蜂窝管湿式电除尘器内部流动特性研究

戴春喜，梁平，车德勇，刘海婷

（1. 华能伊春热电有限公司，黑龙江 省伊春市 153000；2. 东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132000）

0 引言

随着火力发电烟气排放标准的提高，很多电厂都在进行相关的技术改造工作[1-6]。在降尘处理方面，部分电厂通过在现有除尘方式上增设湿式电除尘器[7-12]来降低颗粒物排放浓度，由于这种除尘方式不需要振打，因此其机械结构简单，维护工作减小。常用的湿式电除尘器主要有管式除尘器和板式除尘器两大类，其中管式除尘器结构紧凑，占地面积小，常用于实际技术改造工程中。湿式电除尘器由于内部存在喷雾过程，其内部流动情况比较复杂，因此很难通过实验对内部流场进行考察。本文以蜂窝管湿式电除尘器为研究对象，基于计算颗粒流体力学(computational particle fluid dynamics，CPFD)方法[13]开发Barracuda 软件，对其内部情况进行数值模拟，研究烟气在除尘器内部的流动情况，以期对技术改造可行性研究提供指导。

1 边界条件与理论方法

蜂窝管湿式电除尘器[14]工作原理是：利用大量细小雾滴在高速运动条件下与粉尘碰撞的概率增加，使得雾滴与粉尘发生凝聚，凝聚后的粉尘在电场力作用下向管壁面移动，最终被捕捉。由于有水雾的存在，管壁面会形成水膜，这些水膜有利于捕捉到的颗粒脱落。为结合后期实验台的搭建，本文所分析的湿式电除尘器阳极端采用蜂窝状的导电玻璃钢，如图1 所示，其六边形内切圆半径为150 mm，管长为4.5 m，计算单元中包含37根管，收尘面积为173 m2。由于计算过程中主要研究烟气流动情况，而阴极线结构细小，对烟气流动影响不大，因此计算模型忽略管中的阴极线结构。入口烟气流速为4 m/s，雾化喷嘴流速为35 m/s，由于喷射速度较大，本文主要研究雾化液滴运动情况，因此不考虑电场力作用。

图1 蜂窝管湿式电除尘器结构Fig.1 Structure of honeycomb tube wet electrostatic precipitator

水在喷嘴作用下雾化成液滴，为了简化计算过程，本文忽略了液滴融合过程，采用CPFD 方法计算除尘器内部的液滴运动情况。CPFD 数值方法最先由Dale M.Snider[15]博士提出，该方法运用欧拉-拉格朗日耦合求解，与其他多相流数值方法不同的是，其求解时采用“颗粒团”的方式将具有同类特征的实际颗粒封装为计算颗粒，计算颗粒在流场中受到重力、摩擦力和颗粒相互碰撞作用力，气体相和颗粒相运动通过各自的控制方程完成求解，在这个过程中对应气体的控制方程[16]为

式中：f为概率分布函数；m为质量；μg为气相动力黏度；ρp为颗粒相密度；rp为颗粒半径；fb为由曳力模型决定的系数；υp为颗粒相速度。

本文涉及的曳力模型有Wen-Yu/Ergun 模型[16]，这种模型通过Wen-Yu 模型与Ergun 模型进行线性变换得到，因此由曳力模型决定的系数fb可表示如下：

式中：Ps为大于0 的常数；γ为模型的自有系数，取值范围为[1.2,5]；ε为构建的一个小量，用于消除模型中奇异点。

2 结果分析

图2为液滴速度分布情况，其中a、b、c分别为喷嘴停用、喷嘴在蜂窝管内部以及喷嘴在蜂窝管上方对应的喷雾液滴运动情况，可以看出，雾化液滴离开喷嘴时速度极快，随后就快速下降，当接触到壁面后速度下降到最低，有部分雾化液滴从出口排出，大部分液滴在下方水池汇集。

图2 液滴速度分布Fig.2 Velocity distribution of droplets

图3为3种情况下烟气在入口方向垂直平面的烟气速度矢量分布情况，通过对比发现，当喷嘴停用时，烟气在蜂窝管段流向比较稳定，而当喷嘴工作时，由于喷嘴出口流速较大，会使烟气流速增加，从而改变局部位置的流场情况，总体上来看3种情况下烟气流向基本一致。

图3 烟气速度矢量分布Fig.3 Velocity vector distribution of flue gas

图4 为垂直方向上烟气速度场分布情况，可以看出，当喷嘴停用时，烟气在蜂窝管段速度分布比较均匀。当喷嘴开启时，蜂窝管段内部流速会增大，从图2 可以看出，喷雾速度在离开喷嘴很短距离后便会快速下降，因此烟气在这个区域因与液滴速度差异较大而被加速，随后液滴在蜂窝管壁面聚集，占据了部分气流空间，会出现管壁面烟气流速较小、中间区域烟气流速较大的现象，从而造成了b、c中烟气速度分布呈竖条状的情况。

图4 垂直方向上烟气速度场分布Fig.4 Velocity field distribution of flue gas in vertical direction

图5 为水平方向上烟气速度场分布情况，可以看出，在除尘器顶部烟气存在回流现象，烟气从入口进入开放空间后未能均匀扩散，因此进入后受到入口正对位置的壁面阻挡，烟气会沿圆形壁面形成旋涡回流，然后再向下进入蜂窝管。当喷嘴停用时，蜂窝管能够起到均布流场的作用，因此在蜂窝管段越往下，速度分布越均匀；而当喷嘴在蜂窝管内部或在蜂窝管上方工作时，均会使蜂窝管段烟气流速不均。

图5 水平方向上烟气速度场分布Fig.5 Velocity field distribution of flue gas in horizontal direction

图6为3种情况下垂直中心线上烟气流速变化情况，可以看出，当喷嘴停用时，烟气流速会快速下降，这是由于除尘器上方存在回流，使得烟气流速存在高速区域，当进入蜂窝管后烟气快速扩散，速度快速下降。当喷嘴工作时，烟气流速也呈现下降过程，但由于喷雾的加速作用，烟气流速随后会快速上升，当喷嘴在蜂窝管内时，由于单个蜂窝管内空间较狭窄，喷雾释放的动能只加速少量烟气，因此管内流速比喷嘴在蜂窝管上方时要大。但由于喷嘴作用范围较小，喷嘴的位置对烟气离开蜂窝管段时的速度影响不大。

图6 垂直中心线上的烟气流速变化情况Fig.6 Variation of flue gas velocity on vertical centerline

3 结论

采用CPFD方法对喷嘴停用与喷嘴开启时2种典型布置方式下蜂窝管湿式电除尘器内喷雾和烟气流动情况进行了研究分析，主要结论如下：

1）喷嘴开启会影响蜂窝管段的烟气流速均匀性，同时会使管内烟气流速上升。

2）雾化液滴速度离开喷嘴后速度会快速下降，当接触到管壁面后速度下降到最低，这部分液滴会占据烟气空间，使这部分烟气速度较小。

3）当喷嘴布置在蜂窝管内时，内部烟气流速会高于喷嘴布置在蜂窝管上方时的流速，不利于管内粉尘捕获，但两者对应的除尘器下方速度基本一致。