大扩张角静电除尘器内流场均匀性及压力特性试验研究

周 昊， 赵 锴， 赵梦豪， 马炜晨， 宋 金

(1.浙江大学 能源工程学院，能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027；2.上海电气斯必克工程技术有限公司，上海 200090)

大扩张角静电除尘器内流场均匀性及压力特性试验研究

周 昊1， 赵 锴1， 赵梦豪1， 马炜晨1， 宋 金2

(1.浙江大学 能源工程学院，能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027；2.上海电气斯必克工程技术有限公司，上海 200090)

针对面积比为9.43，上、下扩张角分别为45°、57°的静电除尘器物理模型进行了气流均匀性及压力特性研究.建立了静电除尘器模型试验台架，采用空气作为流动介质，静电除尘器内部速度为1.06～1.27 m/s.结果表明：试验成功将速度的相对偏差降低到0.27；多孔板设计存在气流均匀性好同时压降又较小的最优方案，最优开孔率范围为0.5～0.7；多孔板位置越靠上游、层数越多，静电除尘器压降越大.

静电除尘器； 非均匀开孔率； 多孔板； 压降

GB 13223—2011 《火电厂大气污染物排放标准》中规定，烟尘排放质量浓度应不超过30 mg/m3(重点地区不超过20 mg/m3)[1].静电除尘器具有效率高、适用性强、运行费用较低等优点，因此一直是国内外燃煤电厂治理烟气的优选设备.美国约80%左右脱除颗粒物的方式采用静电除尘器，欧盟约占85%，而在日本这一比例则更高[2-3].目前我国90%以上燃煤电厂都使用了静电除尘器[4-5].在影响静电除尘器的众多因素中，电场内部气流分布是极为重要的影响因素.而电除尘器的内部气流一般通过多孔板(均布板)和导流板进行调整，要达到较好的气流均匀性，增大多孔板的阻力是一种简单的方法，但是静电除尘器的阻力往往都有严格的限制，因此有必要研究多孔板在静电除尘器内对气流的均匀性效果及阻力特性.

关于静电除尘器内尤其是进气烟箱及其前后的流场研究,很早就受到了国外学者的关注.Reneau等[6]针对气流在二维扩散器内的流动情况进行了研究.随后Sahin等[7-9]搭建了多个小型静电除尘器模型，详细研究了多孔板对进气烟箱内部及出口的流场影响，同时对模型中进气烟箱的压力变化进行了测量.试验得出：(1)扩张角越大，进气烟箱出口处气流均匀性越差；(2)可以通过添加多孔板有效提高气流的均匀性；(3)多孔板位置及开孔率对气流均匀性及进气烟箱前后压差有着重要影响.Noui-Mehidi等[10]采用非对称模型，扩张角为30°，对进气烟箱沿程截面进行了速度分布测量，研究了不同多孔板组合下的压力损失.Choi等[11]在圆管内添加不均匀开孔率的多孔板，采用数值模拟的方法研究了开孔率、相对厚度对气流均匀性及压降的影响.Barratt等[12]提出利用圆柱体形成高孔隙度均流装置，可以达到进气烟箱出口气流均匀的效果.国内针对静电除尘器流场的研究较少，刘明等[13]采用数值模拟方法对某除尘器前烟道存在磨损严重、烟气分配不均等问题进行了改造，取得了良好的效果.Qiu等[14]通过在静电除尘器物理模型的烟道及进气烟箱内添加导流板的方法使本体内检测截面速度的相对偏差从初始的0.830降低到0.475.王铁营[15]采用数值模拟的方法，在静电除尘器进气烟箱内添加了3块开孔率分别为0.55、0.5和0.45的多孔板，并对内部流场进行优化，结果电场入口速度的相对偏差降低到0.177.金定强等[16]通过运用气流均布板和整流格栅对静电除尘器内气流进行优化，结果表明该方案不仅可降低压损，还能提高装置可靠性.目前，燃煤锅炉配套的静电除尘器内一般均设有多孔板作为均流装置.

近年来，由于我国使用的煤质原因，灰分更多、黏度更大，静电除尘器的扩张角也因此变得更大，再加上前端烟道更加复杂，使得进入到静电除尘器本体内的气流变得更加紊乱.由于国内外研究大都集中在扩张角40°以下，静电除尘器模型前端接直管段，单个多孔板采用统一开孔率，笔者在静电除尘器扩张角较大(扩张角为45°～57°)，前端烟道复杂的情况下，设计了非均匀开孔率分布的多孔板作为气流均匀装置，对除尘器内气流均匀性及压力特性进行了全面、深入的研究.

1 试验方法

1.1试验装置

试验模型采用有机玻璃制作而成.按照某电厂2×300 MW配套的静电除尘器实际尺寸，以1∶14比例缩小，为双室结构，主要由入口烟道、进气烟箱、除尘器本体、出气烟箱、出口管路及引风机组成.入口烟道为直径(D)250 mm的圆形截面，除尘器本体截面尺寸为828 mm×916 mm，进气烟箱出口与入口面积比为9.43，进气烟箱上扩张角α与水平面呈45°，下扩张角γ与水平面呈57°.烟道出口处平均流速为17.4 m/s，对应雷诺数为2.89×105，模型系统图如图1所示,共有两室.其中处于气体流动方向的左侧为左室,右侧为右室.P0～P8为9个压力测孔，截面a为进气烟箱入口截面，截面b(即P7所在横截面)为除尘器本体内测速截面.其中，P0～P8压力测孔具体相对坐标位置如表1所示，x轴以P2位置为坐标原点，流动方向为正方向.图1中A、B、C分别为3层多孔板安装位置.

图1 试验装置示意图

表1 压力测孔相对位置坐标

1.2关键参数的定义

试验中采用一些关键参数来描述多孔板的特性、气流均匀性和压力特性等,主要包括开孔率β、速度的相对偏差σ及压力恢复系数Cp.

(1) 开孔率β定义为多孔板开孔总面积同管道截面总面积的比值：

(1)

式中：Ah为多孔板开孔总面积，m2；Ap为多孔板总面积，m2.

(2) 速度的相对偏差σ是指除尘器截面上速度场的相对标准偏差，其表达式为：

(2)

根据Coghe等[17]所提出的评判标准，表2给出了相应的评判区间.

表2 气流均匀性评价表

(3)

式中：p为测量点处的静压，Pa；pr为进气烟箱前烟道内的静压，Pa；ρ为试验介质空气的密度，kg/m3；v1为进气烟箱前烟道内的平均流速，m/s.

1.3多孔板介绍

试验所用多孔板由钢板制成，采用不均匀开孔率分布，局部开孔率范围为0.3～1.0.由于实际静电除尘器中使用的多孔板孔径一般在40～70 mm，按照等比例模化，试验开孔孔径统一为5 mm.多孔板的厚度对气流均匀性影响不大，所以试验多孔板厚度统一为1.5 mm.多孔板安装位置A、B、C分别距截面a为110 mm、190 mm和270 mm.试验主要采用4种开孔方案的多孔板，开孔方案如图2所示，实物图如图3所示，板中数值为开孔率.各多孔板的平均开孔率见表3.

需要说明的是，由于实际静电除尘器多孔板孔径达到40～70 mm，大部分粉尘均能随烟气穿过多孔板，但由于进气烟箱内气流紊乱、粉尘相互碰撞等原因，有部分粉尘会掉落在多孔板间.目前，针对进气烟箱内粉尘堵塞问题采取以下措施：(1)在每层多孔板底部，留有一定高度的空心部分，如图2中第2种多孔板底部所示.这样粉尘掉落在进气烟箱内，会由于重力及惯性力等作用通过底部空心部分滑落至本体的灰斗内.(2)加大静电除尘器进气烟箱的下扩张角，使下扩张角大于安息角，积灰能顺利滑落至灰斗内，这也是此处研究大扩张角静电除尘器的原因.由于研究重点是针对均匀性及压力特性，在进行第2种多孔板相关试验时发现，底部开孔率为1.0时，并未对除尘器本体内气流均匀性及压力特性产生明显影响.故对其他多孔板设计方案进行了简化，并未完全按照实际情况将多孔板底部雕空.

1.4试验介绍

试验主要分为2部分：第一部分研究不同开孔方案的多孔板对气流均匀性的影响；第二部分研究进气烟箱压力变化情况.

通过在进气烟箱3个位置添加不同个数、不同开孔方案的多孔板，研究多孔板对气流均匀性的影响,并最终确定了针对本模型的最佳开孔方案.试验中发现，左、右两室速度分布相似，故只针对左室进行速度分布测量.试验工况如表4所示.采用网格法，在测速截面b上均匀布置11×12共132个测点，采用热线风速仪对各点速度进行测量.

2 试验结果及分析

2.1除尘器本体试验

1-A

1-B

1-C

2-A

2-B

2-C

3-A

3-B

3-C

4-A

4-B

4-C

图3 第3种开孔方案3层多孔板实物图

表3 各多孔板的平均开孔率

表4 除尘器本体试验工况

通过分析空白工况下的速度分布，在严格控制多孔板阻力的前提下，设计了不均匀开孔率的多孔板，经过反复多次的试验及设计最终达到较为理想的效果.除尘器本体试验结果见表5.

表5 除尘器本体试验结果

工况1的速度分布如图4所示.从图4可以看出，速度分布呈现中间大四周小的规律，速度大的区域处于中心偏上位置，且较为集中.此外，还呈现右上角部分速度较大，而下部速度较小的特点.由于造成速度分布差异的根本原因是压力不平衡，故对截面b的动压分布进行分析(见图5).由图5可知，动压分布与速度分布情况是一致的，中心区域动压较大，可达50 Pa以上；四周动压较小，大部分小于1 Pa，两区域的压差十分明显.

图4 工况1的速度分布

气流从烟道进入到喇叭口时，会向喇叭口四周扩散，但由于惯性作用，中心部分惯性较大，气流向四周扩散得很少，导致四周动压小、中心动压大，即中心速度偏大.从模型的结构上看，烟道出口处于进气烟箱中间偏上部分，所以速度大的区域会处于中心偏上位置，并且由于进气烟箱上、下扩张角分别为45°和57°，下部扩张角比较大，气流在下部区域的回流区比较大，使得阻力较大，因此下部动压比上部动压小.值得注意的是，虽然气流在烟道出口处于中间偏上位置，但是进入除尘器本体后，右上方速度较四周区域大.这一方面是因为前端烟道的存在，气流在流经弯头后变得不均匀，由于惯性导致气流存在偏向；另一方面是因为进气烟箱较大的扩张角使得内部存在很多回流区，造成了气流极为紊乱，湍流的小涡团在内部不断摩擦、碰撞，加剧了内部气流的不确定性.

图5 工况1的动压分布

工况2和工况3的速度分布如图6和图7所示.虽然添加单层多孔板对气流均匀性有改善作用，但离良好的均匀性还有很大差距.

图6 工况2的速度分布

从图6和图7可以看出，工况2、工况3的速度分布与工况1的速度分布规律类似，均呈现中间速度大、四周速度小.虽然第1种板中心开孔率较小，多孔板的阻力呈现中间大、四周小的特点.但单层多孔板对气流的扩散作用相比于气流的惯性作用还是很小，因此气流还是集中在中间.试验结果还发现，单层多孔板无论是放置在A还是C，其速度的相对偏差比较接近，这是由进气烟箱本身长度较短，多孔板安装位置间距较小造成的.此外，单层多孔板对气流的扩散作用不强，使得多孔板位置对气流均匀性的影响也较弱.

图7 工况3的速度分布

工况4的速度分布如图8所示.图8中，添加2层多孔板后，气流均匀性有一定的提高，速度的相对偏差降低到0.66.从图8可以看出，速度偏大的区域已不再是一整个圆形区域，上部和左部速度较大，且速度较大和较小区域的划分与多孔板开孔率分布区域紧密相关.由于2层多孔板中心开孔率都比较小，造成中心区域阻力较大，四周阻力较小，从而导致气流向四周扩散得较多.但是由于进气烟箱形状原因，导致气流向下扩散得很少，下部气流速度明显偏小.

图8 工况4的速度分布

工况5的速度分布如图9所示.从图9可以看出，添加3层多孔板后效果明显优于添加1层和2层多孔板，但其中间速度偏小，左右两侧速度偏大.这是由于3层多孔板均采用第1种开孔方案时，进气烟箱内中心区域阻力很大，而四周阻力较小，气流向四周偏转较多.由于上下扩散角的角度较大，气流向左右两侧扩散更容易.工况6的速度分布如图10所示.从图10可以看出，工况6的速度分布与添加单层多孔板类似，与工况5呈相反趋势.结合工况5和工况6的结果可知，3层多孔板存在最优的开孔范围，中心区域的最优开孔率范围为0.45<β<0.7.四周开孔率范围由于受到中心开孔率以及各开孔率扩散能力的影响难以确定，但大致范围为0.4<β<0.7.

图9 工况5的速度分布

图10 工况6的速度分布

通过多次对多孔板开孔方案的设计调整，最终确定了气流均匀性效果最优的是第3种多孔板.由于Reneau等[6-8]在小扩张角下采用开孔率为0.5的多孔板取得了良好的均匀性效果，故也设计第4种多孔板进行效果对比.工况7和工况8的如图11～图13所示.

图11 工况7的速度分布

图12 工况7的动压分布

图13 工况8的速度分布

由工况7的试验结果表明，采用有针对性设计的多孔板，能够使扩张角较大的静电除尘器内部气流达到较为均匀的效果，速度的相对偏差由原先的1.51降低到0.27.鉴于此静电除尘器扩张角较大，前端烟道较为复杂，0.27的速度相对偏差已达到预期目标.工况7的多孔板开孔特性为：第1层中心开孔率小，第2层、第3层中心及外围开孔率大.图12为工况7的动压分布.由图12可知，其动压分布与图12速度分布规律一致.多孔板不均匀开孔使得进气烟箱内中心阻力大，而四周阻力小，动压分布呈现中心区域动压小、四周动压大的规律.同时截面下侧的动压偏小，即下部速度偏小.工况7和工况8均呈现下部速度较小的情况，这主要是由于前端烟道处于进气烟箱中心偏上位置，且下扩张角达到了57°，气流虽然经过3层多孔板后向四周扩散，但是下部扩张角较大，产生的回流区较大，导致下部阻力较大，下部动压偏小.工况7下左侧局部区域出现了速度较大的情况，这是由于多孔板开孔率分布不均，在气流向四周扩散的过程中，容易造成局部速度偏大或偏小.从工况8的试验结果可知，3层全采用开孔率为0.5的多孔板可以在一定程度上降低气流的不均匀性，但是经过优化设计的非均匀开孔的多孔板能够达到更好的均匀性效果.

综上所述，采用3层多孔板均匀性效果最好，且多孔板层数越多，均匀性效果越好；采用不均匀开孔方式能够有效降低大扩张角静电除尘器内部气流不均匀性，为提高静电除尘器效率提供了重要保障.

2.2除尘器压降试验

图14 沿程压力恢复系数随x/D的变化

图14给出了工况1、工况7以及工况8沿程压力恢复系数变化情况.各工况均采用3层多孔板.从图14可以看出，各工况下Cp均有类似的变化趋势.当流通截面积刚开始变大，Cp迅速减小，当气流进入到进气烟箱内时，沿着流动方向Cp先增大然后逐渐稳定.这和Sahin等[8-9]和Noui-Mehidi等[10]得出的试验结果相类似.比较工况7与工况8曲线可以看出，在相同流速情况下，第4种板的压降要大于第3种板.

当气流从圆管进入到方圆接口时，由于流通截面积变化不大，动能转化成压能部分较少，而由于方圆接口形状不规则，产生了大量的涡团以及回流区，这使得压降突然增大，所以从x/D在0～0.48位置Cp会迅速减小.而沿着流动方向，进气烟箱截面积不断增大，动能减小，压能增大，压降逐渐减小.随着湍流进一步发展，回流区在进气烟箱内也增大，导致压能增大的部分与流动中消耗的能量部分大致相等，这就是Cp先增大随后又稳定的原因.当气流流出进气烟箱后，流动趋于稳定，Cp也就一直处于较为稳定状态.经计算，第3种开孔方案3层多孔板平均开孔率分别为0.58、0.64和0.58，而第4种开孔方案3层多孔板平均开孔率均为0.5.由于第3种开孔方案平均开孔率明显大于第4种开孔方案，所以第4种开孔方案多孔板的沿程压力恢复系数会小于第3种开孔方案，即在相同流速情况下，产生的压降会更大.

图15 整体压力恢复系数随不同多孔板组合的变化

Fig.15 Change of overall pressure recovery coefficient with perforated plate configurations

3 结 论

(1) 采用3层多孔板均匀性效果最好，且在3层多孔板范围内，多孔板层数越多，均匀性效果越好.

(2) 采用不均匀开孔方式能够有效降低静电除尘器内部气流的不均匀性，为提高静电除尘器效率提供了重要保障.

(4) 最优的开孔方案为：中心开孔率为0.5≤β≤0.7，四周开孔率为0.55≤β≤0.7.此方案能够实现气流均匀同时静电除尘器压降较低的目标.

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Research on Flow Uniformity and Pressure Characteristics of a Wide-angle Electrostatic Precipitator

ZHOUHao1,ZHAOKai1,ZHAOMenghao1,MAWeichen1,SONGJin2

(1. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Shanghai Electric-SPX Engineering & Technologies Co., Ltd., Shanghai 200090, China)

Flow uniformity and pressure characteristics of an electrostatic precipitator were studied based on the model test rig with area ratio of 9.43, up and down extending angle of 45° and 57° respectively, and with inside velocity of the air medium within 1.06-1.27 m/s. Results show that the relative deviation of flow rate can be reduced to 0.27 through experiments; uniform air flow and low pressure drop could be achieved by optimizing the design of perforated plates with an optimal perforated rate in the range of 0.5-0.7; when the perforated plate moves upstream, or when the number of perforated plates rises, the pressure drop would increase.

electrostatic precipitator; non-uniform porosity; perforated plate; pressure drop

2016-07-29

：2016-10-10

国家重点基础研究发展计划资助项目(2015CB251501)

周 昊(1973-)，男，江苏吴江人，教授，博士生导师，主要从事煤的低污染优化燃烧方面的研究.电话(Tel．)：13906532015； E-mail：zhouhao@zju.edu.cn．

1674-7607(2017)09-0716-10

：TK284.5

：A

：470.20