電除塵器流場、顆粒場及電場的數值模擬研究

李文華，白亮，虞上長

（1.浙江浙能溫州發電有限公司，浙江省 樂清市 325602；2.昊姆(上海)節能科技有限公司，上海市 長寧區 200335）

0 引言

電除塵器(electrostatic precipitator，ESP)是目前工業應用領域(如電力、冶金、建材、化工等)的主流除塵設備之一，其可在范圍很寬的溫度、壓力和煙塵濃度條件下運行，尤其在燃煤電廠領域市場占有率約為70%[1-5]。電除塵器通過高壓電場放電，使含塵煙氣中的顆粒物荷電，在電場力作用下被陽極板吸附收集，并通過振打等方式進行清除脫落，從而實現整個除塵的過程。隨著工業煙氣污染物排放標準、政策等的陸續頒布實施，對于電除塵器的性能及其穩定性也提出了更高的要求。傳統電除塵器的除塵效率一般在99.20%～99.85%，阻力一般不超過250 Pa，當采用低低溫電除塵技術，即在電除塵器前增設煙氣冷卻器，將煙氣溫度降至硫酸露點以下時，電除塵效率可達99.9%，甚至更高。

一般而言，電除塵器的性能(主要是除塵效率、壓力降和漏風率三大性能)要求越高，其流場、顆粒場及電場等多場參數對電除塵器的性能影響越顯著。行業標準《電除塵器氣流分布模擬試驗方法》(JB/T 7671—2007)對電除塵器的流場要求給出了明確指標規定，即電除塵器各進口封頭(室)的流量與理想平均分配的流量相差不應超過±5%，進口截面的煙氣流速相對均方根差不應超過0.2，但沒有對顆粒物的運行情況、顆粒相質量流量、電場變化情況等給出規定。采用商業計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)軟件進行多場協同、多相耦合的數值模擬已成為現實。李德波等[6]基于計算顆粒流體動力學數值模擬方法，開展了循環流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐數值模擬研究，并與現場試驗結果進行比對，驗證了數值模擬方法和計算結果的有效性；郭瀅等[7]通過數值模擬的手段，研究了電凝聚器與電除塵器耦合使用時對流場的影響，保證了電除塵器對細顆粒物及總塵的吸收效果；盧權等[8]針對某電廠2號機組矩形尾部煙道電除塵器出口至引風機入口段阻力過大的問題，采用CFD軟件對該段煙道流場進行了數值模擬，將模擬結果與理論計算結果進行對比，驗證了研究方法的合理性，基于此，得到了優化的煙道結構方案；李立鋒等[9]采用FLUENT軟件對濕式電除塵器進行了模擬分析，確定了最佳流場分布方案；郭寶玉等[10]基于FLUENT軟件，對電除塵器的放電特性及荷電后顆粒的運動情況進行了模擬仿真分析，為工程設計提供了參考；葉興聯[11]采用CFD軟件，并結合工程實際應用，從流量、氣流均布、設備本體阻力、極配型式、絕緣系統熱風吹掃設計等方面對電除塵器流場設計進行闡述和對比分析，指導了電除塵器設計；周棟梁等[12]研究了細顆粒物在電場、流場耦合作用下的遷移、捕獲機理。

本文基于CFD軟件FLUENT，對電除塵器內流場、電場及顆粒相運動情況進行數值模擬，旨在為工程設計、運行及維護等提供借鑒。

1 電除塵器幾何模型

在電除塵器前設置煙氣冷卻器，將煙氣溫度降至酸露點以下，可大幅提高電除塵器的除塵效率，但對氣流均布也會造成一定影響。本文基于某1 000 MW機組電除塵器，采用全尺寸建模，即從空氣預熱器出口開始(此時假設入口為均勻流速)，包括總煙道的煙氣冷卻器、入口分煙道、3室5電場電除塵器(含灰斗)、出口分煙道、出口總煙道。為了簡化軟件計算的復雜度，省略了電除塵器內極線，并將陽極板簡化成平面的直板，對電除塵器整個系統的三維模型進行網格劃分(均為結構化網格)，如圖1所示，網格數量約865萬，網格質量驗證結果均為優。并進一步對進出口煙道和電除塵器本體區域網格進行加密，分別加密至網格數量為1 150萬、1 520萬，在定常工況下計算各煙道的流量值，前后計算值偏差僅約2%，考慮計算的時間復雜度，最終采用865萬網格數量的模型進行各類數據計算。

圖1 電除塵器三維幾何模型及網格劃分Fig. 1 3D geometric model and grid division of ESP

2 流場特性

采用k-ε模型模擬電除塵器內氣體連續相的湍流流場，采用電磁流體(magneto hydro dynamics，MHD)模型計算電除塵器內電場分布。對于CFD軟件而言，內置求解方程均可寫成以下的通用形式：

式中：S為源項，左邊第1項是非穩態項，第2項是對流和擴散項；ρ為連續相的密度；ui為連續相流速；φ為表征輸運數量的變量，不同輸運方程對應不同的取值和散系數Γ。動量方程及電磁流體力學方程等具體參數可參見文獻[10-11]。

鑒于電除塵器及前后煙道內飛灰顆粒物體積濃度均不超過20%，可采用離散相模型(discrete phase model，DPM)模擬顆粒運動軌跡，對顆粒物的主要受力情況進行分析，顆粒運動軌跡計算方程如下：

式中：up為顆粒相的流動速度；Fs是Saffman力；Fd是因連續相作用而引起的黏性阻力；Fg是顆粒重力。

模型進口為速度入口，煙氣流速設置為均勻流速6.1 m/s；模型出口為壓力出口，壓力設置為-2 000 Pa，出口的顆粒相處理邊界條件設置為逃逸；氣流分布板簡化為多孔介質模型，煙氣冷卻器簡化為多級多孔跳躍模型，其他部件均設置為固體壁面邊界條件，顆粒相碰撞壁面邊界條件設置為彈性碰撞；顆粒相密度取值為2 100 kg/m3，模型進口的顆粒物質量濃度是10 g/m3，進口的粒徑分布如圖2所示，從0.5～85 μm分為10個區間。

圖2 粒徑分布Fig. 2 Particle size distribution

3 流場(連續相)計算結果

3.1 布置方案

電除塵器主/分煙道及煙氣冷卻器內導流板、前端進口封頭的布置方案分別如圖3(a)、(b)所示，分別計算導流板布置前和布置后的流量分配和流場均布情況。

圖3 氣流分布板及導流板布置方案Fig. 3 Layout scheme of air flow distribution plate and guide plate

3.2 流量分配的計算

經CFD軟件計算，煙道內布置導流板前，電除塵器進口流量分別為201.1、252.7、142.9 m3/s，流量偏差分別為1.1%、27.1%、-39.2%，不能滿足標準JB/T 7671—2007的要求；參照圖3(a)所示布置導流板，經CFD軟件計算，此時電除塵器進口流量分別為196.5、197.2、199.3 m3/s，經換算，其流量偏差分別為-0.7%、0.1%、0.6%，滿足JB/T 7671—2007要求(不超過±5%)。導流板布置前后，電除塵器進口煙氣流量及其偏差對比情況分別如圖4(a)、(b)所示。電除塵器進口煙道截面選取如圖5所示。布置導流板后，電除塵器進口煙道內速度矢量圖如圖6所示。

圖4 流量分配Fig. 4 Flue flow distribution

圖5 電除塵器入口截面選取位置Fig. 5 Location of the inlet section of ESP

圖6 速度矢量圖Fig. 6 Velocity vector diagram

3.3 第1電場進口截面處流場均布計算

布置導流板和氣流均布板如圖3(b)所示，在電除塵器進口封頭內布置3層氣流均布板，氣流均布板為多孔板型式，且在第2、3層氣流均布板后面布置導流葉片，進一步促進氣流的均勻分布。經CFD軟件計算，得到電除塵器的第1電場進口截面處煙氣流場均布情況如圖7所示，煙氣流速的相對均方根差值分別為0.152、0.185、0.164，結果遠優于標準JB/T 7671—2007的要求(0.25)。

圖7 電除塵器第1電場進口截面流場均布情況Fig. 7 Distribution of flue gas velocity in the first electric field of ESP

4 顆粒場(顆粒相)計算

標準JB/T 7671—2007中并沒規定顆粒相的分配情況，但該指標才是直接影響除塵效率的關鍵因素，在保證顆粒相均勻的情況下，才能保證各室充分發揮其除塵性能。而且，如果出現顆粒相分配偏差較大的情況，會加大局部磨損(高濃度高速區)或積灰(高濃度低速區)的風險。

在電除塵器煙道內導流板布置之前，按照圖5所示，截取電除塵器進口煙道截面上的顆粒相質量流量數據，分別為1.64、2.265、1.51 kg/s，經計算，流量偏差分別為-8.9%、24.8%、-15.7%；布置導流板之后，電除塵器進口煙道截面處顆粒相的質量流量數據得到有效改善，分別為1.73、1.84、1.81 kg/s，其流量偏差值分別為-3.3%、2.8%、0.6%。顆粒相流量數據基本保持一致。導流板布置前后電除塵器進口顆粒相分配如圖8所示。

圖8 顆粒相分配Fig. 8 Particle phase distribution

由于慣性力作用，飛灰顆粒在各分煙道內的粒徑分布差異較大，布置導流板后，有明顯改善。計算電除塵器進口顆粒相各級粒徑段分布偏差數據如圖9所示。布置導流板后，各級粒徑段分布偏差明顯減小，這有利于電除塵性能提升。

圖9 顆粒相各級粒徑段分布偏差Fig. 9 Particle size distribution deviation at all levels

5 電場計算結果

電除塵器內電場通電后，陰極線與陽極板之間會形成電場，促使粉塵荷電，并在電場力的作用下，實現荷電后飛灰顆粒的有效收集。電場分布影響電暈產生、飛灰顆粒荷電及荷電顆粒的運動軌跡，因此，電場分布也是電除塵器性能的主要影響因素。

采用電磁流體模型[12-13]模擬電除塵器內電場分布，采用離散相模型模擬電場內顆粒的運動軌跡。陰極線簡化成圓形光桿，僅選擇3根圓形極線，在二維模型中進行計算。模型進出口邊界條件分別是速度入口和自由出口，在供電電壓50 kV，入口流速為1 m/s時，計算電場內電勢分布及不同粒徑顆粒的運動軌跡，如圖10所示。電場內電勢分布呈內高外低的環形分布，越靠近陽極板，電勢越接近0 V。忽略顆粒間庫侖力作用，在電場內電場力的作用下，荷電顆粒向陽極板方向偏轉，偏轉程度與粒徑正相關，大粒徑顆粒(10 μm)易于捕集，小粒徑顆粒(1 μm)更容易逃逸。

圖10 電場內電勢分布及顆粒運動軌跡Fig. 10 Distribution of electric potential and movement trail of particles in electric field

顆粒運動軌跡跟除塵效率密切相關，顆粒運動到陽極板，表明被有效捕集。為進一步研究除塵效率的影響因素，計算不同供電電壓及入口流速時模型的除塵效率，結果如圖11所示。從計算結果可以看出，電除塵器的除塵效率與供電電壓正相關，與入口流速負相關，該規律與工程實際相符。以某實際工程(660 MW機組)為例，其不同供電模式及機組負荷時，電除塵器的脫除效率有明顯差異，如滿負荷條件下，常規供電模式(電耗約1 650 kW)、節能模式(電耗約1020 kW)時，電除塵器出口煙塵質量濃度分別為8.2、15.9 mg/m3，對應的除塵效率分別為99.92%、99.84%；當機組負荷降至75%時(電除塵器入口煙氣流速相應降低)，對應的除塵效率分別提高至99.95%、99.91%。

圖11 不同供電電壓、入口流速對除塵效率的影響規律Fig. 11 Influence law of different supply voltage and inlet velocity on dust removal efficiency

6 結論

1）在流場(連續相)方面，布置合適的煙道導流裝置及進口封頭氣流均勻布板之后，電除塵器進口流量偏差及氣流均勻性改善效果顯著，流場偏差均不超過±1%，煙氣流速的相對均方根差值均小于0.25。

2）在顆粒場(顆粒相)方面，合適的煙道導流板布置后，電除塵器的進口顆粒相總質量流量偏差及粒徑分布均勻性均得到明顯改善，顆粒相質量流量偏差分別為-3.3%、2.8%、0.6%。

3）在電場方面，分別采用電磁流體模型和離散相模型模擬電場內的電勢分布和顆粒運動軌跡，并計算除塵效率，結果表明，電除塵器的除塵效率與供電電壓正相關，與入口流速負相關，計算規律與工程實際相符。