)顆粒與SO3脫除性能的影響,指出適當(dāng)降低入口煙溫,有利于增強(qiáng)低低溫電除塵對細(xì)顆粒與SO3的脫除.壽春暉等[10]基于1000MW機(jī)組的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),探討了低低溫狀態(tài)下煙氣溫度與除塵效果的關(guān)系. Noda等[11]分析了煙氣溫度對粉煤燃燒鍋爐電除塵器性能的影響,發(fā)現(xiàn)在相同的施加電壓下隨著煙氣溫度的升高電暈電流增加,收集效率隨著煙氣溫度的降低而增加.

目前學(xué)者研究重點(diǎn)是不同煙氣溫度電除塵器的除塵過程及煙氣溫度對除塵效率的影響[12-13].但是,對于煙氣溫度對電除塵器流場特性和電場特性及除塵特性的具體影響仍缺少系統(tǒng)性的研究.基于此,本文選用工業(yè)電除塵器中常用的ZT板和V型芒刺線建立電除塵器模型,研究了煙氣溫度對流場、電場和顆粒相的影響,對比了20℃(常溫)、90℃(低低溫)、150℃(低溫)、300℃和400℃(高溫)5種典型煙氣溫度,探究煙氣溫度對電除塵器的性能影響.

1 理論模型

利用CFD軟件,根據(jù)電除塵器電暈放電、顆粒荷電、荷電顆粒受到的作用力等因素建立了一套除塵器完整的數(shù)學(xué)模型.

1.1 電場模型

當(dāng)施加電壓高于起暈電壓時(shí),電場會產(chǎn)生電暈電流,此時(shí)電除塵器模型中的電勢和離子電荷密度分布滿足泊松方程和電流連續(xù)性方程,相應(yīng)的表達(dá)式如下.

泊松方程:

電流連續(xù)性方程:

式中:為電壓,V;ρ為空間電荷密度,C/m3;0為氣體介電常數(shù);為電流密度(A/m2),為電場強(qiáng)度,V/m;為離子遷移率,=1.6×10-4m2/(V?s);表示電場風(fēng)速,m/s;為離子擴(kuò)散系數(shù),=3.6×10-6m2/s.

1.2 流場模型

將流體視為不可壓縮非牛頓流體,氣流為穩(wěn)態(tài).電除塵器內(nèi)氣流運(yùn)動狀態(tài)為湍流,因此氣流模擬模型采用湍流模型.本文采用湍流模型中的Reynolds平均法,則氣流的控制方程可由連續(xù)性方程和動量守恒方程聯(lián)立起來表示,即Navier-Stokes方程[14].通過在氣流的動量方程添加源項(xiàng)的方法實(shí)現(xiàn)電場對顆粒作用力的賦值,從而實(shí)現(xiàn)電流場和顆粒場耦合.

連續(xù)性方程:

動量方程:

式中:表示氣體密度,kg/m3;u表示氣體速度在x上的分量,m/s;表示氣體黏度,Pa·s;μ指的是湍流黏度,Pa·s;指氣體壓力,Pa;f表示慣性力,N/m3,指顆粒對流場的作用;ρ為顆粒密度,kg/m3;(ρ+ρ)E表示電場力,N/m3;ρE表示電場對顆粒的作用力,ρE表示顆粒對電場的反作用力,低濃度含塵氣流中,反作用力可以忽略不計(jì).由于本文研究的煙塵濃度較低,只考慮電場對顆粒的影響.

1.3 顆粒運(yùn)動模型

對于大部分工業(yè)電除塵器,煙氣含塵濃度較低,因此屬于稀疏氣固兩相流.Semmar等[15]對電除塵器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明當(dāng)電場強(qiáng)度較大時(shí),稀相流中的顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間產(chǎn)生的作用力可忽略不計(jì).一般情況下,顆粒主要受到曳力、重力和庫侖力的作用,由于本文模擬的顆粒粒徑較小,重力可被忽略,采用牛頓第二定律表示顆粒之間的相互作用,其控制方程如式(7)所示.

1.4 顆粒荷電模型

電除塵器中有兩種明顯的荷電機(jī)理[16],即電場荷電和擴(kuò)散荷電.對于電場荷電,由于氣體離子運(yùn)動使得離子與顆粒發(fā)生碰撞而帶同極電荷,隨著碰撞次數(shù)逐漸增加,顆粒荷電量也逐漸增加,電場強(qiáng)度越來越大,斥力也越來越大.當(dāng)顆粒荷電量達(dá)到一定程度后,氣體離子幾乎不能繼續(xù)到達(dá)顆粒表面,此時(shí)認(rèn)為顆粒荷電量已達(dá)到飽和狀態(tài),荷電過程也隨之停止,其經(jīng)典算式為[17]:

式中:q表示電場荷電量,C;d表示顆粒粒徑,m;表示顆粒介電常數(shù)(對一般粉塵來說,通常為5～ 6);τ表示時(shí)間常數(shù),s;表示顆粒在荷電電場中的滯留時(shí)間,s;其他物理量符號同上述其它公式符號一致.

對于擴(kuò)散荷電,由于離子的熱運(yùn)動使得離子通過氣體擴(kuò)散后而依附在顆粒上,從而顆粒荷電.擴(kuò)散荷電過程主要受離子的熱能、顆粒粒徑的大小和顆粒在電場中的停留時(shí)間等影響[18].

式中:q表示擴(kuò)散荷電量,C;k表示玻耳茲曼常數(shù),k=1.38′10-23J/K;表示絕對溫度,K;表示電子電荷量,=1.6′10-19C.

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型的建立

本文模擬對象為前期實(shí)驗(yàn)室搭建的1臺電除塵器,對電除塵器的電場區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.電場區(qū)長1470mm,寬400mm,高864mm.電場區(qū)的收塵極為ZT板,放電極為V型線,總共放置了6根線,其線間距為240mm.由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,網(wǎng)格數(shù)量較大.在考慮到計(jì)算機(jī)運(yùn)行空間和保證模擬的準(zhǔn)確性下,最終選取的網(wǎng)格數(shù)為1104843個(gè).

圖1 電除塵器電場區(qū)3D模型示意

2.2 計(jì)算條件

煙氣溫度會影響電除塵器的擊穿電壓,公式(10)為煙氣溫度與擊穿電壓的關(guān)系[19]:

式中:0為0溫度下的電除塵器擊穿電壓,kV;U為T溫度下的電除塵器擊穿電壓,kV.由該公式可知當(dāng)煙氣溫度降低(T<0),擊穿電壓值增大,且煙氣溫度每降低10℃,電場擊穿電壓提高3%左右.本文研究的工作電壓以擊穿電壓為基礎(chǔ),選取其0.9倍的電壓值為運(yùn)行電壓值,即:

=0.9U(11)

煙氣溫度也會影響粉塵的比電阻,粉塵層導(dǎo)電由表面電導(dǎo)率和體積電導(dǎo)率組成.表面導(dǎo)電主要依靠粉塵表面吸附的水分或其他化學(xué)物質(zhì)中的離子,低溫下以表面導(dǎo)電為主.隨著煙氣溫度升高表面比電阻不斷升高;當(dāng)煙氣溫度高于200℃時(shí),則體積導(dǎo)電為主,即以顆粒內(nèi)部離子作為電流載體,體積比電阻隨溫度升高而下降. 當(dāng)煙氣溫度從室溫20℃開始升高,顆粒表面水分逐漸被蒸發(fā),液膜逐漸消失,表面比電阻增大,150℃時(shí),比電阻達(dá)到最大值.當(dāng)溫度繼續(xù)升高,電流較難通過顆粒表面?zhèn)鲗?dǎo),粉塵則主要依靠顆粒內(nèi)部離子進(jìn)行電流傳導(dǎo),且溫度升高,活化能提高,有利于顆粒內(nèi)部電子和離子導(dǎo)電,粉塵比電阻也隨溫度升高而降低.朱唯卓等[20]實(shí)驗(yàn)測試了不同溫度下粉塵的比電阻,見表1.模擬過程中其余的邊界條件如表2所示.

表1 不同溫度下粉塵比電阻(Ω cm)

表2 邊界條件

2.3 模型的驗(yàn)證

圖2 線-板式電除塵器內(nèi)電勢分布的模擬結(jié)果與Penney實(shí)測數(shù)據(jù)的比較

通過與Penney等[20]的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性.該實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:電暈極直徑0.3mm,線板距114.3mm,線間距152.4mm,運(yùn)行電壓43.5kV.圖2為沿著方向?qū)?yīng)不同值得到的電勢分布,對比了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Penney實(shí)驗(yàn)結(jié)果.可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致,說明本文的數(shù)值模擬結(jié)果可靠.

3 結(jié)果與討論

3.1 煙氣溫度對流場的影響

煙氣溫度通過影響氣體的密度,動力黏度,比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)來影響流場.由表3可知隨著煙氣溫度的升高,氣體密度減小,黏度增大,比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均增大.其中比熱容與導(dǎo)熱系數(shù)對模型中能量方程有影響.

表3 不同溫度下的空氣物性變化表

圖3 不同煙氣溫度下Y=0平面的氣體湍流強(qiáng)度

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃ ; e. 400℃

當(dāng)入口質(zhì)量流量相同時(shí),氣體密度越小,電除塵器內(nèi)的煙氣流速越大.在相同條件下,流速越大,電除塵器的除塵效率越低.圖3為不同煙氣溫度下的湍流強(qiáng)度云圖.從圖中可以看出,湍流主要發(fā)生在收塵板和電暈極附近的回流區(qū)域.隨著煙氣溫度的升高,收塵板處的邊界層增厚并拉長了電暈極處的邊界層,同時(shí)也增加了全場的平均湍流強(qiáng)度.此外,隨著煙氣溫度的升高,氣流黏度增大,使顆粒的跟隨性更強(qiáng),更少的顆粒向收塵板發(fā)生偏轉(zhuǎn),易被氣流帶走.

綜上所述,氣體物性參數(shù)的變化最終會影響電除塵器的除塵效率,其中主要是密度和黏度的變化.氣體密度隨著煙氣溫度的降低而增加,在相同的入口質(zhì)量流量的條件下,低溫意味著低速(煙氣量小).由多依奇效率公式[22]也可知,體積流量越小,除塵效率越高.也就是說,煙氣溫度降低會提高除塵效率.另一方面,高溫時(shí),黏度增大使顆粒與氣流的跟隨性增強(qiáng),當(dāng)氣流流動的方向與顆粒到收塵板的方向不同時(shí),顆粒會跟隨氣流逃逸流出靜電除塵器;而低溫時(shí),顆?？梢愿玫钠D(zhuǎn)向收塵板從而被捕集,達(dá)到較好的除塵效果.

3.2 煙氣溫度對電場的影響

圖4 不同煙氣溫度下Y=0平面的場強(qiáng)分布

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃; e. 400℃

圖5 相同電壓不同煙氣溫度下電場強(qiáng)度分布

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃

隨著煙氣溫度的升高,運(yùn)行電壓的范圍變窄.從數(shù)值模擬的角度分析,煙氣溫度影響運(yùn)行電壓,這是求解泊松方程的邊界條件之一,因此煙氣溫度會影響電勢的整體分布,從而影響場強(qiáng)的分布(圖4).

煙氣溫度增加,近板區(qū)域較高電場強(qiáng)度的分布面積減少.通過計(jì)算可知各煙氣溫度下電場區(qū)內(nèi)場強(qiáng)分布的均勻性為20℃<150℃<90℃<400℃<300℃,且常溫(20℃)時(shí)的平均電場強(qiáng)度(4.9′105V/m)與400℃時(shí)的平均電場強(qiáng)度(1.4′105V/m)相差2.5倍左右,所以煙氣溫度降低會使整體的平均場強(qiáng)增加.

當(dāng)外加電壓相同時(shí),不同溫度時(shí)氣體的密度不同,分子平均自由程不同,離子電荷密度不同,場強(qiáng)的均勻性也有差別.圖5為相同電壓不同煙氣溫度下電場強(qiáng)度分布,可以看出,離子電荷密度也隨著煙氣溫度的升高而減小,場強(qiáng)均勻性也隨煙氣溫度增加而變差.煙氣溫度從20℃增大到300℃時(shí),極板處場強(qiáng)逐漸增加,電暈線之間的場強(qiáng)逐漸減小.因此,煙氣溫度會影響場強(qiáng)的大小,也會影響場強(qiáng)分布的均勻性.

稀相氣溶膠不考慮顆粒對電除塵器內(nèi)電場的影響,電場分布僅受煙氣溫度影響,電流密度也隨著煙氣溫度的下降而增大.圖6為不同煙氣溫度下收塵板上沿軸方向中心線處電流密度的分布圖.從圖中可以看出放電極正對的凹槽處電流密度值最小,最小為0.103mA/m2,且隨著煙氣溫度的增加,極板上的電流密度值整體下降. 20, 90, 150, 300, 400℃時(shí)平均板面電流密度值分別為0.971, 0.728, 0.452, 0.367, 0.261mA/m2,呈下降趨勢,但其電流密度分布的均勻性逐漸增加.

圖6 不同煙氣溫度下極板中心線的板電流密度分布

3.3 煙氣溫度對離子風(fēng)的影響

圖7 質(zhì)量流量相同時(shí),不同煙氣溫度下Y=0平面的主流流線

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃; e. 400℃

從圖7a中可以看到在放電極附近有明顯的漩渦.但隨著煙氣溫度的升高,漩渦逐漸消失且氣流流線向極板附近的偏轉(zhuǎn)幅度也越來越小;在圖7e中氣流流線基本順直.由公式(6)中項(xiàng)(ρ+ρ)E代表離子風(fēng)對流場的影響也可知,因?yàn)殡x子電荷密度ρ靠近電極處最大,且低溫比高溫的場強(qiáng)大,所以20℃時(shí)極線附近的渦旋最明顯.此外,煙氣溫度增加,煙氣量增大,主流速度也增大.當(dāng)主流速度足夠高時(shí),如300和400℃時(shí)的情況,離子風(fēng)效應(yīng)不明顯,流場中沒有明顯的波動,流動主要受主流場控制.

3.4 煙氣溫度對除塵效率的影響

煙氣溫度對電場特性和流場特性的影響最終將作用在電除塵器的除塵特性上.圖8為體積流量相同(入口流速為1m/s)時(shí),d=2.5μm的顆粒在不同煙氣溫度下的運(yùn)動軌跡.煙氣溫度會通過影響顆粒的運(yùn)動軌跡來影響顆粒的除塵效率.從圖中可以看出,常溫時(shí)顆粒在經(jīng)過第一根放電極后,大部分的顆粒偏轉(zhuǎn)到收塵板上并被捕集.隨著煙氣溫度的升高,顆粒的運(yùn)動軌跡線拉長,越來越多的顆粒逃逸出來.當(dāng)煙氣溫度到達(dá)400℃時(shí),只有少量顆粒能夠被捕集.這可能是由于高溫的氣體黏度較大,顆粒更緊密地跟隨氣流流動,而且驅(qū)動顆粒向收塵板運(yùn)動的電場力也隨煙氣溫度的升高而減小,從而導(dǎo)致除塵效率下降.

圖8 不同煙氣溫度下顆粒的運(yùn)動軌跡

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃; e. 400℃

從圖9中可以看出,不同顆粒粒徑在常溫(20℃)時(shí)對應(yīng)的除塵效率最高.當(dāng)煙氣溫度從300℃到400℃時(shí),粒徑為5μm的顆粒除塵效率下降了18.4%,粒徑為0.5μm的顆粒粒徑除塵效率只下降了5.6%.從中可以看出,高溫階段(300℃以上),大顆粒物的除塵效率比小顆粒物的下降幅度高.總體來說,隨著煙氣溫度的升高,所有粒徑顆粒的除塵效率都減小,所以降低煙氣溫度可以有效提高除塵效率.實(shí)測數(shù)據(jù)主要為不同粒徑的分級除塵效率,許希[23]得到電除塵器對飛灰顆粒的捕集效率:當(dāng)煙氣溫度從300K升高到700K時(shí),PM2.5<d<10和PM1<d<2.5的除塵效率分別從97%和90%降至90%和65%,其中1<d<2.5的粉塵效率下降了約25%.郭俊等[24]測試了實(shí)驗(yàn)室以及工程條件下低低溫電除塵器的粉塵比電阻、分級除塵效率和荷電量;當(dāng)煙氣溫度從90℃升到130℃時(shí),0.5, 1, 2.5和5μm顆粒的分級除塵效率分別下降了12%、7%、8%和6%,與本文研究結(jié)果相接近,由圖9可得,煙氣溫度從90℃升高到150℃時(shí),0.5, 1, 2.5和5μm顆粒的脫除效率分別降低了12%、11%、12%和8%.

從以下幾個(gè)方面分析其原因:(1)低溫時(shí)電除塵器的運(yùn)行電壓范圍大.在相同條件下,運(yùn)行電壓值越大除塵效率越高.(2)低溫時(shí)氣體黏度小,顆粒與氣流的跟隨性差,不易跟隨流體從靜電除塵器逃逸出去,有利于顆粒捕集.(3)高溫使場強(qiáng)減小從而導(dǎo)致電場荷電減少,擴(kuò)散荷電增加.對于大顆粒(以電場荷電為主)而言,兩種荷電機(jī)制的綜合作用下顆粒能夠獲得的荷電量減小,這是高溫導(dǎo)致大顆粒除塵效率降低更快的可能原因.

圖9 不同煙氣溫度下各粒徑顆粒的除塵效率

4 結(jié)論

4.1 氣體密度隨著煙氣溫度的升高而減小,相反地,氣體黏度隨著煙氣溫度的升高而增大.在入口質(zhì)量流率相同時(shí),溫度低流速小,平均湍流強(qiáng)度更大.

4.2 當(dāng)煙氣溫度從20℃增加到400℃時(shí),電除塵器電場區(qū)平均場強(qiáng)從4.9′105V/m減小到1.4′105V/m,平均板電流密度從0.971mA/m2降至0.261mA/m2,但電流密度的分布隨著煙氣溫度的升高更加均勻.

4.3 煙氣溫度會改變離子風(fēng)的形態(tài).從整體上看,隨著煙氣溫度的升高,離子風(fēng)對主流的影響越來越小.

4.4 在體積流量相同時(shí),煙氣溫度降低,運(yùn)行電壓高、顆粒荷電量大、氣體黏度小、顆粒與氣體之間相互作用低等都會導(dǎo)致除塵效率的增大;高溫對大顆粒的捕集效率的抑制作用比小顆粒的強(qiáng),當(dāng)煙氣溫度從300℃上升到400℃,粒徑為5μm的顆粒除塵效率下降了18.4%,粒徑為0.5μm的顆粒僅下降了5.6%.

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Numerical simulation of the effect of temperature on the performance of electrostatic precipitator.

YAN Dong-jie*, ZHUANG Qian, YU Ya, DING Liu, ZHANG Zi-ang

(Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering, College of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)., 2021,41(6)：2577～2585

To elucidate the effect of flue gas temperature on the performance of the electrostatic precipitator, a three-dimensional numerical simulation study of the electrostatic precipitator was conducted through commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software. The overall coupling of electric field, flow field, particle field, and temperature were successfully created through a User Defined Functions (UDF). The results showed that the average turbulence intensity could be reduced with the increase of the flue gas temperature that ranged from 20℃ to 400℃ under the same inlet mass. In addition, it was explored that the average field strength would decrease from 4.9×105V/m to 1.4×105V/m, and 0.971mA/m2to 0.261mA/m2for the average plate current density under the same condition, and the ion wind effect was decreased as well. However, the uniformity of the plate current density distribution gradually improved with the temperature increase. More importantly, the particle trajectory line was elongated with the increased temperature under the same volume flow, but the overall particle capture efficiency was decreased. It can be summarized that the decreased temperature could effectively improve the dust removal efficiency of the electrostatic precipitator.

temperature；electrostatic precipitator；numerical simulation；dust removal efficiency

X51

A

1000-6923(2021)06-2577-09

2020-10-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC0705300);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408455)

* 責(zé)任作者, 副教授, yandongjie_2000@163.com

閆東杰(1981-),男,山西大同人,博士,副教授,主要從事顆粒物控制理論與技術(shù)、氣態(tài)污染物催化凈化技術(shù)方面的研究.發(fā)表論文40余篇.