高温电除尘器的数值模拟研究

刘含笑，李文华，郭 滢，杨 倩，郭 链

(1.浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800；2.浙江浙能温州发电有限公司，浙江 乐清 325602)

高温电除尘器的数值模拟研究

刘含笑1，李文华2，郭 滢2，杨 倩2，郭 链2

(1.浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800；2.浙江浙能温州发电有限公司，浙江 乐清 325602)

高温电除尘器广泛应用于工业领域，为研究高温电除尘器的除尘特性，搭建了一套合理的实验装置以开展实验研究。该试验装置采用商业CFD软件，计算了不同初设方案的夹层气流均匀性，最终确定立式矩形腔体为最佳方案。

高温电除尘器；气流分布；数值计算；网格划分

近年来，全国范围实施燃煤电厂烟气超低排放改造工作[1-7]，东部地区2017年改造完成，中部及西部地区也将在2020年前完成改造。燃煤发电已是我国燃煤使用的最清洁方式，但在化工、石油、冶炼等其他行业尚有较大提升空间，这些行业的烟尘高效治理也迫在眉睫。这些行业常产生较高温度烟气，与燃煤电厂的常规烟气(温度在120℃左右)相比，较高烟气温度工况下要实施颗粒脱除难度较高。

国内外几十年的研究及工程应用实践表明，高温电除尘器是一种高效净化燃煤高温烟气的有效手段之一，并且具有良好的应用前景。高温电除尘器是指在高烟气温度(≤500℃)时，利用电场力促使颗粒物脱除的装置，其核心部件由放电极、收尘极、配套电源系统及辅助设备等组成。当放电极线通过尖端放电使得气体分子电离，产生负电晕放电，悬浮在气体中的颗粒物带电，并在电场作用下被收尘极收集，从而实现烟气净化。收集的颗粒物通过振打等作用从收尘极板上脱落进入灰斗，最终排出电除尘系统[8-9]。

1 技术方案

为研究高温电除尘器的除尘特性，搭建高温电除尘器试验平台，初设电除尘器方案如图1所示。方案1为方形截面结构，方案2为圆形截面结构，方案2还可考虑是否配置螺旋导流叶片，两个方案的设计参数如表1所示。绝缘子和壳体之间、绝缘子保温外壳与高压线之间均密封处理，设置观测孔，可观测到极线极板。外壁设置夹层，通入高温烟气。

2 物理建模及网格划分

为对比不同初设方案的夹璧层的优劣，采用三维制图软件按图1中两个方案的实际尺寸进行三维制图，如图2所示。图2中，a工况为方案1，b工况为方案2，c工况为方案2的基础上增设螺旋导流叶片。采用网格划分软件对三个模型进行网格划分(见图3)，主体采用结构化网格，c工况的螺旋导流叶片区域采用非结构网格。

图1 电除尘器技术方案图

参数方案1方案2处理烟气量/(Nm3·h-1)200200入口烟尘浓度/(g·m-3)0～300～30流通面积/m20．40．4总集尘面积/m27．687．04电场长度/m3．23．2电场内烟气流速/(m·s-1)0．37～0．450．37～0．45本体阻力/Pa≤150≤150本体漏风率/%≤2≤2烟气运行温度/℃450～600450～600烟气流经电场时间/s7．0～8．67．0～8．6同极间距/mm300300每台除尘器通道数/个22电源型号GGAJ02⁃60mA/60kVGGAJ02⁃60mA/60kV阳极板型式310s平板310s平板阴极线型式Φ20圆杆Φ20圆杆

图2 几何模型

图3 网格划分

3 数学模型及边界条件

烟气属于连续相流体，其遵循质量、动量及能量守恒方程[10-13]，如式(1)～式(3)所示。

烟气流动遵守的质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

=-ρ+

(2)

能量守恒方程：

(3)

图4 Y=0 m截面速度云图

本文主要关心模型内速度分布特征，因此可仅考虑连续方程和动量守恒方程。写成速度分量的形式，连续方程和动量守恒方程可以写成如下形式：

(4)

(5)

层流模型，考虑重力作用，不考虑换热，入口边界条件为速度入口，其余均采用固体壁面边界条件，入口速度为7×10-5m/s，出口条件为OUTFLOW，空气粘度为14.8×10-6m2/s，空气密度为1.169 1kg/m3。借助CFD软件求解。

4 计算结果

经计算，各方案Y=0m截面速度云图如图4所示，各方案Z=0m、Z=1m、Z=2m、Z=4m、Z=5m、Z=6m截面速度云图分别如图5～图10所示。由图4～图10可知，a工况与b工况的速度分布均匀性差别不大，但c工况的部分截面存在明显的较高流速和较低流速区域，尤其是在导流叶片布置区域。

图5 Z=0 m截面速度云图

图6 Z=1 m截面速度云图

图7 Z=2 m截面速度云图

图10 Z=6 m截面速度云图

按式(6)计算高温电除尘器各截面的速度相对均方根差σr，结果如图11所示。

(6)

式中vi——各测点风速；v——截面平均风速；n——测点数。

对比a工况与b工况，c工况在Z=0 m、Z=1 m截面速度分布要明显不均匀，在Z=2 m、Z=4 m、Z=5 m、Z=6 m截面速度分布均匀性差别不大。这表明即使采用圆形截面方案也不易设置螺旋导流叶片。各计算工况里，a工况的速度均匀性最好，为最佳方案。

图11 速度均方差曲线

5 结语

由于夹层内流速极低，在不考虑换热的情况下，立式矩形腔体速度分布均匀性好于圆形腔体。因此认为，此时速度分布对换热影响不大，对于立式矩形腔体内也可设置肋片，增加换热面积。当考虑换热时，速度分布结果可能会有差异，因为腔体内流速较低，当温度分布不均时，温度梯度引起的速度扰动可能会相对比较明显。

夹层内高温烟气同除尘器内部烟气的换热经高温烟气同内壁面对流换热(h1)、内壁面导热(λ)、除尘器内部烟气同内壁面导热(h2)三个过程完成，由于夹层内高温烟气流速较低，h1差别应该不会太大，λ为钢板导热系数，固定不变。因此，在这三个过程中，h2可能会对换热影响最大，因此需要尽量保证除尘器内烟气分布均匀。

[1] 中国环境保护产业协会电除尘委员会.我国电除尘行业2011年发展综述[J].中国环保产业, 2012(7):14-20.

Electrical Precipitation Committee of CAEPI. China Development Report on Electrical Precipitation Industry in 2011[J]．China Environmental Protection Industry，2012(7)：14-20．

[2]中国环境保护产业协会电除尘委员会.燃煤电厂烟气超低排放技术[M]. 北京:中国电力出版社.

[3]张军, 郑成航, 张涌新, 等. 某1000MW燃煤机组超低排放电厂烟气污染物排放测试及其特性分析[J].中国电机工程学报, 2016,36(5):1310-1314.

ZHANG Jun, ZHENG Chenghang, ZHANG Yongxin, et al. Experimental investigation of ultra-low pollutants emission characteristics from a 1 000 MW coal-fired power plant[J]. Proceedings of the CSEE，201 6，36(5)：1310-1314．

[4]刘含笑, 姚宇平, 郦建国, 等. 燃煤电厂烟气中SO3生成、治理及测试技术研究[J].中国电力, 2015,48(9):152-156.

LIU Hanxiao, YAO Yuping, LI Jianguo, et al. Study on SO3Generation, Control and Testing Technology for Coal-fired Power Plants[J]．Electric Power，2015，48(9)：152-156.

[5]赵磊, 周洪光. 超低排放燃煤火电机组湿式电除尘器细颗粒物脱除分析[J].中国电机工程学报, 2016,36(2):468-473.

ZHAO Lei, ZHOU Hongguang. Particle Removal Efficiency Analysis of WESP in an Ultra Low Emission Coal-fired Power Plant[J]. Proceedings of the CSEE，2016, 36 (2)：468-473.

[6]韦海浪,朱琦,计桂芳,等. 石油焦+重油浮法玻璃窑炉烟气高温电除尘和SCR脱硝技术及其应用[J].玻璃,2015, 42(11): 40-46.

WEI Hailang, JI Guifang, etal. High Temperature EP+SCR Denitrification Technology of Glass Furnace Flue Gas and Its Application[J]．Glass．2015，42(11)：40-46.

[7]刘含笑,姚宇平,郦建国. 凝聚器二维单扰流柱流场中颗粒凝并模拟[J].动力工程学报, 2015,35(4):292-297.

LIU Hanxiao, YAO Yuping, LI Jianguo. Coagulating simulation of particles in flow field of coagulator 2d single turbulence column[J].Journal Of Chinese Society Of Power Engineering, 2015, 35(4): 292-297.

[8]郦建国,刘含笑,姚宇平. 微颗粒捕集增效装置二维单扰流柱流场计算[J].华东电力,2013,41(11):2404-2407.

LI Jianguo, LIU Hanxiao, YAO Yuping. Flow field calculation of 2d single turbulence column in the pm2.5 capture efficiency device[J].East China Electric Power, 2013, 41(11): 2404-2407.

Numerical Simulation of High Temperature Electrostatic Precipitator

LIU Hanxiao1, LI Wenhua2, GUO Ying1, YANG Qian1, GUO Lian1

(1. Zhejiang Feida Environmental Science and Technology Co., Ltd., Zhuji 311800, China； 2. Zhejiang Zheneng Wenzhou Power Generation Co., Ltd., Yueqing 325602, China)

The high temperature electrostatic precipitators have been widely used in the industrial field. To study the dust removal characteristics of high temperature electrostatic precipitators, a set of reasonable experimental equipment was set up to carry out experimental research. In this equipment, commercial CFD software is used to calculate the evenness of the interlayer airflow of different initial schemes, and the vertical rectangular cavity is determined as the best solution.

high temperature electrostatic precipitator; airflow distribution; numerical calculation; meshing

10.11973/dlyny201704030

国家高技术研究发展计划(2013AA065002)；国家国际科技合作专项(2014DFA90620)；国家重点研发计划(2016YFC0203704)；国家重点研发计划(2016YFC0209107)。

刘含笑(1987—)，男，硕士，工程师，主要从事电除尘器研究工作。

X701.2

：A

：2095-1256(2017)04-0487-06