側(cè)出濕式靜電除塵器流場(chǎng)優(yōu)化研究

吳一帆，郭 涵，張竣清，隋洪波，于躍海

（北京博奇電力科技有限公司，北京 100022）

0 引言

濕式靜電除塵器是目前電力、焦化、燒結(jié)、水泥等行業(yè)進(jìn)行煙氣綜合治理、實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的主要設(shè)備[1-6]。除塵器的除塵效率與多種因素相關(guān)，如除塵器內(nèi)部煙氣流場(chǎng)均勻性、煙氣流動(dòng)速度、表面活性劑的添加、煙氣溫度、極板形式、放電極形式、電場(chǎng)特性、粉塵特性等?？茖W(xué)調(diào)整除塵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化流場(chǎng)均勻性，能夠從根本上提高煙氣中顆粒物的脫除效率[7-10]。趙亮等[11]研究了煙氣流速對(duì)PM10脫除率的影響，結(jié)果表明，除塵器入口煙氣流速由16.1 m/s降低至8.8 m/s時(shí)，可吸入顆粒PM10的脫除率由80.4%提高到88.4%。楊振民等[12]就表面活性劑對(duì)除塵器除塵性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，加入十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十二烷基苯磺酸鈉與羧甲基纖維素鈉（SDBS-CMC）的混合物等，能夠增強(qiáng)除塵極液膜的導(dǎo)電能力，從而提高除塵效率。閆東杰等[13]就煙氣溫度對(duì)除塵器工作特性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，除塵效率隨煙氣溫度的上升而提高。此外，學(xué)者們普遍認(rèn)為除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布均勻性是影響除塵效率的重要因素[14-17]。例如，熊遠(yuǎn)南等對(duì)煙氣在陽(yáng)極板的流場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，提升除塵器流場(chǎng)分布均勻性能夠提高除塵效率[18]。目前，調(diào)控除塵器流場(chǎng)分布，改善煙氣流場(chǎng)均勻性已成為超低排放改造工程中提高除塵效率的常用手段[19-22]。除塵器進(jìn)出口煙道結(jié)構(gòu)是影響內(nèi)部流場(chǎng)分布均勻性的主要因素[23-27]，實(shí)際工程中，除塵器出口位置采用側(cè)面引出煙道的方式時(shí)，出口煙道結(jié)構(gòu)對(duì)上游煙氣流場(chǎng)分布均勻性的影響較大，存在陽(yáng)極管束入口截面煙氣速度分布偏差大，流場(chǎng)分布不均勻的問(wèn)題，將顯著影響除塵器的運(yùn)行性能，降低除塵效率?！半p碳”目標(biāo)下，機(jī)組調(diào)峰過(guò)程中負(fù)荷范圍擴(kuò)大，與機(jī)組常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)相比更容易出現(xiàn)煙氣偏流的現(xiàn)象[28]。盡管已有學(xué)者對(duì)除塵器的影響因素進(jìn)行了較為全面的探索，但由于當(dāng)前新增濕式靜電除塵裝置的項(xiàng)目多為改造項(xiàng)目，場(chǎng)地空間有限，給除塵器的布置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來(lái)了許多新的問(wèn)題[29-30]。

本文基于濕式靜電除塵器流場(chǎng)優(yōu)化改造及導(dǎo)流設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以某電廠300 MW 機(jī)組側(cè)出濕式靜電除塵器為研究對(duì)象，利用Ansys fluent軟件對(duì)除塵器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)針對(duì)煙氣流場(chǎng)分布不均以及煙氣偏流等問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，提出了偏置均流板和在常規(guī)圓環(huán)形均流板上方鋪設(shè)板條進(jìn)行封堵兩種優(yōu)化方案，并從提高流場(chǎng)分布均勻性、減少系統(tǒng)壓力損失變化和可實(shí)施性等角度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，兩種方案均能提高除塵器陽(yáng)極管束區(qū)域煙氣流場(chǎng)分布的均勻性。

1 側(cè)出濕式靜電除塵器簡(jiǎn)介

本文的研究對(duì)象為某電廠側(cè)出濕式靜電除塵器設(shè)備，該除塵器為管式除塵器，設(shè)計(jì)尺寸及參數(shù)如表1所示。除塵器安裝在二級(jí)脫硫塔豎直煙道出口位置，脫硫塔與除塵器之間設(shè)置有常規(guī)圓環(huán)形均流板，二級(jí)脫硫塔內(nèi)設(shè)置有兩層噴淋層及兩層除霧器，除塵器出口位置設(shè)有側(cè)出煙道。

表1 設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of the equipment

2 模型構(gòu)建與優(yōu)化評(píng)價(jià)

2.1 模型簡(jiǎn)化

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，在滿足工程要求的條件下，為便于模擬計(jì)算，做出如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：均流板厚度對(duì)煙氣流場(chǎng)分布影響較小，假設(shè)均流板厚度為0 mm，呈片體結(jié)構(gòu)；建模過(guò)程中忽略內(nèi)撐桿、支撐梁等結(jié)構(gòu)件對(duì)流場(chǎng)的影響；實(shí)際工程中系統(tǒng)漏風(fēng)量較少，因此不考慮系統(tǒng)漏風(fēng)量，系統(tǒng)進(jìn)出口煙氣量守恒；煙氣中灰濃度很低，灰塵顆粒所占的體積分?jǐn)?shù)很小，因此忽略灰塵顆粒的影響；煙氣的流動(dòng)是定常流動(dòng)，系統(tǒng)內(nèi)任意一點(diǎn)煙氣的密度和壓力不隨時(shí)間變化；煙氣為不可壓縮理想氣體；除霧器簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)，假設(shè)除霧器的黏性阻力特性在x、y、z三個(gè)方向上有所差異。

2.2 模型選擇

除塵器內(nèi)部煙氣流場(chǎng)的控制方程可表示為：

式中：?為通用變量；ρ為氣體密度，kg/m3；u為氣相速度，m/s；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；為瞬態(tài)項(xiàng)；t為時(shí)間，s；div(ρu?)為對(duì)流項(xiàng)；div(Γgrad?)為擴(kuò)散項(xiàng)；S為源項(xiàng)。

根據(jù)除塵器內(nèi)煙氣流動(dòng)情況，采用Realizable k-epsilon 湍流模型來(lái)模擬系統(tǒng)內(nèi)煙氣的湍流運(yùn)動(dòng)。采用分離求解器進(jìn)行計(jì)算，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法求解，動(dòng)量離散采用二階迎風(fēng)差分格式。

將除霧器視為多孔介質(zhì)，對(duì)該位置的壓力損失進(jìn)行模擬，公式見(jiàn)式（2）：

峰9的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 515［M－H］-，與異綠原酸C一致，二級(jí)質(zhì)譜顯示主要碎片離子為353［M‐C9H6O3‐H］-、191［M‐C9H6O3‐C9H6O3‐H］-，且出峰時(shí)間優(yōu)先于異綠原酸C，與文獻(xiàn)報(bào)道［16］一致，故推斷為異綠原酸A。

式中：Si為i方向上動(dòng)量源項(xiàng)，Pa/m；μ為流動(dòng)動(dòng)力粘度，Pa·s；α為介質(zhì)滲透性，m/d；vi為i方向上的速度分量，m/s；C2為內(nèi)部阻力因子，1/m；g為重力加速度。

濕法脫硫漿液液滴流動(dòng)的控制方程可表示為：

式中：u為氣相速度，m/s；up為液滴速度，m/s；ρp為液滴密度，kg/m3；FD()u-up為液滴單位質(zhì)量曳力，N；Fi為附加質(zhì)量力，N。

2.3 網(wǎng)格劃分

完成除塵器模型構(gòu)建后，對(duì)除塵器系統(tǒng)各設(shè)備及連接管道進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，如圖1 所示。整體采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式進(jìn)行劃分，均流板及噴淋管位置的網(wǎng)格采用size function進(jìn)行局部加密處理。為使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，未將陽(yáng)極管束區(qū)域簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)，而是按分區(qū)方式對(duì)其進(jìn)行模擬。采用分塊劃分法將模型分為脫硫塔、中間導(dǎo)流裝置、除塵器三部分，網(wǎng)格數(shù)量約為1200 萬(wàn)個(gè)。為保證系統(tǒng)入口（脫硫塔部分）煙氣流場(chǎng)分布的一致性、減少網(wǎng)格變化帶來(lái)的影響，優(yōu)化過(guò)程中只對(duì)除塵器入口處的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，除塵器其他區(qū)域及脫硫塔部分的網(wǎng)格保持不變。

圖1 濕式靜電除塵器網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of grid division of wet electrostatic precipitator

2.4 邊界條件設(shè)置

模型邊界條件根據(jù)項(xiàng)目方提供的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本文選擇一級(jí)吸收塔除霧器出口作為模型入口，煙氣入口邊界條件為速度入口（Velocity Inlet），假設(shè)入口處煙氣組分為單一組分，入口截面速度均勻分布。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口（Pressure Outlet），出口壓力為1 個(gè)大氣壓。模型近壁面選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。當(dāng)離散相較難收斂時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)量亞松弛因子來(lái)保證收斂性。液滴模擬采用離散向模型（Discrete Phase Model，DPM）中的injection 射入系統(tǒng)，液滴接觸壁面并沿壁面流下或降落至漿液池液面時(shí)認(rèn)為逃逸，處理為escape；液滴觸及噴淋層壁面時(shí)認(rèn)為反彈，處理為reflect，液滴反彈后法向動(dòng)能減半，切向動(dòng)能降為0 J。

2.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為定量評(píng)價(jià)速度分布均勻性，用速度標(biāo)準(zhǔn)偏差定義了速度分布偏差系數(shù)。所謂速度分布偏差系數(shù)，就是除塵器內(nèi)某截面上的速度偏差偏離標(biāo)準(zhǔn)平均值的百分量，計(jì)算方法見(jiàn)式（4）：

式中：CV為速度分布偏差系數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差；xˉ為速度平均值。其中，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ和速度平均值xˉ的計(jì)算公式見(jiàn)式（5）和式（6）：

式中：n為樣本數(shù)；xi為樣本速度，m/s。

3 結(jié)果與討論

3.1 煙氣偏流原因分析

圖2 陽(yáng)極管束入口上游0.5 m處橫截面速度分布矢量圖及云圖Fig.2 Velocity distribution vector diagram and cloud diagram of the cross section at 0.5 m upstream of the anode tube bundle entrance

圖3給出了設(shè)置常規(guī)圓環(huán)形均流板方案下系統(tǒng)氣液兩相的流場(chǎng)分布。從圖中可以看出，布置兩層噴淋層較為合理，覆蓋面較廣，有利于氣液充分接觸，配合除霧器能夠?qū)煔馄鸬捷^好的均流作用。從除霧器出來(lái)的煙氣分布較為均勻，沒(méi)有明顯的渦流、旋流現(xiàn)象，為煙氣進(jìn)入除塵器創(chuàng)造了良好的條件。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)內(nèi)煙氣渦流、旋流現(xiàn)象及脫硫塔入口煙道結(jié)構(gòu)等不是導(dǎo)致除塵器陽(yáng)極管束區(qū)域煙氣偏流的主要因素。此外，由于煙氣先經(jīng)過(guò)一級(jí)脫硫塔，再進(jìn)入二級(jí)脫硫塔，所以二級(jí)脫硫塔入口處煙氣溫度相對(duì)較低，約為54 ℃。同時(shí)，二級(jí)脫硫塔內(nèi)煙氣換熱量及溫度梯度變化較小，因此可以排除煙氣溫度分布不均勻?qū)Τ龎m器陽(yáng)極管束區(qū)域煙氣均勻性的影響。

圖3 系統(tǒng)氣液兩相流場(chǎng)分布Fig.3 Gas-liquid two-phase flow field distribution of the system

圖4 給出了常規(guī)圓環(huán)形均流板設(shè)置方案下各截面的速度分布。觀察中心縱截面速度分布情況可知，脫硫部分煙氣分布相對(duì)較為均勻，經(jīng)過(guò)除霧器后，煙氣速度分布也無(wú)明顯偏差，但經(jīng)過(guò)除塵器入口漸擴(kuò)段后，煙氣開(kāi)始向出口側(cè)偏流，導(dǎo)致出口側(cè)（區(qū)域A）煙氣流速加快。煙氣分布矢量圖中也顯示出口側(cè)煙氣流速較高。圖中還給出了沿除塵器徑向方向的煙氣速度分布曲線，出口側(cè)煙氣速度高達(dá)3.5 m/s，而另一側(cè)速度約為1.8 m/s，兩側(cè)速度偏差較為明顯。由此可知，除塵器側(cè)出煙道結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，對(duì)上游煙氣產(chǎn)生的壓力不平衡，是導(dǎo)致除塵器陽(yáng)極管束區(qū)域出現(xiàn)煙氣偏流現(xiàn)象的主要原因，常規(guī)圓環(huán)形均流板無(wú)法消除煙氣偏流現(xiàn)象，需要進(jìn)一步優(yōu)化均流板或整流形式，改善煙氣偏流現(xiàn)象。

3.2 優(yōu)化方案流場(chǎng)分析

根據(jù)側(cè)出濕式靜電除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布特點(diǎn)及工程改造經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩組優(yōu)化方案，與常規(guī)圓環(huán)形均流板方案進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5 所示。方案A采用常規(guī)圓環(huán)形均流板；方案B 是在除塵器入口設(shè)置背向出口方向傾斜的均流板組，傾斜的均流板組能夠?qū)煔馄鸬揭髯饔茫S著偏轉(zhuǎn)角度的減小，除塵器出口側(cè)高流速煙氣將被引流至低流速區(qū)域，偏流現(xiàn)象得到改善；方案C 是在常規(guī)圓環(huán)形均流板上方鋪設(shè)板條進(jìn)行封堵，該方案通過(guò)控制封堵密度來(lái)調(diào)節(jié)除塵器入口截面不同區(qū)域的局部阻力，對(duì)出口側(cè)煙氣高流速區(qū)域進(jìn)行高密度封堵，對(duì)低流速區(qū)域進(jìn)行低密度封堵，通過(guò)產(chǎn)生壓力梯度來(lái)控制除塵器入口截面處的風(fēng)量分配，提升除塵器陽(yáng)極管束進(jìn)風(fēng)均勻性。方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，已對(duì)均流板尺寸、偏轉(zhuǎn)角度及板條封堵率進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試，計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)多地減小均流板偏轉(zhuǎn)角度或板條封堵率過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較大的額外系統(tǒng)壓力損失，增加風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)。因此，在提高除塵器速度分布均勻性且不過(guò)多增加系統(tǒng)壓力損失的前提下，對(duì)方案B 和方案C 的布置形式進(jìn)行了優(yōu)化。方案B 中，均流板尺寸為500 mm，均流板組與水平面的最優(yōu)傾斜角度為55°。方案C是以側(cè)出式煙氣出口位置為參照，向塔內(nèi)依次有序地鋪設(shè)板條，出口側(cè)1/3位置、中間1/3位置、出口對(duì)側(cè)1/3 位置的板條對(duì)流通空間的封堵率依次為0.6、0.4、0.2。

對(duì)三種方案下的流場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，方案B和方案C的截面速度分布均勻性優(yōu)于方案A，出口側(cè)煙氣偏流形成的高流速區(qū)域面積大幅縮減。計(jì)算結(jié)果表明，調(diào)整均流板形式、大小及角度可以改善煙氣流場(chǎng)分布均勻性，添加封堵板，改變均流板上方的流通面積和阻力也有助于實(shí)現(xiàn)煙氣的均勻分布。

對(duì)三種方案下除塵器陽(yáng)極管束入口截面速度分布均勻性和系統(tǒng)壓力損失進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，方案B和方案C均滿足煙氣速度分布偏差系數(shù)CV小于0.2 的技術(shù)要求，說(shuō)明兩種優(yōu)化方案均能有效提高除塵器入口煙氣分布均勻性。相比于方案A，方案B 的系統(tǒng)壓力損失略有減少，方案C 的系統(tǒng)壓力損失則增加了12 Pa?？傮w來(lái)說(shuō)，兩種優(yōu)化方案對(duì)系統(tǒng)壓力損失影響較小，不會(huì)使風(fēng)機(jī)背壓余過(guò)大，均具有較高的可實(shí)施性。

表2 三種方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of calculation results of three schemes

綜上所述，兩種優(yōu)化方案在保證不過(guò)多影響系統(tǒng)壓力損失的前提下均能有效改善煙氣偏流現(xiàn)象，提升除塵器陽(yáng)極管束區(qū)域煙氣分布均勻性。在實(shí)際工程中，方案B適用于新建項(xiàng)目的流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，方案C的工程改造量小，施工周期短，施工方式較為靈活，適用于改造項(xiàng)目。對(duì)現(xiàn)有除塵器進(jìn)行設(shè)備改造時(shí)，添加封堵板條更為方便快捷。

板條封堵方案目前已在諸多項(xiàng)目中得到有效應(yīng)用，如魏橋脫硫濕除一體化項(xiàng)目、晨星濕式靜電除塵項(xiàng)目、王晁一期濕除及日鋼若干機(jī)組煙氣治理項(xiàng)目等。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，優(yōu)化改造后各電廠除塵器運(yùn)行穩(wěn)定、除塵效率顯著提高，說(shuō)明封堵方案可有效實(shí)現(xiàn)煙氣流場(chǎng)的均勻分布。

3.3 工程案例

本文采用方案C對(duì)某除塵器除塵效率未達(dá)標(biāo)的項(xiàng)目進(jìn)行了升級(jí)改造，采用風(fēng)速儀測(cè)試了改造前后除塵器陽(yáng)極管束入口上游截面速度分布情況，對(duì)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和方案C的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)點(diǎn)位置及煙氣速度分布測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示，改造前后實(shí)測(cè)系統(tǒng)壓降和除塵效率如表3所示。結(jié)果顯示，采用分區(qū)封堵優(yōu)化方案對(duì)除塵器進(jìn)行改造后，除塵器入口截面流場(chǎng)分布均勻性有明顯改善，系統(tǒng)壓降僅增加15 Pa的情況下，速度分布偏差系數(shù)CV由0.31 降低至0.18，除塵效率由86.2%提高至92.4%。

圖7 改造前后測(cè)點(diǎn)位置及速度分布測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of measuring point position and velocity distribution before and after the transformation

表3 改造前后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of measured data before and after transformation

4 結(jié)論

本文以某電廠300 MW機(jī)組側(cè)出濕式靜電除塵器為研究對(duì)象，通過(guò)模擬除塵器內(nèi)部煙氣流場(chǎng)分布情況對(duì)煙氣偏流現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出了對(duì)除塵器入口導(dǎo)流裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整的優(yōu)化方案，并通過(guò)實(shí)際工程案例進(jìn)行了驗(yàn)證，主要結(jié)論如下。

（1）對(duì)于側(cè)出濕式靜電除塵器，出口煙道的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致煙氣偏流，內(nèi)置常規(guī)圓環(huán)形均流板的方案不再適用。

（2）在除塵器入口設(shè)置背向出口方向傾斜的均流板組和在常規(guī)圓環(huán)形均流板上方鋪設(shè)板條進(jìn)行封堵兩種優(yōu)化方案的速度分布偏差系數(shù)CV均低于0.2，且對(duì)系統(tǒng)壓力損失影響較小，說(shuō)明兩種方案均能夠有效改善煙氣偏流現(xiàn)象，提升除塵器內(nèi)部煙氣分布的均勻性。

（3）將方案C 應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)，以側(cè)出式煙氣出口位置為參照，依次鋪設(shè)板條，出口側(cè)1/3 位置、中間1/3 位置、出口對(duì)側(cè)1/3 位置的板條對(duì)流通空間的封堵率依次為0.6、0.4、0.2。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，陽(yáng)極管束入口區(qū)域速度分布偏差系數(shù)CV由0.31降低至0.18，除塵效率由86.2%提高至92.4%，方案有效性得到了驗(yàn)證。