電除塵器進口封頭內設置凝聚器對流場的影響

2014-04-13 00:22:00酈建國劉含笑姚宇平袁偉鋒余順利

電力與能源 2014年3期

酈建國，劉含笑，姚宇平，袁偉鋒，郭峰，余順利

（浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 311800）

0 引言

燃煤電廠產生的細顆粒物（PM2.5）約占全社會總量10%［1］，是大氣細顆粒物重要排放源之一，且燃煤產生的細顆粒物通常富集As、Se、Pb、Cr等重金屬及多環芳香烴（PAHs）、揮發性有機物（VOCs）等污染物，危害極大。加強火電行業細顆粒物排放控制技術的研究至關重要［2］。

凝聚器一般安裝于電除塵器進口煙道內，對進入電除塵器前的粉塵進行分列荷電處理，并通過擾流裝置的擾流作用，使帶異性電荷的不同粒徑粉塵產生速度或方向差異而有效凝聚，形成大顆粒后被電除塵器有效收集，提高電除塵器PM2.5脫除效率。國外公司從1999年就開始研究該技術，至今已有10余套裝置的應用業績，設備運行良好，效果顯著。國內相關單位自2008年開始研發，已在300 MW機組、135 MW機組上得到了應用，第三方測試機構對300 MW機組應用工程的測試結果表明，電除塵器出口PM2.5的下降率超過30%，總煙塵質量濃度的下降率超過20%［3－5］。

凝聚器結構簡單，提效程度明顯，且改造方便，具有很好的應用前景，將其設置在電除塵器前置煙道上時，直煙道直段長度需大于5 m，這就限制了其在某些場合的應用。本文探討一種將凝聚器布置在電除塵器進口封頭內的方法，對其氣流分布特性及湍流強度進行分析，旨在為工程設計提供技術參考，擴大凝聚器的應用范圍。

1 氣流分布

氣流分布是影響電除塵器除塵效率的主要因素之一。通過計算流體動力學（CFD）的方法，進行氣流分布模擬試驗，研究將凝聚器布置在電除塵器進口封頭內時，對其氣流分布的影響。

1.1 幾何模型及網格劃分

參照某135 MW機組布置方式，將凝聚器布置在第一、二層分布板之間［6］，并探討4種不同方案時氣流分布狀況，如圖1所示。

圖1 幾何模型

方案A：電除塵器原始方案；方案B：第一、二層分布板間增設凝聚器（或稱為電凝聚器、雙極荷電裝置或微顆粒捕集增效裝置）；方案C：在方案B的基礎上去掉第二層分布板前4個直條；方案D：在方案B的基礎上將第二、三層分布板下端割掉0.5 m。

網格劃分如圖2所示。把幾何模型劃分成許多個子區域，所有區域均采用六面體結構化網格進行劃分，網格總數約為140萬個。進口封頭內氣流分布板設為多孔介質區域，并進行密封處理。

1.2 邊界條件

圖2 網格劃分

設進口封頭內速度為12.3 m／s，出口靜壓為－2 k Pa，進口氣流分布板采用多孔介質模型；進口喇叭處的導流片、陽極板及灰斗擋風板等，均采用固體壁面邊界條件；空氣密度設為0.901 kg／m3（對應工況溫度、壓力條件下空氣密度），計算采用非耦合求解器、湍流模型為k（湍動能）-ε（耗散率）兩方程模型、應用標準壁面函數、壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法、對流項差分格式采用二階迎風格式。計算過程中可檢查變量的殘差變化，監視計算的收斂性，當收斂精度達到10－4及監測斷面的速度、壓力等參數變化很小時，計算完成。

1.3 氣流分布要求

根據電除塵器氣流分布模擬試驗標準，要求電場入口截面相對均方根差σr≤0.25［7］。

式中：vi為各測點風速；v為截面平均風速；n為測點數。

1.4 計算結果及分析

計算不同方案時的第一電場入口速度分布，分別取y＝0截面進口封頭處速度云圖如圖3所示，第一電場入口截面速度云圖如圖4所示，y＝0截面速度云圖如圖5所示，第一電場入口截面速度云圖如圖6所示。

圖5 y＝0截面速度云圖

由圖5可以看出，電除塵器進口封頭內具有明顯的速度梯度，經導流板導流后，氣流被分割打散，并局部改變氣流方向，使氣流均勻性增強。觀察方案D速度云圖，由于第二、三層分布板下端割掉0.5 m，因此下端煙氣流速較高。由圖5可知，電除塵器第一電場入口截面速度分布大部分集中在0.5～1.5 m／s范圍內，低流速區域主要集中在截面下端，這是因為分布板下端一般留有一定空隙，下端氣流大量從縫隙流過，且受分布板最下端導流板的遮擋，因此第一電場入口有效收塵截面的下端一般為低流速區域。由于煤灰顆粒受重力影響，進入電除塵器內時一般下端煤灰濃度較高，上端濃度低，因此下端流速較低對收塵有利［8］。

圖6 第一電場入口截面速度云圖

將凝聚器布置到進口封頭內，可使煤灰顆粒帶上異極性電荷后有效凝聚，但由于封頭內流速較低，帶電煤灰顆粒容易沉積在接地的氣流分布板上，此時需要采取必要的清灰措施，且為了保證封頭下端卸灰順暢，將第二、三層分布板下端割掉0.5m（方案D），觀察此時第一電場入口截面速度云圖，該有效收塵截面下端存在一個高流速區域，此處高流速對封頭下端卸灰有利，但會使有效收塵截面的氣流均勻性降低。

計算不同方案第一電場入口有效收塵截面速度的相對均方差σr，方案A的σr為0.154；方案B的σr為0.165；方案C的σr為0.168；方案D的σr為0.20。

進口封頭內設置凝聚器后氣流均勻性有所降低，但仍滿足標準要求（σr為0.25），為保證卸灰順暢，將第二、三層分布板下端割掉0.5 m（方案D），此時第一電場入口有效收塵截面速度的σr為0.2，仍滿足標準要求。

為了進一步保證卸灰順暢，在方案D的基礎上去掉第三層分布板最下端的導流板，計算此時第一電場入口截面速度分布如圖7所示，此時截面下端高流速區域流速變得更高，而低流速區域速度變得更低，均勻性進一步降低。經計算，此時第一電場入口有效收塵截面速度的σr為0.32，已經超出標準值（σr為0.25）要求。

圖7 第一電場入口截面速度云圖及局部放大圖

2 顆粒運動軌跡及湍流強度計算

正、負荷電顆粒能否有效凝聚，取決于在其流動區域內是否有足夠的湍流強度使其產生足夠的速度或方向差異［9－11］，因此對進口封頭內顆粒運動軌跡及湍流強度進行了測試。

2.1 幾何模型及數學模型

為簡化計算，僅取入口煙道擾流柱和進口封頭為研究對象，三層氣流分布板圓孔均實體建模，如圖8所示。

圖8 幾何模型

k－ε兩方程模型模擬流場參數，離散相模型（DPM）模擬顆粒運動軌跡，考慮重量作用，連續相對顆粒作用采用Discrete Random Walk模型，煤灰顆粒真密度值取平均值2 100 kg／m3計算，壁面邊界處理為彈射。

2.2 計算結果及分析

各截面湍流強度與顆粒運動軌跡偏移關系如圖9所示。

圖9 湍流強度與顆粒運動軌跡關系

封頭內顆粒運動軌跡如圖10所示。

湍流強度為湍流脈動速度與平均速度的比值。第一層分布板所產生湍流強度值最大，其最大值與煙道內擾流柱所產生的湍流強度值相當（參見圖9中上面兩條曲線）；第二、三層分布板產生湍流強度值較小。觀察進口封頭內顆粒運動軌跡，發現不同粒徑顆粒經過分布板后，軌跡發生明顯偏移，且第一層分布板處顆粒偏移幅度較大。因此，若將荷電裝置設在第一層分布板之前，會使荷電顆粒有更多的碰撞凝聚的概率，但此時積灰的風險可能會更大。