電袋復(fù)合除塵器出氣煙箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

潘云梅

摘 要：電袋復(fù)合除塵器因其具有出口粉塵濃度不受煤種、飛灰成分變化影響，出口粉塵濃度低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于燃煤電廠(chǎng)煙塵的治理。電袋復(fù)合除塵器的阻力是其重要的性能參數(shù)之一，它不僅取決于濾袋單元的阻力，內(nèi)外部結(jié)構(gòu)件的阻力也是其重要組成部分。文章采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)某燃煤電廠(chǎng)660MW機(jī)組配套電袋復(fù)合除塵器出氣煙箱的幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究分析，并選取其中的最優(yōu)方案，使其氣流分布更加均勻同時(shí)減小系統(tǒng)阻力。

關(guān)鍵詞：電袋復(fù)合除塵器；出氣煙箱；CFD；系統(tǒng)阻力

中圖分類(lèi)號(hào)：X701.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）12-0106-03

Abstract： The electrostatic fabric integrated precipitator （EFIP） has been widely used in the treatment of smoke dust in coal-fired power plant because of its advantages such as no influence of coal types and coal ash ingredient change， low dust concentration in outlet dust， etc. The resistance of EFIP is one of the important performance parameters. It not only depends on the resistance of filter bag units， but also on the resistance of internal and external structures. In this paper， the CFD numerical simulation technology is adopted to study and analyze several design schemes of the exhaust smoke box of the 660MW unit of a coal-fired power plant， and the optimization scheme is selected， so that the airflow distribution is more uniform and the system resistance is reduced.

Keywords： electrostatic fabric integrated precipitator （EFIP）； exhaust smoke box； CFD； system resistance

引言

燃煤電廠(chǎng)作為我國(guó)大氣污染物的排放大戶(hù)，對(duì)我國(guó)造成了巨大的環(huán)境壓力。為較大限度地降低大氣污染物排放水平，減輕污染物排放對(duì)大氣環(huán)境的不利影響。隨著環(huán)保部、質(zhì)檢總局于2011年聯(lián)合發(fā)布了被稱(chēng)為“史上最嚴(yán)”的《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011），電袋復(fù)合除塵器因其具有出口粉塵濃度不受煤、飛灰成分變化影響，出口粉塵濃度低等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)的燃煤電廠(chǎng)迅速得到大量推廣。隨著國(guó)家發(fā)改委等三部委聯(lián)合發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》（發(fā)改能源[2014]2093號(hào)），以及地方“超低排放”政策要求的相繼頒布，電力行業(yè)積極開(kāi)展適應(yīng)超低排放的發(fā)展戰(zhàn)略研究和環(huán)保科研攻關(guān)，開(kāi)始研發(fā)并采用超凈電袋復(fù)合除塵器對(duì)煙塵進(jìn)行治理，確保煙塵的超低排放[1-2]。

電袋復(fù)合除塵器充分吸收“荷電收塵”和“攔截過(guò)濾”機(jī)理的優(yōu)點(diǎn)，電區(qū)收集80%以上的大部分粉塵和粗顆粒粉塵，大大降低了濾袋區(qū)的濃度負(fù)荷和粉塵顆粒對(duì)濾袋的磨損。同時(shí)兩者的結(jié)合產(chǎn)生了新的荷電粉塵過(guò)濾特性機(jī)理：異性電荷細(xì)顆粒電凝并形成大顆粒粉塵，提高細(xì)微顆粒捕集率；同極電荷相互排斥，迅速擴(kuò)散，形成均勻分布的氣溶膠懸浮狀態(tài)，使到達(dá)濾袋表面的粉塵排列規(guī)則有序、蓬松，剝落性好，粉塵層孔隙率高，透氣性好。荷電粉塵過(guò)濾特性使得袋區(qū)清灰容易，清灰周期長(zhǎng)、阻力低[3]。

研究表明，電袋復(fù)合除塵器的氣流分布和阻力特性是影響其除塵性能的關(guān)鍵因素之一，阻力的大小會(huì)影響除塵器的電耗；在相同工況條件下，阻力越小，電耗越低。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)某燃煤電廠(chǎng)660MW機(jī)組配套電袋復(fù)合除塵器出氣煙箱的幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究分析，并選取其中的最優(yōu)方案，為電袋復(fù)合除塵器出氣煙箱的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，且有利于降低電廠(chǎng)環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行成本。

1 電袋復(fù)合除塵器結(jié)構(gòu)

電袋復(fù)合除塵器主要由兩大部分組成，一部分是電袋復(fù)合除塵器本體，另一部分是電袋復(fù)合除塵器電控設(shè)備。本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作時(shí)，高速含塵煙氣從進(jìn)口煙道進(jìn)入除塵器，經(jīng)進(jìn)氣煙箱擴(kuò)散、緩沖、整流，水平、均勻進(jìn)入電場(chǎng)區(qū)。在電場(chǎng)區(qū)，大部分粉塵和粗顆粒粉塵在高壓靜電作用下被捕集，小部分荷電的細(xì)顆粒粉塵隨氣流進(jìn)入濾袋區(qū)被濾袋過(guò)濾凈化，凈煙氣從濾袋口流出，經(jīng)凈氣室進(jìn)入出氣煙箱，最后進(jìn)入出口煙道。氣流在凈氣室和出氣煙箱內(nèi)部改變走向，由垂直氣流變成水平氣流，電袋復(fù)合除塵器的凈氣室和出氣煙箱相當(dāng)于煙風(fēng)道的彎頭[4]。

2 電袋復(fù)合除塵器出氣煙箱的設(shè)計(jì)方案

對(duì)電袋復(fù)合除塵器出氣煙箱的設(shè)計(jì)，首先考慮減小出氣煙箱的阻力；其次考慮減小出口煙道內(nèi)部的煙氣最大流速，以減輕對(duì)壁板、管撐等的沖刷，延長(zhǎng)壽命；最后考慮出氣煙箱與出口煙道連接處截面上的速度分布均勻性，由于有些項(xiàng)目的業(yè)主會(huì)要求在除塵器進(jìn)、出口煙道上設(shè)置擋板門(mén)，以實(shí)現(xiàn)除塵器的在線(xiàn)檢修功能，擋板門(mén)一般安裝在靠近進(jìn)、出口煙道與除塵器的接口處，擋板門(mén)上的煙氣速度分布均勻性將直接影響其使用性能和壽命。

某燃煤電廠(chǎng)660MW機(jī)組配套電袋復(fù)合除塵器有四個(gè)進(jìn)口煙道、四個(gè)出口煙道，分別兩兩對(duì)稱(chēng)布置，除塵器為雙室雙列結(jié)構(gòu)，凈氣室為直通式結(jié)構(gòu)；除塵器出氣煙箱與出口煙道的接口尺寸為4500mm×4500mm，煙箱寬度方向?yàn)槭湛s式，煙箱高度方向?yàn)閿U(kuò)散式，出氣煙箱是異形件；為保證出氣煙箱與出口煙道連接處截面上的速度分布均勻性，并減小出氣煙箱的阻力，根據(jù)有限的布置條件，對(duì)出氣煙箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇最佳形狀。

結(jié)合以往工程實(shí)例及CFD模擬經(jīng)驗(yàn)，提出了除塵器出氣煙箱的幾種設(shè)計(jì)方案，方案一的出氣煙箱型式為上平下階梯式結(jié)構(gòu)；方案二的出氣煙箱型式為上平下漸擴(kuò)式結(jié)構(gòu)，出氣煙箱底板從凈氣室的花板梁下端面接出；方案三的出氣煙箱型式為上平下漸擴(kuò)式結(jié)構(gòu)，出氣煙箱底板從凈氣室的花板梁上端面接出；方案四的出氣煙箱型式為上漸擴(kuò)下平式，出氣煙箱底板從凈氣室的花板梁上端面接出。以往工程實(shí)例中較為常見(jiàn)的是方案一和方案二，部分項(xiàng)目工程實(shí)踐反饋，出氣煙箱與出口煙道連接處截面上的速度分布存在不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致局部阻力偏大；為改善此情況，本項(xiàng)目另外又提出了方案三和方案四，進(jìn)行分析對(duì)比。

3 電袋復(fù)合除塵器的CFD模擬分析

3.1 幾何模型

在電袋復(fù)合除塵器的CFD數(shù)值模擬中，首先需建立除塵器本體的幾何模型。模擬計(jì)算電袋復(fù)合除塵器內(nèi)氣流流場(chǎng)時(shí)，按照實(shí)際除塵器結(jié)構(gòu)全尺寸建立幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化：（1）將電場(chǎng)入口設(shè)為計(jì)算邊界條件；（2）不對(duì)除塵器內(nèi)部的管撐、板筋、梁等部件進(jìn)行建模[5-7] 。

3.2 CFD模擬結(jié)果與分析

3.2.1 整體流場(chǎng)分析

CFD數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，方案一的除塵器出口煙道局部流速過(guò)快，最大流速達(dá)到23.1m/s；方案二的出口煙道局部最大流速減小，為21.2m/s；方案三的速度分布情況與方案二基本相似，出口煙道局部最大流速為21.1m/s；方案四的除塵器出口煙道局部最大流速最小，為19.5m/s。

3.2.2 出氣煙箱阻力與速度均勻性

表1為各設(shè)計(jì)方案出氣煙箱阻力與速度均勻性對(duì)照表，從表1可以看出，方案一的出氣煙箱阻力為92Pa；方案二和方案三的出氣煙箱阻力降低，但效果不明顯；方案四的出氣煙箱阻力降低并且為大幅度降低，與方案一相比降幅為25Pa。方案一的出口煙道截面速度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.323；方案二和方案三的出口煙道截面速度標(biāo)準(zhǔn)偏差降低，但效果不明顯；方案四的出口煙道截面速度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.287。

出氣煙箱各設(shè)計(jì)方案中流場(chǎng)的優(yōu)劣排序：方案四>方案三>方案二>方案一。

4 除塵器阻力電耗的對(duì)比

4.1 除塵器阻力電耗的計(jì)算方法

除塵器阻力電耗按式（1）計(jì)算[8]。

式中：Wr-除塵器阻力電耗，單位為千瓦時(shí)每小時(shí)（kW.h/h）；Q-除塵器單位時(shí)間處理的工況煙氣量，單位為立方米每小時(shí)（m3/h）；△P-除塵器壓力降（阻力），單位為帕斯卡（Pa）；0.85-風(fēng)機(jī)效率。

4.2 出氣煙箱優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)除塵器電耗的影響

案例項(xiàng)目一臺(tái)機(jī)組配套的電袋復(fù)合除塵器處理煙氣量約為400×104m3/h，阻力每增加100Pa其增加的電耗為130.7kW。

假設(shè)案例項(xiàng)目機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為6000小時(shí)，除塵器阻力每增加100Pa其增加的電耗為78.42萬(wàn)度電/年。

方案二和方案一對(duì)比，案例項(xiàng)目一臺(tái)機(jī)組配套的電袋復(fù)合除塵器每年可降低電耗約為11萬(wàn)度電。

方案四和方案一對(duì)比，案例項(xiàng)目一臺(tái)機(jī)組配套的電袋復(fù)合除塵器每年可降低電耗約為19.6萬(wàn)度電。

5 結(jié)束語(yǔ)

電袋復(fù)合除塵器的阻力是其重要的性能參數(shù)之一，阻力的大小會(huì)影響除塵器的電耗。凈氣室和出氣煙箱相當(dāng)于煙風(fēng)道的彎頭，同時(shí)出氣煙箱還是異形件，出氣煙箱的阻力是除塵器的重要組成部分之一。案例項(xiàng)目結(jié)合以往工程實(shí)例及CFD模擬經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電袋復(fù)合除塵器的出氣煙箱提出了幾種設(shè)計(jì)方案，并采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，最終采用了其中阻力最小且氣流分布較為均勻的方案四，降低了電袋復(fù)合除塵器的電耗。

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