湿式静电除尘器流场的数值模拟与优化设计

金定强，马修元，周凯，申智勇，庄柯

(国电环境保护研究院，江苏南京210031)

湿式静电除尘器流场的数值模拟与优化设计

金定强，马修元，周凯，申智勇，庄柯

(国电环境保护研究院，江苏南京210031)

湿式静电除尘器流场的分布对烟气深度净化具有重要意义，采用CFD数值模拟方法对某项目600MW燃煤发电机组湿式静电除尘器的内部流场设计进行了研究分析。结果表明，流量分配和气流整流是内部流场的两个关键设计要点。有关流量分配的设计需在确保各电场流量分配均匀的同时不明显增加烟风系统阻力，而气流整流的设计方案可同时运用气流均布板和整流格栅，此设计方案不仅可降低整套整流方案的压损，还有利于整流方案的标准化设计和现场优化调整，提高装置可靠性。

除尘器;流场;数值模拟;导流板;优化设计

0 引言

目前，湿式静电除尘器已成为火电厂烟气深度净化系统的主要装置之一，其内部烟气流动的分布状况对除尘器的压降特性、除尘效率等参数有着至关重要的影响［1－4］。近年来，随着CFD数值模拟技术的快速发展，正已逐步应用于火电厂大型设备的模拟烟气流场中［5－7］。先进的CFD数值模拟技术因其精度和可靠性弥补了传统设计的不足，为实际工程的应用提供更坚实的保障［8－14］。

某项目600MW燃煤发电机组尾部烟气处理采用石灰石－石膏湿法全烟气脱硫设备。为了满足新标要求，同时解决脱硫系统排放烟气中的石膏浆液、雾滴携带导致的“石膏雨”问题，电厂对1号机组加设湿式静电除尘装置。为了配合湿式静电除尘器的初步设计，本文采用CFD数值模拟的方法，对除尘器的流场分布、除尘室的流量分配、以及整流格栅等方面进行了系统的分析与研究，通过对比不同方案，从而确定最佳的调节方式。

1 物理模型

湿式静电除尘器的结构示意如图1所示，按设计尺寸对湿式静电除尘器进行数学建模，烟气由脱硫塔出口经顶部弯道进入除尘器本体，经除尘器处理过的净烟气在出口联箱汇集，最终由联箱出口排出。为了简化数值模拟过程，方便获得烟气在除尘器内部的流场分布特性和阻力特性，假定烟气在流经除尘器过程中的物理性质恒定不变。通过讨论除尘器内部的导流板、整流栅格的分布，确定其最佳的设计参数。

2 数学模型

采用局部平均法对湿式静电除尘器进行数学建模，以便更好地处理模型中的物理量。在该方法中，连续相流体质点变量被离散网格内的局部平均变量所代替。其方法的主要要求是网格内包含多个颗粒，同时各网格之间速度、温度等参量的变化与整个气相系统内参量的宏观变化相比，浮动不大。针对湿式静电除尘器内的气固两相流动的特征，所有这些条件均能满足。

图1 湿式静电除尘器结构示意

连续性方程:

式中:ε空隙率;u气体速度矢量;ρg气体密度。

动量方程:

式中:g是重力加速度;p是气体压力;τg是气体应力张量;Sm为动量方程的源项，可以表示如下:

式中:Vcell为当地流体计算网格的体积Np为该网格中的颗粒数;FD，i为颗粒i所受的流体力，主要为气体曳力。

本文采用标准k－ε湍流模型:

式中:Skd是由于颗粒的运动引起的湍动能k的产生项，定义如下:

这里，β是流体曳力系数。式(6)右边的第一项是由于固体颗粒阻碍而引起的k产生项，第二项是气固两相间湍动能交换项，也称为湍动能重分配项。Δu是气相速度波动，Δv是颗粒项的速度波动。湍动能重分配项可以计算为:

式中:τd是颗粒相相应时间尺度;τl是气体相拉格朗日时间尺度，定义为:

这里σs是湍动Schmidt数。式中Sεd则是由于颗粒相而引起的耗散率产生项，可计算为:

式中:C3是经验常数。

3 结果与分析

3.1 除尘室流量分配特性

对某项目湿式静电除尘器进行现场勘察发现，由于现场场地的限制，除尘器内两个除尘室与脱硫塔出口位置有一定偏斜，使之不能对称分布，导致除尘器两个除尘室的烟气流量不一致。图2为未对除尘器采取调节措施时湿式静电除尘器入口处的流场分布数值模拟结果。从图2可知，在未采取调节措施时，湿式静电除尘器两个除尘室的入口流量相差较大，两个除尘室流量比例分别为66%和34%。

图2 湿式静电除尘器入口流场分布数值模拟结果

为了使湿式静电除尘器两个除尘室的工作负荷相一致，即通过两个除尘室入口处的烟气流量相同，在除尘器入口联箱中加装了带有一定倾角的导流板［15－16］。

图3给出了对湿式静电除尘器入口增设不同数量的导流板后，其气流分布数值模拟结果。从图3可知，安装导流板后，除尘器入口处的气流分布明显得到改善，两个除尘室入口处的流量相差变小，两个除尘室内的工作负荷趋于一致，这样有利于提高湿式静电除尘器的工作效率，减小除尘器的事故发生率。随着导流板数量的增加，脱硫塔出口处的流场分布恶化，两个除尘室的工作负荷差距较大，与未安装导流板时相比，除尘器入口处的流场分布并未得到显著改善。

图3 导流板对静电除尘器入口流场分布特性的影响

模拟结果表明，在联箱内增设一块导流板可使除尘器1、2室的负荷分别为50.7%和49.3%，达到湿式静电除尘器的工业应用要求。

3.2 整流栅格的作用评价

烟气由湿式静电除尘器顶部烟道进入除尘器本体时会经过一个流通截面，此截面面积逐渐扩大，烟气在惯性力的作用下会沿着原来的方向前进，导致烟气在除尘室内部的流场分布不均匀，在除尘室中心部，因烟气流量较大，导致湿式静电除尘器每一个除尘模块的工作负荷较大;而在除尘室边壁附近，因烟气流量较小，导致该区域除尘模块的工作负荷较小，这就使得除尘器整体工作效率较低，除尘效果较差。为了使烟气在从除尘器顶部烟道进入除尘室的过程中，烟气流场分布始终保持均匀状态，必须在除尘器内部安装整流栅格。图4给出了安装整流栅格前后除尘室内部流场分布数值模拟结果。

图4 整流栅格对除尘室流场分布的影响

从图4可以看出，未安装整流栅格时，除尘室内部流场分布不均匀，除尘室中心烟气流量较大，边缘烟气流量较小;安装整流栅格后，除尘室内部的流场明显得到改善，其效果基本处于均匀状态。模拟结果表明，整流栅格对改善除尘室内的气流分布具有明显的作用。

3.3 气流分布板的作用评价

为了对除尘器内部流场进一步优化，在除尘器喇叭口位置处安装气流分布板，图5为气流分布板在喇叭口处空间布置示意。

图5 气流分布板的位置

我们对安装气流分布板后的除尘室流场分布进行了数值模拟，结果发现，安装气流分布板的除尘器流场分布趋于均匀，表明气流分布板对除尘器的流场具有明显的优化作用［17－18］。

3.4 湿式静电除尘器的阻力特性

烟气流经湿式静电除尘器时的阻力特性是影响湿式静电除尘器工业应用的一个主要因素，本文对湿式静电除尘器内各部分的烟气阻力进行了研究，模拟结果如图6所示。结果表明，烟气流经湿式静电除尘器的总压降为528.72Pa。这表明，烟气在除尘器顶部弯道以及由除尘室进入出口联箱弯道的压降较大，所以具有较大的优化空间。因此，在不影响除尘器流场分布的情况下应当尽量优化该部分的空间结构，以减少除尘器的总体压降。

图6 湿式静电除尘器阻力特性模拟结果

4 结语

(1)由于场地条件限制，湿式静电除尘器两个除尘室流量分配不均匀，在联箱内增设导流板可使除尘器1、2室的负荷均布达到50.7%和49.3%，同时对烟气阻力影响较小。

(2)在湿式静电除尘器入口喇叭中增设气流分布板，可改善除尘器静电室入口处的气流分布，降低不同分区的速度偏差，对烟气进行初整流，同时对烟气阻力影响较小。

(3)在阳极模块上方增设整流格栅，对烟气流场进行深度整流，在增加不高于50Pa阻力的条件下，可实现气流均匀性指标σ＜0.2，满足工程要求。

研究发现，湿式静电除尘器的流场设计主要包括流量分配、气流分布、气流整流三大部分。有关流量分配的流场设计需实现各电场流量均匀分配，但要求不明显增加烟风系统阻力;有关气流分布和整流的流场设计目的都是为了实现进入阳极模块区间的流场均布，同时运行气流分布板和整流格栅两种技术的主要优势体现在:在提高气流均布性的同时可降低单格栅设计方案的压力损失;整流格栅可实现标准化设计;气流分布板阻力小，调节范围大，可以根据现场调试情况调整改进，深度优化，以满足实际工程的要求。

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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

金定强(1964-)，男，高级工程师，长期从事燃煤电厂的锅炉烟气脱硫、脱硝和除尘技术的开发、设计和研究工作。E－mail:jdq_gdhb@126.com

国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA065401);国电环境保护研究院科技项目(H14Y01)