蜂窩管濕式電除塵器內(nèi)部流動特性研究

戴春喜，梁平，車德勇，劉海婷

（1. 華能伊春熱電有限公司，黑龍江 省伊春市 153000；2. 東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132000）

0 引言

隨著火力發(fā)電煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，很多電廠都在進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)改造工作[1-6]。在降塵處理方面，部分電廠通過在現(xiàn)有除塵方式上增設(shè)濕式電除塵器[7-12]來降低顆粒物排放濃度，由于這種除塵方式不需要振打，因此其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)工作減小。常用的濕式電除塵器主要有管式除塵器和板式除塵器兩大類，其中管式除塵器結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，常用于實際技術(shù)改造工程中。濕式電除塵器由于內(nèi)部存在噴霧過程，其內(nèi)部流動情況比較復(fù)雜，因此很難通過實驗對內(nèi)部流場進(jìn)行考察。本文以蜂窩管濕式電除塵器為研究對象，基于計算顆粒流體力學(xué)(computational particle fluid dynamics，CPFD)方法[13]開發(fā)Barracuda 軟件，對其內(nèi)部情況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究煙氣在除塵器內(nèi)部的流動情況，以期對技術(shù)改造可行性研究提供指導(dǎo)。

1 邊界條件與理論方法

蜂窩管濕式電除塵器[14]工作原理是：利用大量細(xì)小霧滴在高速運動條件下與粉塵碰撞的概率增加，使得霧滴與粉塵發(fā)生凝聚，凝聚后的粉塵在電場力作用下向管壁面移動，最終被捕捉。由于有水霧的存在，管壁面會形成水膜，這些水膜有利于捕捉到的顆粒脫落。為結(jié)合后期實驗臺的搭建，本文所分析的濕式電除塵器陽極端采用蜂窩狀的導(dǎo)電玻璃鋼，如圖1 所示，其六邊形內(nèi)切圓半徑為150 mm，管長為4.5 m，計算單元中包含37根管，收塵面積為173 m2。由于計算過程中主要研究煙氣流動情況，而陰極線結(jié)構(gòu)細(xì)小，對煙氣流動影響不大，因此計算模型忽略管中的陰極線結(jié)構(gòu)。入口煙氣流速為4 m/s，霧化噴嘴流速為35 m/s，由于噴射速度較大，本文主要研究霧化液滴運動情況，因此不考慮電場力作用。

圖1 蜂窩管濕式電除塵器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of honeycomb tube wet electrostatic precipitator

水在噴嘴作用下霧化成液滴，為了簡化計算過程，本文忽略了液滴融合過程，采用CPFD 方法計算除塵器內(nèi)部的液滴運動情況。CPFD 數(shù)值方法最先由Dale M.Snider[15]博士提出，該方法運用歐拉-拉格朗日耦合求解，與其他多相流數(shù)值方法不同的是，其求解時采用“顆粒團(tuán)”的方式將具有同類特征的實際顆粒封裝為計算顆粒，計算顆粒在流場中受到重力、摩擦力和顆粒相互碰撞作用力，氣體相和顆粒相運動通過各自的控制方程完成求解，在這個過程中對應(yīng)氣體的控制方程[16]為

式中：f為概率分布函數(shù)；m為質(zhì)量；μg為氣相動力黏度；ρp為顆粒相密度；rp為顆粒半徑；fb為由曳力模型決定的系數(shù)；υp為顆粒相速度。

本文涉及的曳力模型有Wen-Yu/Ergun 模型[16]，這種模型通過Wen-Yu 模型與Ergun 模型進(jìn)行線性變換得到，因此由曳力模型決定的系數(shù)fb可表示如下：

式中：Ps為大于0 的常數(shù)；γ為模型的自有系數(shù)，取值范圍為[1.2,5]；ε為構(gòu)建的一個小量，用于消除模型中奇異點。

2 結(jié)果分析

圖2為液滴速度分布情況，其中a、b、c分別為噴嘴停用、噴嘴在蜂窩管內(nèi)部以及噴嘴在蜂窩管上方對應(yīng)的噴霧液滴運動情況，可以看出，霧化液滴離開噴嘴時速度極快，隨后就快速下降，當(dāng)接觸到壁面后速度下降到最低，有部分霧化液滴從出口排出，大部分液滴在下方水池匯集。

圖2 液滴速度分布Fig.2 Velocity distribution of droplets

圖3為3種情況下煙氣在入口方向垂直平面的煙氣速度矢量分布情況，通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴嘴停用時，煙氣在蜂窩管段流向比較穩(wěn)定，而當(dāng)噴嘴工作時，由于噴嘴出口流速較大，會使煙氣流速增加，從而改變局部位置的流場情況，總體上來看3種情況下煙氣流向基本一致。

圖3 煙氣速度矢量分布Fig.3 Velocity vector distribution of flue gas

圖4 為垂直方向上煙氣速度場分布情況，可以看出，當(dāng)噴嘴停用時，煙氣在蜂窩管段速度分布比較均勻。當(dāng)噴嘴開啟時，蜂窩管段內(nèi)部流速會增大，從圖2 可以看出，噴霧速度在離開噴嘴很短距離后便會快速下降，因此煙氣在這個區(qū)域因與液滴速度差異較大而被加速，隨后液滴在蜂窩管壁面聚集，占據(jù)了部分氣流空間，會出現(xiàn)管壁面煙氣流速較小、中間區(qū)域煙氣流速較大的現(xiàn)象，從而造成了b、c中煙氣速度分布呈豎條狀的情況。

圖4 垂直方向上煙氣速度場分布Fig.4 Velocity field distribution of flue gas in vertical direction

圖5 為水平方向上煙氣速度場分布情況，可以看出，在除塵器頂部煙氣存在回流現(xiàn)象，煙氣從入口進(jìn)入開放空間后未能均勻擴(kuò)散，因此進(jìn)入后受到入口正對位置的壁面阻擋，煙氣會沿圓形壁面形成旋渦回流，然后再向下進(jìn)入蜂窩管。當(dāng)噴嘴停用時，蜂窩管能夠起到均布流場的作用，因此在蜂窩管段越往下，速度分布越均勻；而當(dāng)噴嘴在蜂窩管內(nèi)部或在蜂窩管上方工作時，均會使蜂窩管段煙氣流速不均。

圖5 水平方向上煙氣速度場分布Fig.5 Velocity field distribution of flue gas in horizontal direction

圖6為3種情況下垂直中心線上煙氣流速變化情況，可以看出，當(dāng)噴嘴停用時，煙氣流速會快速下降，這是由于除塵器上方存在回流，使得煙氣流速存在高速區(qū)域，當(dāng)進(jìn)入蜂窩管后煙氣快速擴(kuò)散，速度快速下降。當(dāng)噴嘴工作時，煙氣流速也呈現(xiàn)下降過程，但由于噴霧的加速作用，煙氣流速隨后會快速上升，當(dāng)噴嘴在蜂窩管內(nèi)時，由于單個蜂窩管內(nèi)空間較狹窄，噴霧釋放的動能只加速少量煙氣，因此管內(nèi)流速比噴嘴在蜂窩管上方時要大。但由于噴嘴作用范圍較小，噴嘴的位置對煙氣離開蜂窩管段時的速度影響不大。

圖6 垂直中心線上的煙氣流速變化情況Fig.6 Variation of flue gas velocity on vertical centerline

3 結(jié)論

采用CPFD方法對噴嘴停用與噴嘴開啟時2種典型布置方式下蜂窩管濕式電除塵器內(nèi)噴霧和煙氣流動情況進(jìn)行了研究分析，主要結(jié)論如下：

1）噴嘴開啟會影響蜂窩管段的煙氣流速均勻性，同時會使管內(nèi)煙氣流速上升。

2）霧化液滴速度離開噴嘴后速度會快速下降，當(dāng)接觸到管壁面后速度下降到最低，這部分液滴會占據(jù)煙氣空間，使這部分煙氣速度較小。

3）當(dāng)噴嘴布置在蜂窩管內(nèi)時，內(nèi)部煙氣流速會高于噴嘴布置在蜂窩管上方時的流速，不利于管內(nèi)粉塵捕獲，但兩者對應(yīng)的除塵器下方速度基本一致。