電除塵器斜氣流的氣—固兩相流數值模擬試驗研究

摘 要：電除塵器振打清灰過程中產生的粉塵二次飛揚損失，是導致其運行性能下降的主要因素之一，二次飛揚損失的大小與電場內部氣流流動狀態有關。采用氣固兩相流的數值模擬方法，對電除塵器內部氣流流動和粉塵濃度分布狀態進行研究，以出口排放濃度最低為目的，對除塵器內部氣流組織進行優化。模擬得出最佳出口排放濃度較低的較佳斜氣流流型，研究其對微細粒子捕集效率提高的能力。

關鍵詞：電除塵器；CFD；斜氣流；氣-固兩相流；數值模擬

中圖分類號：X701.2 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）12-0068-01

1 引 言

電除塵器具有除塵效率高、設備阻力小、運行穩定可靠、處理煙氣量大及能處理高溫煙氣等優點，在工業煙塵中占有重要地位，是燃煤電廠主要的除塵設備之一，隨著2012年起實施的《火電廠大氣污染物排放標準》提出，對電除塵器提出了更高的要求[1]。

電除塵器的工作原理包括氣體電離、懸浮粒子荷電、荷電粒子在電場中的沉降和捕集粒子的清除四個過程。振打清灰過程中產生的粉塵二次飛揚損失，是導致除塵器運行性能下降的主要原因之一，二次飛揚損失的大小與電廠內部氣流流動狀態有關。電場內粉塵顆粒的運動對粒子荷電，粒子沉降和二次揚塵也有著重要影響。因此對電除塵器內氣固兩相流進行數值模擬試驗研究，更直接地反映流場調節對電除塵器除塵效率的影響，通過改善電場內氣流分布來提高除塵效率、降低粉塵排放濃度，為電除塵器的設計和改造提供依據。

2 斜氣流技術

2.1 斜氣流技術機理

長期以來的觀點一直認為，如果電除塵器電場內部氣流分布均勻，其運行效果就可以達到最佳。這種觀點主要是以數學分析為理論依據，即假設沿粉塵沉降方向橫截面上各點的粉塵濃度值是一個恒定不變的常數，也可以說粉塵在沉降方向上的濃度分布是均勻的，如圖1所示，但實際情況并非如此，電場中粉塵的沉降會受到重力、電場力、二次揚塵以及氣流慣性等因素的影響，因此，實際測出的結果發現，粉塵濃度呈現出不均勻分布現象，如圖2所示的顆粒濃度分布狀態，即粉塵濃度頂部比底部小，電場內后面濃度高于前面顆粒濃度的分布狀態。因此，當氣流以標準的均勻流速分布時，可能會出現電場內某些區域利用率低，而有些區域處于過載狀態，所以，氣流采用均勻分布未必是完全可取的。

2.2 較佳斜氣流流型的提出

眾所周知，氣流分布對電除塵器除塵效率的影響是舉足輕重的，我們通常認為電除塵器能達到最佳運行效果即除塵效率最高的必要條件之一是使得電場內部各個斷面的氣流速度分布均勻。這個觀點的提出是基于多依奇的橫向混合模型，該模型的假設條件是：粉塵在通過電場時得到了完全混合，電除塵器沿氣流流方向的任一橫截面上，粉塵濃度保持均勻分布，進入電除塵器的粉塵粒子立即荷電，且忽略了二次揚塵等影響因素。事實上這種理想的模型只有在沒有返流損失和旁路等不利因素的高湍流區才能近似滿足。而在實際運行的電除塵器內，返流損失和旁路的影響是不容忽視的，再加上湍流擴散有限性的作用，電除塵器各電場斷面的粉塵濃度是分布不均勻的。

本文通過不斷改變氣流分布板的局部開孔率，對同一條件下的粉塵進行氣-固兩相流的數值模擬研究，最終得出第一電場入口斷面速度分布從上到下不斷增大，末端電場出口斷面從上到下不斷減小，在電場區域平滑過渡，且排放濃度較低的接近理想的斜氣流流型。滿足上述條件的斜氣流流型即為本文所確定的較佳斜氣流流型。

3 斜氣流的數值模擬

3.1 幾何模型及網格劃分

論文采用Fluent軟件的前處理軟件Gambit，按照1：1的比例建立電除塵器幾何模型，數值模擬試驗區域包括進口管道、進口喇叭、電除塵器本體（包括電場區域和灰斗）、出口喇叭以及出口管道，建立電除塵器幾何模型圖。

3.2 計算模型和邊界條件

計算模型選用標準k-ε方程模型，控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程、湍動能k方程及耗散率ε方程。模擬電除塵器內氣流流動狀態時，連續相邊界條件設定速度進口邊界條件，壓力出口邊界條件，氣流分布板采用多孔介質邊界條件；導流板、導流片、灰斗擋風板以及電除塵器殼體設置為墻；離散相邊界條件設定進口、出口、氣流分布板均為逃逸，極板和灰斗為捕集。

3.3 模擬結果與討論

沿氣流流動方向第一層氣流分布板的開孔率設置為60%，首先使氣流均勻的進入電場區域，然后要使氣流傾斜向上流動，將第二層氣流分布板分為均等的四小塊，設置不同的開孔率，由上至下逐漸增大，第三層氣流分布板分成均等的六小塊，開孔率由上至下逐漸增大，由于在底部區域要給氣流一個迫使其向上運動的力，所以底部的小塊氣流分布板的開孔率應設置小一些。但是如果最底部的氣流分布板開孔率突然減小，即阻力系數突然增大，會來不及緩沖，故底部倒數第二塊氣流分布板的開孔率就應該適當減小，底部第一塊的開孔率最小。出口氣流分布板分為三小塊，開孔率由上至下逐漸減小，頂部分布板的開孔率大一些也可以引導氣流向上傾斜流動。

4 結 論

通過對斜氣流進行兩相流的數值模擬，得到出口排放濃度較低的斜氣流流型，模擬試驗分析了斜氣流對不同粒徑粒子捕集效率的影響，結果表明斜氣流在一定程度上能提高對粒子的捕集效率，對10μm以上粒子捕集效率提高的幅度較明顯，而10μm以下的微細粒子捕集效率的提高是有限的。

參考文獻

[1]張建宇，潘 荔，楊 帆，劉 嘉.中國燃煤電廠大氣污染物控制現狀分析[J].環境工程技術學報，2011，1（3）：185～196.

[2]張德軒，賀國燕，孔春林.新環保要求下火電廠除塵設備的選型[C].第11屆全國電除塵學術會議論文集，2005：102～112.

[3]胡滿銀，趙俊起，韓 祥，等.電除塵器斜氣流分布的實驗研究.華北電力技術，2005（1）：11～12.

收稿日期：2018-3-25