焦華超,代丹丹,唐新軍

(新疆工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

新疆火電裝機(jī)容量在全國一直排在前列，這些電力除滿足本地需求之外，還利用國家“電力援疆+市場化”政策將電力銷售到內(nèi)地經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，提高了新疆本地的經(jīng)濟(jì)收入，為邊疆穩(wěn)定做出了貢獻(xiàn)。但是在享受火電帶來的經(jīng)濟(jì)收益的同時，隨著國家對環(huán)保要求的提高，對新疆火電廠燃煤污染的處理也提出了更高的要求。靜電除塵器是火電廠對尾部煙氣處理的重要設(shè)備，其利用高壓電場使煙氣發(fā)生電離后并吸收粉塵，從而大幅降低火電廠排出煙氣中的有害物質(zhì)，減少環(huán)境污染。

提高靜電除塵器除塵效率的一個重要途徑是改善電場區(qū)域內(nèi)的氣流均布性。目前國內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員優(yōu)化氣流均布性的嘗試主要有改變電除塵器本體結(jié)構(gòu)中入口段煙道布置[1-3]、設(shè)置不同層數(shù)導(dǎo)流板[4]、改變氣流分布板開孔率[5，6]等，對氣流分布板孔徑的選擇研究較少。在研究氣流分布板對氣流均布性影響方面，數(shù)值模擬過程一般使用多孔介質(zhì)模型，該模型經(jīng)過優(yōu)化可以初步替代實(shí)物模型搭建，但是在設(shè)置多孔介質(zhì)模型相關(guān)參數(shù)方面，仍在尋找更加高效、合適的方法。例如葉興聯(lián)等利用單孔實(shí)驗的數(shù)據(jù)修正多孔介質(zhì)模型的參數(shù)，所得模擬結(jié)果與實(shí)際所測數(shù)據(jù)具有較高的吻合度[7，8]。潘民興等通過對比實(shí)測數(shù)據(jù)、實(shí)際尺寸建模模擬數(shù)據(jù)、多孔介質(zhì)模型模擬數(shù)據(jù)指出，根據(jù)實(shí)際尺寸建模具有較好的模擬結(jié)果但計算量較大[9，10]。

本文采用實(shí)際尺寸建模模擬的方法，先研究氣流分布板開孔率布置，之后進(jìn)一步研究孔徑對電廠區(qū)域氣流均布性的影響，為電除塵器內(nèi)氣流均布性優(yōu)化提供參考。

1 研究模型和數(shù)值計算

1.1 模型介紹

以開源重工一臺300 MW機(jī)組的三電場電除塵器為研究對象，模型中間截面如圖1所示，電場區(qū)域的幾何尺寸為長17.1 m、寬7.8 m、高14 m。氣流進(jìn)出口管道斷面為4.8 m×3.6 m，長為5 m。氣流入口管道與電場區(qū)域的連接采用喇叭形封頭相接。在距入口喇叭形區(qū)域起始位置水平距離分別為0.9 m、2.1 m、3.7 m、20.7 m處布置氣流分布板，氣流分布板厚度2 mm。建模時將氣流分布板前后50 mm作為整體與氣流分布板一起建模。利用icem對模型進(jìn)行分區(qū)域網(wǎng)格劃分，在每層氣流分布板前后建立一對interface交界面，保證流體計算域的連續(xù)性。

1-氣流入口；2-氣流分布板擬布置位置；3-電場區(qū)；4-氣流分布板擬布置位置；5-氣流出口

1.2 數(shù)值計算方法及邊界條件

采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法對上述模型進(jìn)行數(shù)值求解，其中求解器類型設(shè)為pressure-based，時間格式設(shè)為steady，采用有限容積法離散控制方程，并采用SIMPLE算法求解壓力-速度耦合問題。電除塵器入口設(shè)定為速度入口，速度為6 m/s；出口設(shè)定為壓力出口，壓力為-2 kPa。流體工質(zhì)為常溫?zé)煔?，密度? kg/m3，黏度系數(shù)為1.72×10-5kg /( m·s) 。

1.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

電除塵器內(nèi)氣流分布均勻的評價標(biāo)準(zhǔn)采用相對均方根值法(RMS)：

1.4 實(shí)驗方案

通過相關(guān)文獻(xiàn)可知：氣流分布板開孔率、孔徑與氣流分布性并無明顯關(guān)聯(lián)性，現(xiàn)階段的參考書上只是告知開孔率的范圍是25%～60%，孔徑范圍也無特殊要求。但是隨著對環(huán)保要求的提高，需要更進(jìn)一步地提升電除塵器的效率，電除塵器內(nèi)部的氣流分布對除塵效果的影響所占的比重也是越來越高。結(jié)合具體工程實(shí)踐及相關(guān)經(jīng)驗，本文先選取孔徑為80 mm的氣流分布板，使用三層氣流分布板的開孔率布置方案(如表1所示)；之后根據(jù)具體模擬結(jié)果選取最佳開孔率方案并驗證孔徑對氣流分布的影響。

表1 不同開孔率布置方式 %

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 使用三層氣流分布板時開孔率對氣流均布的影響

不同開孔率的氣流均布性數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。

表2 不同開孔率的氣流均布性

通過對比表2得知：在第一電場區(qū)域，除方案6外，其余的5種方案的第一電場氣流均布性均小于0.2，均能滿足電除塵器的設(shè)計要求。

對比方案5(50%-40%-40%)和方案1(50%-40%-30%)，其第一、第二層的氣流分布板開孔率均為50%、40%，但在第二電場區(qū)域氣流均布性有比較大的差異(見表2)，方案1的σr=0.259(基本合格)，方案5的σr=0.559(不合格)，造成這種現(xiàn)象的原因是方案1的第三層氣流分布板的開孔率比方案5小，為30%，氣流經(jīng)過時由于分布板開孔間的隔板的阻擋，一定程度上降低了氣流由于受喇叭形形狀影響產(chǎn)生的豎直方向速度分量，減少了通過氣流分布板后流向電場上下邊緣區(qū)域的氣流，降低了第二電場處低壓區(qū)域的影響。通過圖2的壓力分布云圖可見第三層板處，方案1的低壓區(qū)明顯小于方案5的低壓區(qū)域。

圖2 方案5和方案1壓力云圖

對比方案1和方案3、方案2和方案4可以看出：當(dāng)?shù)谝粚雍偷谌龑託饬鞣植及彘_孔率相同時，方案3和方案4第二層氣流分布板孔隙率為30%時，第二電場區(qū)有較好的氣流分布性。原因也是較小的開孔率在一定程度上降低了喇叭口形狀對氣流方向的影響。

綜合來看，方案4是6個方案中較為優(yōu)異的方案，其雖在第三電場區(qū)域氣流均布性為基本合格，但在第一、第二電場區(qū)均為良好，而第一、第二電場區(qū)是電除塵器集塵的主要工作區(qū)，對電除塵器整機(jī)除塵效率有著至關(guān)重要的影響。

2.2 氣流分布板孔徑對氣流均布性的影響

本文選取方案4(40%-30%-30%)的氣流分布板的開孔率布置方案，保持其他邊界條件不變，改變氣流分布板孔徑，分析得到電除塵器內(nèi)不同截面處的氣流均布性狀態(tài)如表3所示。

表3 不同孔徑的氣流均布性

通過對比表3可以發(fā)現(xiàn)：使用孔徑為60 mm的氣流分布板電場區(qū)域的氣流均布性較好。使用更小孔徑的氣流分布板并不能顯著地提升電場的氣流均布性。原因是，隨著孔徑的減小，相同的開孔率，氣流分布板上的孔數(shù)變多，氣流受喇叭口影響而產(chǎn)生的豎直方向的偏移在增大，一定程度上削弱了氣流分布板的作用。

圖3為60 mm和20 mm孔徑的氣流分布板壓力云圖。從圖3中可以看出：隨著孔徑的減小，第三層氣流分布板前后的壓差在減小，其對氣流的影響也在減弱;且隨著孔徑的減小，當(dāng)氣流通過氣流分布板后，由于氣流出口的增多，氣流流向更加多元，也一定程度增大了電場區(qū)域的低壓范圍進(jìn)而影響電場區(qū)域的氣流均布性。本文所涉及電除塵器較為合適的孔徑為60 mm，因此，在實(shí)際電除塵器運(yùn)行過程中最好選用該孔徑的氣流分布板。

圖3 60 mm和20 mm孔徑的氣流分布板的壓力云圖

3 結(jié)論

(1) 對比使用三層氣流分布板不同開孔率設(shè)置對電除塵區(qū)氣流均布的影響，發(fā)現(xiàn)開孔率為40%-30%-30%的布置方案可以較好地滿足電場區(qū)域氣流均勻性要求。

(2) 對比相同開孔率下不同孔徑對電除塵區(qū)氣流均布的影響，發(fā)現(xiàn)孔徑為60 mm時具有較好的氣流均布性。