李文華，白亮，虞上長

（1.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江省 樂清市 325602；2.昊姆(上海)節(jié)能科技有限公司，上海市 長寧區(qū) 200335）

0 引言

電除塵器(electrostatic precipitator，ESP)是目前工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域(如電力、冶金、建材、化工等)的主流除塵設(shè)備之一，其可在范圍很寬的溫度、壓力和煙塵濃度條件下運(yùn)行，尤其在燃煤電廠領(lǐng)域市場占有率約為70%[1-5]。電除塵器通過高壓電場放電，使含塵煙氣中的顆粒物荷電，在電場力作用下被陽極板吸附收集，并通過振打等方式進(jìn)行清除脫落，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)除塵的過程。隨著工業(yè)煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、政策等的陸續(xù)頒布實(shí)施，對于電除塵器的性能及其穩(wěn)定性也提出了更高的要求。傳統(tǒng)電除塵器的除塵效率一般在99.20%～99.85%，阻力一般不超過250 Pa，當(dāng)采用低低溫電除塵技術(shù)，即在電除塵器前增設(shè)煙氣冷卻器，將煙氣溫度降至硫酸露點(diǎn)以下時(shí)，電除塵效率可達(dá)99.9%，甚至更高。

一般而言，電除塵器的性能(主要是除塵效率、壓力降和漏風(fēng)率三大性能)要求越高，其流場、顆粒場及電場等多場參數(shù)對電除塵器的性能影響越顯著。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電除塵器氣流分布模擬試驗(yàn)方法》(JB/T 7671—2007)對電除塵器的流場要求給出了明確指標(biāo)規(guī)定，即電除塵器各進(jìn)口封頭(室)的流量與理想平均分配的流量相差不應(yīng)超過±5%，進(jìn)口截面的煙氣流速相對均方根差不應(yīng)超過0.2，但沒有對顆粒物的運(yùn)行情況、顆粒相質(zhì)量流量、電場變化情況等給出規(guī)定。采用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)軟件進(jìn)行多場協(xié)同、多相耦合的數(shù)值模擬已成為現(xiàn)實(shí)。李德波等[6]基于計(jì)算顆粒流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，開展了循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐數(shù)值模擬研究，并與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法和計(jì)算結(jié)果的有效性；郭瀅等[7]通過數(shù)值模擬的手段，研究了電凝聚器與電除塵器耦合使用時(shí)對流場的影響，保證了電除塵器對細(xì)顆粒物及總塵的吸收效果；盧權(quán)等[8]針對某電廠2號機(jī)組矩形尾部煙道電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口段阻力過大的問題，采用CFD軟件對該段煙道流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了研究方法的合理性，基于此，得到了優(yōu)化的煙道結(jié)構(gòu)方案；李立鋒等[9]采用FLUENT軟件對濕式電除塵器進(jìn)行了模擬分析，確定了最佳流場分布方案；郭寶玉等[10]基于FLUENT軟件，對電除塵器的放電特性及荷電后顆粒的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了模擬仿真分析，為工程設(shè)計(jì)提供了參考；葉興聯(lián)[11]采用CFD軟件，并結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，從流量、氣流均布、設(shè)備本體阻力、極配型式、絕緣系統(tǒng)熱風(fēng)吹掃設(shè)計(jì)等方面對電除塵器流場設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述和對比分析，指導(dǎo)了電除塵器設(shè)計(jì)；周棟梁等[12]研究了細(xì)顆粒物在電場、流場耦合作用下的遷移、捕獲機(jī)理。

本文基于CFD軟件FLUENT，對電除塵器內(nèi)流場、電場及顆粒相運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，旨在為工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行及維護(hù)等提供借鑒。

1 電除塵器幾何模型

在電除塵器前設(shè)置煙氣冷卻器，將煙氣溫度降至酸露點(diǎn)以下，可大幅提高電除塵器的除塵效率，但對氣流均布也會(huì)造成一定影響。本文基于某1 000 MW機(jī)組電除塵器，采用全尺寸建模，即從空氣預(yù)熱器出口開始(此時(shí)假設(shè)入口為均勻流速)，包括總煙道的煙氣冷卻器、入口分煙道、3室5電場電除塵器(含灰斗)、出口分煙道、出口總煙道。為了簡化軟件計(jì)算的復(fù)雜度，省略了電除塵器內(nèi)極線，并將陽極板簡化成平面的直板，對電除塵器整個(gè)系統(tǒng)的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)，如圖1所示，網(wǎng)格數(shù)量約865萬，網(wǎng)格質(zhì)量驗(yàn)證結(jié)果均為優(yōu)。并進(jìn)一步對進(jìn)出口煙道和電除塵器本體區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密，分別加密至網(wǎng)格數(shù)量為1 150萬、1 520萬，在定常工況下計(jì)算各煙道的流量值，前后計(jì)算值偏差僅約2%，考慮計(jì)算的時(shí)間復(fù)雜度，最終采用865萬網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行各類數(shù)據(jù)計(jì)算。

圖1 電除塵器三維幾何模型及網(wǎng)格劃分Fig. 1 3D geometric model and grid division of ESP

2 流場特性

采用k-ε模型模擬電除塵器內(nèi)氣體連續(xù)相的湍流流場，采用電磁流體(magneto hydro dynamics，MHD)模型計(jì)算電除塵器內(nèi)電場分布。對于CFD軟件而言，內(nèi)置求解方程均可寫成以下的通用形式：

式中：S為源項(xiàng)，左邊第1項(xiàng)是非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，第2項(xiàng)是對流和擴(kuò)散項(xiàng)；ρ為連續(xù)相的密度；ui為連續(xù)相流速；φ為表征輸運(yùn)數(shù)量的變量，不同輸運(yùn)方程對應(yīng)不同的取值和散系數(shù)Γ。動(dòng)量方程及電磁流體力學(xué)方程等具體參數(shù)可參見文獻(xiàn)[10-11]。

鑒于電除塵器及前后煙道內(nèi)飛灰顆粒物體積濃度均不超過20%，可采用離散相模型(discrete phase model，DPM)模擬顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，對顆粒物的主要受力情況進(jìn)行分析，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方程如下：

式中：up為顆粒相的流動(dòng)速度；Fs是Saffman力；Fd是因連續(xù)相作用而引起的黏性阻力；Fg是顆粒重力。

模型進(jìn)口為速度入口，煙氣流速設(shè)置為均勻流速6.1 m/s；模型出口為壓力出口，壓力設(shè)置為-2 000 Pa，出口的顆粒相處理邊界條件設(shè)置為逃逸；氣流分布板簡化為多孔介質(zhì)模型，煙氣冷卻器簡化為多級多孔跳躍模型，其他部件均設(shè)置為固體壁面邊界條件，顆粒相碰撞壁面邊界條件設(shè)置為彈性碰撞；顆粒相密度取值為2 100 kg/m3，模型進(jìn)口的顆粒物質(zhì)量濃度是10 g/m3，進(jìn)口的粒徑分布如圖2所示，從0.5～85 μm分為10個(gè)區(qū)間。

圖2 粒徑分布Fig. 2 Particle size distribution

3 流場(連續(xù)相)計(jì)算結(jié)果

3.1 布置方案

電除塵器主/分煙道及煙氣冷卻器內(nèi)導(dǎo)流板、前端進(jìn)口封頭的布置方案分別如圖3(a)、(b)所示，分別計(jì)算導(dǎo)流板布置前和布置后的流量分配和流場均布情況。

圖3 氣流分布板及導(dǎo)流板布置方案Fig. 3 Layout scheme of air flow distribution plate and guide plate

3.2 流量分配的計(jì)算

經(jīng)CFD軟件計(jì)算，煙道內(nèi)布置導(dǎo)流板前，電除塵器進(jìn)口流量分別為201.1、252.7、142.9 m3/s，流量偏差分別為1.1%、27.1%、-39.2%，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7671—2007的要求；參照圖3(a)所示布置導(dǎo)流板，經(jīng)CFD軟件計(jì)算，此時(shí)電除塵器進(jìn)口流量分別為196.5、197.2、199.3 m3/s，經(jīng)換算，其流量偏差分別為-0.7%、0.1%、0.6%，滿足JB/T 7671—2007要求(不超過±5%)。導(dǎo)流板布置前后，電除塵器進(jìn)口煙氣流量及其偏差對比情況分別如圖4(a)、(b)所示。電除塵器進(jìn)口煙道截面選取如圖5所示。布置導(dǎo)流板后，電除塵器進(jìn)口煙道內(nèi)速度矢量圖如圖6所示。

圖4 流量分配Fig. 4 Flue flow distribution

圖5 電除塵器入口截面選取位置Fig. 5 Location of the inlet section of ESP

圖6 速度矢量圖Fig. 6 Velocity vector diagram

3.3 第1電場進(jìn)口截面處流場均布計(jì)算

布置導(dǎo)流板和氣流均布板如圖3(b)所示，在電除塵器進(jìn)口封頭內(nèi)布置3層氣流均布板，氣流均布板為多孔板型式，且在第2、3層氣流均布板后面布置導(dǎo)流葉片，進(jìn)一步促進(jìn)氣流的均勻分布。經(jīng)CFD軟件計(jì)算，得到電除塵器的第1電場進(jìn)口截面處煙氣流場均布情況如圖7所示，煙氣流速的相對均方根差值分別為0.152、0.185、0.164，結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7671—2007的要求(0.25)。

圖7 電除塵器第1電場進(jìn)口截面流場均布情況Fig. 7 Distribution of flue gas velocity in the first electric field of ESP

4 顆粒場(顆粒相)計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7671—2007中并沒規(guī)定顆粒相的分配情況，但該指標(biāo)才是直接影響除塵效率的關(guān)鍵因素，在保證顆粒相均勻的情況下，才能保證各室充分發(fā)揮其除塵性能。而且，如果出現(xiàn)顆粒相分配偏差較大的情況，會(huì)加大局部磨損(高濃度高速區(qū))或積灰(高濃度低速區(qū))的風(fēng)險(xiǎn)。

在電除塵器煙道內(nèi)導(dǎo)流板布置之前，按照圖5所示，截取電除塵器進(jìn)口煙道截面上的顆粒相質(zhì)量流量數(shù)據(jù)，分別為1.64、2.265、1.51 kg/s，經(jīng)計(jì)算，流量偏差分別為-8.9%、24.8%、-15.7%；布置導(dǎo)流板之后，電除塵器進(jìn)口煙道截面處顆粒相的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)得到有效改善，分別為1.73、1.84、1.81 kg/s，其流量偏差值分別為-3.3%、2.8%、0.6%。顆粒相流量數(shù)據(jù)基本保持一致。導(dǎo)流板布置前后電除塵器進(jìn)口顆粒相分配如圖8所示。

圖8 顆粒相分配Fig. 8 Particle phase distribution

由于慣性力作用，飛灰顆粒在各分煙道內(nèi)的粒徑分布差異較大，布置導(dǎo)流板后，有明顯改善。計(jì)算電除塵器進(jìn)口顆粒相各級粒徑段分布偏差數(shù)據(jù)如圖9所示。布置導(dǎo)流板后，各級粒徑段分布偏差明顯減小，這有利于電除塵性能提升。

圖9 顆粒相各級粒徑段分布偏差Fig. 9 Particle size distribution deviation at all levels

5 電場計(jì)算結(jié)果

電除塵器內(nèi)電場通電后，陰極線與陽極板之間會(huì)形成電場，促使粉塵荷電，并在電場力的作用下，實(shí)現(xiàn)荷電后飛灰顆粒的有效收集。電場分布影響電暈產(chǎn)生、飛灰顆粒荷電及荷電顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此，電場分布也是電除塵器性能的主要影響因素。

采用電磁流體模型[12-13]模擬電除塵器內(nèi)電場分布，采用離散相模型模擬電場內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。陰極線簡化成圓形光桿，僅選擇3根圓形極線，在二維模型中進(jìn)行計(jì)算。模型進(jìn)出口邊界條件分別是速度入口和自由出口，在供電電壓50 kV，入口流速為1 m/s時(shí)，計(jì)算電場內(nèi)電勢分布及不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖10所示。電場內(nèi)電勢分布呈內(nèi)高外低的環(huán)形分布，越靠近陽極板，電勢越接近0 V。忽略顆粒間庫侖力作用，在電場內(nèi)電場力的作用下，荷電顆粒向陽極板方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)程度與粒徑正相關(guān)，大粒徑顆粒(10 μm)易于捕集，小粒徑顆粒(1 μm)更容易逃逸。

圖10 電場內(nèi)電勢分布及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 10 Distribution of electric potential and movement trail of particles in electric field

顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡跟除塵效率密切相關(guān)，顆粒運(yùn)動(dòng)到陽極板，表明被有效捕集。為進(jìn)一步研究除塵效率的影響因素，計(jì)算不同供電電壓及入口流速時(shí)模型的除塵效率，結(jié)果如圖11所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，電除塵器的除塵效率與供電電壓正相關(guān)，與入口流速負(fù)相關(guān)，該規(guī)律與工程實(shí)際相符。以某實(shí)際工程(660 MW機(jī)組)為例，其不同供電模式及機(jī)組負(fù)荷時(shí)，電除塵器的脫除效率有明顯差異，如滿負(fù)荷條件下，常規(guī)供電模式(電耗約1 650 kW)、節(jié)能模式(電耗約1020 kW)時(shí)，電除塵器出口煙塵質(zhì)量濃度分別為8.2、15.9 mg/m3，對應(yīng)的除塵效率分別為99.92%、99.84%；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至75%時(shí)(電除塵器入口煙氣流速相應(yīng)降低)，對應(yīng)的除塵效率分別提高至99.95%、99.91%。

圖11 不同供電電壓、入口流速對除塵效率的影響規(guī)律Fig. 11 Influence law of different supply voltage and inlet velocity on dust removal efficiency

6 結(jié)論

1）在流場(連續(xù)相)方面，布置合適的煙道導(dǎo)流裝置及進(jìn)口封頭氣流均勻布板之后，電除塵器進(jìn)口流量偏差及氣流均勻性改善效果顯著，流場偏差均不超過±1%，煙氣流速的相對均方根差值均小于0.25。

2）在顆粒場(顆粒相)方面，合適的煙道導(dǎo)流板布置后，電除塵器的進(jìn)口顆粒相總質(zhì)量流量偏差及粒徑分布均勻性均得到明顯改善，顆粒相質(zhì)量流量偏差分別為-3.3%、2.8%、0.6%。

3）在電場方面，分別采用電磁流體模型和離散相模型模擬電場內(nèi)的電勢分布和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，并計(jì)算除塵效率，結(jié)果表明，電除塵器的除塵效率與供電電壓正相關(guān)，與入口流速負(fù)相關(guān)，計(jì)算規(guī)律與工程實(shí)際相符。