电除尘器斜射流对粉尘颗粒沉降影响的数值模拟

李少华 王铁营 宋 阳 郭婷婷

(1.东北电力大学能源与动力工程学院；2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司)

电除尘器斜射流对粉尘颗粒沉降影响的数值模拟

李少华**1，2王铁营1宋 阳1郭婷婷2

(1.东北电力大学能源与动力工程学院；2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司)

电除尘器是火电厂中主要的除尘装置，运用多孔介质模型模拟气流分布板，通过调整气流分布板的开孔率，形成较好的斜射流，采用双流体模型中的混合模型对斜射流流型下的PM2.5进行数值模拟，并对比了斜射流和均匀气流两种流型下PM2.5的体积分数，得出斜射流可以提高电除尘器对PM2.5的除尘效率。

电除尘器 斜射流 粉尘颗粒 数值模拟

随着国家环保治理力度不断加大，对火电厂烟囱出口烟尘排放浓度的要求日益提高。新修订的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)将燃煤电厂粉尘排放的浓度降低到30mg/Nm3，远低于以前的200mg/Nm3[1]。静电除尘器(ESP)在我国大中型火电厂的除尘方式中占主导地位，虽然ESP的除尘效率一般可达99%[2]，但是其对PM10(粒径小于10μm的颗粒)的除尘效率并不高，如PM2.5(粒径小于2.5μm的颗粒)的除尘效率约为90.6%[3]。近年来对PM2.5的要求越发严格，迫使人们对电厂现有的ESP进行改造，使其满足要求。

影响ESP除尘效率的因素很多，其中含尘气体在ESP中的分布是一个重要影响因素。国内外一些设计经常以增加电场数量、扩大集尘面积来调整气流分布的不足，这使得一次投资和运行成本增加，而且许多旧ESP不允许增加电场和扩大设备。与此相比，对ESP进、出口加以改造调节气流分布可提高除尘效率。近年来国外一些科学家提出了斜射流技术(Skewed Gas Flow Technology，SGFT)[4]，对电场入口处的流速采用上部高、下部低的方式，而出口与其相反，这样就形成了斜射流，有效地减少反流损失，提高除尘效率。目前国内外对粉尘颗粒的水平运动研究较多，对其垂直方向上的运动研究还很少，SGFT技术就是与粉尘垂直运动相关的研究，斜射流对提高ESP除尘效率有重大意义，因此对SGFT的研究很有潜力。以色列电气公司(IEC)MD-A电站的4台350MW的燃煤发电机组ESP上采用斜射流技术，使ESP排放物降低量约为50%～60%，其中PM10的颗粒通过率降低了46.3%，分析原因是由于二次扬尘逃逸的减少，从而证明SGFT是减少排放物的简便方法[5]。胡满银等在ESP模拟试验台上，通过改变气流分布板的开孔率，测量气流分布，实验表明可以形成一定规律的斜气流[6]。张霞等在均匀气流和斜气流状态下进行了粉尘沉降实验，实验表明斜气流可以明显改善粉尘在电除尘器中的沉降规律，有利于粉尘被收尘极捕集，提高除尘效率[7]。

笔者采用以Euler方法为基础的混合模型，运用商用Fluent软件对ESP内气固两相进行模拟，通过调节气流分布板的开孔率，形成斜射流，同时研究ESP本体结构对含尘气流的影响，为ESP的优化改造提供理论基础。

1 物理模型和数值计算方法

1.1几何模型及网格划分

笔者的模拟对象为一台300MW机组的ESP(图1)，ESP中电场的几何尺寸为长17 000mm，宽8 000mm，高14 500mm。进出口烟道截面为4800mm×3600mm，进出口与电场采用喇叭形的封头对接，在进口处放3块气流分布板，电场出口处放1块气流分布板。气流分布板位置的确定方法如下：

L=0.2Dr

(1)

Hp=0.8Dp

(2)

式中Dp——进气烟道口的水力直径；

Dr——电场断面上的水力直径；

Hp——进气烟道出口到达第一块气流分布板的距离；

L——相邻两层气流分布板的距离。

笔者用Solidworks 2012对计算区域进行建模，建模过程中，对模型进行简化，没有考虑除尘器灰斗及振打装置等。并用GAMBIT对其进行网格划分，采用了结构化/非结构化混合网格技术。进出口烟道、壳体和喇叭中采用六面体网格，气流分布板区域的网格进行局部加密，网格数量为932 000个。

图1 ESP几何模型1——ESP入口；2——入口第一块气流分布板；3——入口第二块气流分布板； 4——入口第三块气流分布板； 5——出口气流分布板；6——ESP出口

1.2数学模型

1.2.1控制方程

混合模型的连续性方程为：

(3)

αk——第k相的体积分数；

混合模型的动量方程为：

(4)

n——相数；

1.2.2气流分布板处理

气流分布板是多孔板，想要精确计算，网格划分就会很密，增加计算量。受计算机硬件的限制，需要用多孔介质模型模拟气流分布板。多孔介质模型的阻力公式为：

(5)

式中C2——压力跳跃系数；

Δm——气流分布板厚度；

α——多孔介质渗透率；

μv——粘性系数。

1.3计算方法及边界条件

通用控制方程离散运用有限体积法，压力-速度耦合则采用SIMPLE算法，并采用壁面函数法处理近壁区的流动，假定壁面处无滑移。湍流模型采用标准的k-ε模型。进口边界条件为速度入口边界条件，速度为12m/s；出口边界条件为压力出口边界条件；气流分布板采用多孔介质，简化为多孔跳跃边界条件。

2 模拟结果与分析

2.1气流分布板最佳开孔率下模拟结果分析

根据SGFT理论，通过在电场进出口使用不同开孔率的气流分布板形成斜射流。入口气流分布板下部开孔比上部多，出口处的气流分布板的开孔正好相反，但在第三块气流分布板最下面的区域采用小开孔率，迫使气流在此处向上走，使进入电场的气流有倾斜的趋势。笔者的具体方法是将气流分布板分成如图2所示的小单元，经过多次的模拟比较和分析，得出了形成斜射流的最佳的气流分布板开孔率。

图2 气流分布板单元分区及其最佳开孔率

如图3所示，第一块气流分布板的速度分布

相对均匀，因为其开孔率是均匀的，但受到第二块板的影响，出现了阶梯分布，且下方速度大，上方速度小；由于第二块气流分布板开孔率由上向下逐渐增大，使得其阻力呈现出上大下小的分布格局，气流通过第二块板时，大量流向下部，这也因此使得第一块气流分布板会呈阶梯状；当气流流向第三块板时，由于最下部的开孔率最小，迫使气流向上流，进入电场时有一个斜向上的速度分量，且因为开孔率的原因，出口气流分布板上部的阻力小，下部的阻力大，这样一来，大量气流从上面流出，这样就在电场中形成了气流的斜向分布。流场的计算结果如图4所示。从图4可以清楚地看出气流分布板的速度分布和电场中气流的斜向分布。

图3 气流分布板速度云图

图4 斜向气流分布流场

依据SGFT可以把电场分为A、B、C、D 4个区域(图5)。如图5所示，A为低速流区域，因为这一区域到电除尘灰斗的距离长，粉尘颗粒沉降到灰斗的时间长，使其向后飘落的距离远，所以A区的低速气流可以缩短粉尘颗粒向后飘逸的距离，有助于此区域的粉尘颗粒落进入灰斗被收集；C区域为ESP进口的底部，区域内的粉尘颗粒与灰斗的落差小，并且此区域的粉尘多为凝并成团的颗粒，质量较重，因此遇到较强的水平气流，也不会向后飘逸太远，对粉尘颗粒的收集不会产生过大的影响；D区域为ESP出口的底部，粉尘颗粒经过第一、二电场的收集，进入此区域的粉尘颗粒的粒径较小，所带电荷较小，不易被电集尘板收集，减少D区域的气流流速可以增加粉尘颗粒在电场中的运动时间，有助于粉尘颗粒的收集；B区域为末级电场的上部，此处的粉尘颗粒与灰斗的落差大，即便是低速气流，也很难使粉尘颗粒落入灰斗，而且D区域与B区域相比粉尘含量较大，重点是收集D区域的粉尘颗粒，并且低速气流可以有效地少二次扬尘，使漏尘减少，提高除尘效果，所以应降低D区域的流速，相应提高B区域的流速[8]。

图5 电场内部流场分区示意图

2.2斜射流下ESP中PM2.5体积分数模拟分析

在电场中截出x=15m，x=20m，x=25m，x=30m 4个横截面(图6)来分析粉尘中PM2.5体积分数的变化情况。

图6 电场截面位置示意图

图7表示4个横截面上的粉尘颗粒PM2.5的体积分数，沿除尘器的高度方向PM2.5的体积分数逐渐变小，电除尘器下方(靠近灰斗的区域)的颗粒体积分数大于其上方的颗粒体积分数。这符合电除尘器中粉尘颗粒的沉降规律，颗粒因重力场的作用在竖直方向上沉降，使得下方的粉尘颗粒浓度大于上方的粉尘颗粒浓度，即下方的颗粒体积分数大于上方的。3个横截面x=15m、x=20m、x=25m上的体积分数逐渐增大，是因为PM2.5的质量小，沉降时间长，使得水平漂移的距离长，所以ESP后方电场中的PM2.5的体积分数大于前方电场中PM2.5的体积分数。由于横截面x=30m所在位置是第三电场的末端，此处有顺时针的涡流，把PM2.5向前电场卷吸，在电场出口处的体积分数会下降，所以此处PM2.5的体积分数要低于前3个截面。

图7 4个横截面上的PM2.5的体积分数

图8分别为斜射流与均匀气流4个截面上的PM2.5的体积分数。从图8a～c可以看出，在ESP的下部，斜射流中的PM2.5体积分数比均匀气流中的PM2.5体积分数高，这是因为斜射流中A区域的气流流速低于均匀气流的相应位置，使PM2.5向后漂移的距离短，有利于PM2.5竖直向的沉降，ESP上部斜射流中的PM2.5体积分数比均匀气流中的PM2.5体积分数低，说明均匀气流时，会有较多的PM2.5向后电场漂移，使得每一电场中底部的沉降量减少，从而影响除尘效果，图8d也可以说明这一点，因为图8d所表示的是x=30m处的截面，此为电场出口处截面，从图8d中可以看出均匀气流的PM2.5的体积分数大于斜射流中PM2.5的体积分数，这说明均匀气流中会有更多的PM2.5随气流逃离电场，影响除尘效果。

a. x=15m

b. x=20m

c. x=25m

d. x=30m图8 斜射流与均匀气流4个 截面上的PM2.5体积分数

3 结论

3.1在烟道与电场入口处安装3块气流分布板，电场出口处安装1块气流分布板，4块板采用不同的开孔率可形成较好的斜射流。

3.2斜射流相对于均匀气流增加PM2.5在电场的运动时间，有助于对颗粒的吸收，斜射流可以更充分地利用集尘板的面积，从而提高了ESP对PM2.5的收集效率。

[1] 王励前，张德轩.火电厂的烟尘治理和排放标准[C].第十届全国电除尘/第二届脱硫学术会议论文集.广州：中国环境保护产业协会电除尘委员会，2003：78～92.

[2] 郝吉明，马广大. 大气污染控制工程[M].北京：高等教育出版社，2002：178～199.

[3] 刘建忠，范海燕，周俊虎，等.煤粉炉PM10/PM2.5排放规律的试验研究[J].中国电机工程学报，2003，23(1)：145～149.

[4] 李雪梅.电除尘器内部气流分布特性的数值研究[D]. 吉林：东北电力大学，2009.

[5] 郭辉.气流分布与粉尘沉降规律的试验研究[D]. 西安：西安理工大学，2006.

[6] 胡满银，赵俊起，韩祥，等.电除尘器斜气流分布的实验研究[J].华北电力技术，2005，(1)：11～13.

[7] 张霞，宋丽娜，范启娟，等.电除尘器斜气流状态下粉尘沉降试验研究[J].电力科技与环保，2010，26(1)：28～31.

[8] 张德轩，贺国燕，孔春林.新环保要求下火电厂除尘设备的选型[C].第十一届全国电除尘学术会议论文集.郑州：中国环境保护产业协会电除尘委员会，2005：128～138.

NumericalSimulationofElectrostaticPrecipitator’sObliqueFlowEffectonDustParticleSedimentation

LI Shao-hua1，2,WANG Tie-ying1,SONG Yang1,GUO Ting-ting2

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing102200,China)

The porous media model was employed to simulate the air flow distribution plate; through adjusting the aperture porosity of air flow distribution plate, a good oblique flow can be formed. Employing the hybrid model of the two-fluid models to simulate PM2.5 in oblique flow pattern and uniform flow pattern and analyzing their PM2.5 volume fractions show that the oblique flow pattern can improve the electrostatic precipitator’s efficiency in PM2.5 dust removal.

electrostatic percipitator, oblique flow, dust particle, numerical simulation

**李少华，男，1957年4月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.8

A

0254-6094(2015)02-0220-05

2014-06-18，

2015-03-12)