电除尘器斜射流对粉尘颗粒沉降影响的数值模拟

电除尘器斜射流对粉尘颗粒沉降影响的数值模拟
李少华;王铁营;宋阳;郭婷婷
【摘要】电除尘器是火电厂中主要的除尘装置,运用多孔介质模型模拟气流分布板,通过调整气流分布板的开孔率,形成较好的斜射流,采用双流体模型中的混合模型对
斜射流流型下的PN2.5进行数值模拟,并对比了斜射流和均匀气流两种流型下
PM2.5的体积分数,得出斜射流可以提高电除尘器对PM2.5的除尘效率.
【期刊名称】《化工机械》
【年(卷),期】2015(042)002
【总页数】5页(P220-224)
【关键词】电除尘器;斜射流;粉尘颗粒;数值模拟
【作者】李少华;王铁营;宋阳;郭婷婷
【作者单位】东北电力大学能源与动力工程学院;中国大唐集团科学技术研究院有
限公司;东北电力大学能源与动力工程学院;东北电力大学能源与动力工程学院;中国大唐集团科学技术研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.8
随着国家环保治理力度不断加大，对火电厂烟囱出口烟尘排放浓度的要求日益提高。

新修订的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)将燃煤电厂粉尘排放
的浓度降低到30mg/Nm3，远低于以前的200mg/Nm3[1]。

静电除尘器(ESP)在我国大中型火电厂的除尘方式中占主导地位，虽然ESP的除尘效率一般可达
99%[2]，但是其对PM10(粒径小于10μm的颗粒)的除尘效率并不高，如
PM2.5(粒径小于2.5μm的颗粒)的除尘效率约为90.6%[3]。

近年来对PM2.5的要求越发严格，迫使人们对电厂现有的ESP进行改造，使其满足要求。

影响ESP除尘效率的因素很多，其中含尘气体在ESP中的分布是一个重要影响因素。

国内外一些设计经常以增加电场数量、扩大集尘面积来调整气流分布的不足，这使得一次投资和运行成本增加，而且许多旧ESP不允许增加电场和扩大设备。

与此相比，对ESP进、出口加以改造调节气流分布可提高除尘效率。

近年来国外一些科学家提出了斜射流技术(Skewed Gas Flow Technology，SGFT)[4]，对电场入口处的流速采用上部高、下部低的方式，而出口与其相反，这样就形成了斜射流，有效地减少反流损失，提高除尘效率。

目前国内外对粉尘颗粒的水平运动研究较多，对其垂直方向上的运动研究还很少，SGFT技术就是与粉尘垂直运动相关的研究，斜射流对提高ESP除尘效率有重大意义，因此对SGFT的研究很有潜力。

以色列电气公司(IEC)MD-A电站的4台350MW的燃煤发电机组ESP上采用斜射流技术，使ESP排放物降低量约为50%～60%，其中PM10的颗粒通过率降低了46.3%，分析原因是由于二次扬尘逃逸的减少，从而证明SGFT是减少排放物的简便方法[5]。

胡满银等在ESP模拟试验台上，通过改变气流分布板的开孔率，测量气流分布，实验表明可以形成一定规律的斜气流[6]。

张霞等在均匀气流和斜气流状态下进行了粉尘沉降实验，实验表明斜气流可以明显改善粉尘在电除尘器中的沉降规律，有利于粉尘被收尘极捕集，提高除尘效率[7]。

笔者采用以Euler方法为基础的混合模型，运用商用Fluent软件对ESP内气固两相进行模拟，通过调节气流分布板的开孔率，形成斜射流，同时研究ESP本体结构对含尘气流的影响，为ESP的优化改造提供理论基础。

1.1 几何模型及网格划分
笔者的模拟对象为一台300MW机组的ESP(图1)，ESP中电场的几何尺寸为长
17 000mm，宽8 000mm，高14 500mm。

进出口烟道截面为
4800mm×3600mm，进出口与电场采用喇叭形的封头对接，在进口处放3块气流分布板，电场出口处放1块气流分布板。

气流分布板位置的确定方法如下：式中 Dp——进气烟道口的水力直径；
Dr——电场断面上的水力直径；
Hp——进气烟道出口到达第一块气流分布板的距离；
L——相邻两层气流分布板的距离。

笔者用Solidworks 2012对计算区域进行建模，建模过程中，对模型进行简化，没有考虑除尘器灰斗及振打装置等。

并用GAMBIT对其进行网格划分，采用了结构化/非结构化混合网格技术。

进出口烟道、壳体和喇叭中采用六面体网格，气流分布板区域的网格进行局部加密，网格数量为932 000个。

1.2 数学模型
1.2.1 控制方程
混合模型的连续性方程为：
式中——质量平均速度，=；
αk——第k相的体积分数；
ρm——混合密度
混合模型的动量方程为：
式中体积力；
n——相数；
——第二相的漂移速度，=-；
μm——混合粘性
1.2.2 气流分布板处理
气流分布板是多孔板，想要精确计算，网格划分就会很密，增加计算量。

受计算机硬件的限制，需要用多孔介质模型模拟气流分布板。

多孔介质模型的阻力公式为：式中 C2——压力跳跃系数；
Δm——气流分布板厚度；
α——多孔介质渗透率；
μv——粘性系数。

1.3 计算方法及边界条件
通用控制方程离散运用有限体积法，压力-速度耦合则采用SIMPLE算法，并采用
壁面函数法处理近壁区的流动，假定壁面处无滑移。

湍流模型采用标准的k-ε模型。

进口边界条件为速度入口边界条件，速度为12m/s；出口边界条件为压力出口边
界条件；气流分布板采用多孔介质，简化为多孔跳跃边界条件。

2.1 气流分布板最佳开孔率下模拟结果分析
根据SGFT理论，通过在电场进出口使用不同开孔率的气流分布板形成斜射流。

入口气流分布板下部开孔比上部多，出口处的气流分布板的开孔正好相反，但在第三块气流分布板最下面的区域采用小开孔率，迫使气流在此处向上走，使进入电场的气流有倾斜的趋势。

笔者的具体方法是将气流分布板分成如图2所示的小单元，
经过多次的模拟比较和分析，得出了形成斜射流的最佳的气流分布板开孔率。

如图3所示，第一块气流分布板的速度分布
相对均匀，因为其开孔率是均匀的，但受到第二块板的影响，出现了阶梯分布，且下方速度大，上方速度小；由于第二块气流分布板开孔率由上向下逐渐增大，使得其阻力呈现出上大下小的分布格局，气流通过第二块板时，大量流向下部，这也因此使得第一块气流分布板会呈阶梯状；当气流流向第三块板时，由于最下部的开孔率最小，迫使气流向上流，进入电场时有一个斜向上的速度分量，且因为开孔率的原因，出口气流分布板上部的阻力小，下部的阻力大，这样一来，大量气流从上面
流出，这样就在电场中形成了气流的斜向分布。

流场的计算结果如图4所示。

从
图4可以清楚地看出气流分布板的速度分布和电场中气流的斜向分布。

依据SGFT可以把电场分为A、B、C、D 4个区域(图5)。

如图5所示，A为低速流区域，因为这一区域到电除尘灰斗的距离长，粉尘颗粒沉降到灰斗的时间长，使其向后飘落的距离远，所以A区的低速气流可以缩短粉尘颗粒向后飘逸的距离，
有助于此区域的粉尘颗粒落进入灰斗被收集；C区域为ESP进口的底部，区域内
的粉尘颗粒与灰斗的落差小，并且此区域的粉尘多为凝并成团的颗粒，质量较重，因此遇到较强的水平气流，也不会向后飘逸太远，对粉尘颗粒的收集不会产生过大的影响；D区域为ESP出口的底部，粉尘颗粒经过第一、二电场的收集，进入此
区域的粉尘颗粒的粒径较小，所带电荷较小，不易被电集尘板收集，减少D区域
的气流流速可以增加粉尘颗粒在电场中的运动时间，有助于粉尘颗粒的收集；B区域为末级电场的上部，此处的粉尘颗粒与灰斗的落差大，即便是低速气流，也很难使粉尘颗粒落入灰斗，而且D区域与B区域相比粉尘含量较大，重点是收集D区域的粉尘颗粒，并且低速气流可以有效地少二次扬尘，使漏尘减少，提高除尘效果，所以应降低D区域的流速，相应提高B区域的流速[8]。

2.2 斜射流下ESP中PM2.5体积分数模拟分析
在电场中截出x=15m，x=20m，x=25m，x=30m 4个横截面(图6)来分析粉尘
中PM2.5体积分数的变化情况。

图7表示4个横截面上的粉尘颗粒PM2.5的体积分数，沿除尘器的高度方向
PM2.5的体积分数逐渐变小，电除尘器下方(靠近灰斗的区域)的颗粒体积分数大于其上方的颗粒体积分数。

这符合电除尘器中粉尘颗粒的沉降规律，颗粒因重力场的作用在竖直方向上沉降，使得下方的粉尘颗粒浓度大于上方的粉尘颗粒浓度，即下方的颗粒体积分数大于上方的。

3个横截面x=15m、x=20m、x=25m上的体积
分数逐渐增大，是因为PM2.5的质量小，沉降时间长，使得水平漂移的距离长，
所以ESP后方电场中的PM2.5的体积分数大于前方电场中PM2.5的体积分数。

由于横截面x=30m所在位置是第三电场的末端，此处有顺时针的涡流，把
PM2.5向前电场卷吸，在电场出口处的体积分数会下降，所以此处PM2.5的体积分数要低于前3个截面。

图8分别为斜射流与均匀气流4个截面上的PM2.5的体积分数。

从图8a～c可以看出，在ESP的下部，斜射流中的PM2.5体积分数比均匀气流中的PM2.5体积
分数高，这是因为斜射流中A区域的气流流速低于均匀气流的相应位置，使
PM2.5向后漂移的距离短，有利于PM2.5竖直向的沉降，ESP上部斜射流中的PM2.5体积分数比均匀气流中的PM2.5体积分数低，说明均匀气流时，会有较多的PM2.5向后电场漂移，使得每一电场中底部的沉降量减少，从而影响除尘效果，图8d也可以说明这一点，因为图8d所表示的是x=30m处的截面，此为电场出
口处截面，从图8d中可以看出均匀气流的PM2.5的体积分数大于斜射流中
PM2.5的体积分数，这说明均匀气流中会有更多的PM2.5随气流逃离电场，影响除尘效果。

3.1 在烟道与电场入口处安装3块气流分布板，电场出口处安装1块气流分布板，4块板采用不同的开孔率可形成较好的斜射流。

3.2 斜射流相对于均匀气流增加PM2.5在电场的运动时间，有助于对颗粒的吸收，斜射流可以更充分地利用集尘板的面积，从而提高了ESP对PM2.5的收集效率。

【相关文献】
[1] 王励前，张德轩.火电厂的烟尘治理和排放标准[C].第十届全国电除尘/第二届脱硫学术会议论文集.广州：中国环境保护产业协会电除尘委员会，2003：78～92.
[2] 郝吉明，马广大. 大气污染控制工程[M].北京：高等教育出版社，2002：178～199.
[3] 刘建忠，范海燕，周俊虎，等.煤粉炉PM10/PM2.5排放规律的试验研究[J].中国电机工程学报，2003，23(1)：145～149.
[4] 李雪梅.电除尘器内部气流分布特性的数值研究[D]. 吉林：东北电力大学，2009.
[5] 郭辉.气流分布与粉尘沉降规律的试验研究[D]. 西安：西安理工大学，2006.
[6] 胡满银，赵俊起，韩祥，等.电除尘器斜气流分布的实验研究[J].华北电力技术，2005，(1)：11～13.
[7] 张霞，宋丽娜，范启娟，等.电除尘器斜气流状态下粉尘沉降试验研究[J].电力科技与环保，2010，26(1)：28～31.
[8] 张德轩，贺国燕，孔春林.新环保要求下火电厂除尘设备的选型[C].第十一届全国电除尘学术会议论文集.郑州：中国环境保护产业协会电除尘委员会，2005：128～138.。