电除尘器流场、颗粒场及电场的数值模拟研究

电除尘器流场、颗粒场及电场的数值模拟研究

王俊伟

华能洛阳热电有限责任公司，河南省洛阳市 471000

摘要：现如今，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，电除尘器(electrostaticprecipitator，ESP)是目前工业应用领域(如电力、冶金、建材、化工等)的主流除尘设备之一，其可在范围很宽的温度、压力和烟尘浓度条件下运行，尤其在领域市场占有率约为70%。电除尘器通过高压电场放电，使含尘烟气中的颗粒物荷电，在电场力作用下被阳极板吸附收集，并通过振打等方式进行清除脱落，从而实现整个除尘的过程。随着工业烟气污染物排放标准、政策等的陆续颁布实施，对于电除尘器的性能及其稳定性也提出了更高的要求。传统电除尘器的除尘效率一般在99.20%~99.85%，阻力一般不超过250Pa，当采用低低温电除尘技术，即在电除尘器前增设烟气冷却器，将烟气温度降至硫酸露点以下时，电除尘效率可达99.9%，甚至更高。

关键词：电除尘器；多相流；气流分布；多物理场

引言

静电除尘器是火力发电厂重要的环保装置，其作用是脱除燃煤锅炉所排放尾气中的烟尘，保证烟尘排放浓度达到排放标准的要求。含尘烟气经过静电除尘器时，尘粒在电晕极荷电后向带有相反电荷的收尘极板移动，在收尘极板沉降进入灰斗实现烟尘的脱除。在静电除尘器运行过程中出现故障，会导致烟尘排放不达标，排除故障以保证除尘器的安全稳定运行尤为重要。

1将流体视为不可压缩非牛顿流体,气流为稳态.

电除尘器内气流运动状态为湍流,因此气流模拟模型采用湍流模型.本文采用湍流模型中的Reynolds平均法,则气流的控制方程可由连续性方程和动量守恒方程联立起来表示,即Navier-Stokes方程.通过在气流的动量方程添加源项的方法实现电场对颗粒作用力的赋值,从而实现电流场和颗粒场耦合.连续性方程: 动量方程: 上的分量,m/s;μ表示气体黏度,Pa·s;μt指的是湍流黏度,Pa·s;P指气体压力,Pa;fDi表示惯性力,N/m³,指颗粒对流场的作用;ρp为颗粒密度,kg/m³;(ρi+ρp)Ei表示电场力,N/m³;ρiEi表示电场对颗粒的作用力,ρpEi表示颗粒对电场的反作用力,低浓度含尘气流中,反作用力可以忽略不计.由于本文研究的烟尘浓度较低,只考虑电场对颗粒的影响.

2电除尘器流场、颗粒场及电场的数值模拟研究

2.1几何模型

模型选用实验室电除尘器模型，根据实际模型进行1∶1建模，使用Gambit软件绘制三维立体结构的电除尘器。电除尘器中电场通道的几何尺寸为长1470mm、宽400mm、高864mm，线板距200mm，进出口烟道截面200mm×200mm;在喇叭口处共设置3块气流分布板，分别设置在距喇叭口进口处195mm、395mm、600mm，厚度为5mm;沿烟气运动方向(自左向右)分别为进口烟道、进口喇叭、电场区、出口喇叭和出口烟道。为了得到高质量的网格，对电除尘器整体进行网格划分:进口烟道、进口喇叭、电场区、出口喇叭和出口烟道区域均采用高质量的六面体结构网格;灰斗使用不规则网格，并对气流分布板区域的网格进行局部加密。以外加电压60kV、电场区电场风速0.8m/s、颗粒粒径1μm、含尘质量浓度10g/m³为例，对网格进行无关性检验。取网格数量依次为10万、25万、45万、60万这4种工况，通过数值模拟方法计算出不同网格数量时颗粒的捕集效率，分别为79.2%、83.3%、83.5%、83.4%。由此可知，在网格数量为25万以上时，颗粒捕集效率变化不大。为节省计算时间和计算机资源，同时兼顾计算结果的可靠性，该模型选取45万网格数量。

2.2电场计算结果

电除尘器内电场通电后，阴极线与阳极板之间会形成电场，促使粉尘荷电，并在电场力的作用下，实现荷电后飞灰颗粒的有效收集。电场分布影响电晕产生、飞灰颗粒荷电及荷电颗粒的运动轨迹，因此，电场分布也是电除尘器性能的主要影响因素。采用电磁流体模型模拟电除尘器内电场分布，采用离散相模型模拟电场内颗粒的运动轨迹。阴极线简化成圆形光杆，仅选择3根圆形极线，在二维模型中进行计算。模型进出口边界条件分别是速度入口和自由出口，在供电电压50kV，入口流速为1m/s时，计算电场内电势分布及不同粒径颗粒的运动轨迹。电场内电势分布呈内高外低的环形分布，越靠近阳极板，电势越接近0V。忽略颗粒间库仑力作用，在电场内电场力的作用下，荷电颗粒向阳极板方向偏转，偏转程度与粒径正相关，大粒径颗粒(10μm)易于捕集，小粒径颗粒(1μm)更容易逃逸。颗粒运动轨迹跟除尘效率密切相关，颗粒运动到阳极板，表明被有效捕集。为进一步研究除尘效率的影响因素，计算不同供电电压及入口流速时模型的除尘效率。从计算结果可以看出，电除尘器的除尘效率与供电电压正相关，与入口流速负相关，该规律与工程实际相符。以某实际工程(660MW机组)为例，其不同供电模式及机组负荷时，电除尘器的脱除效率有明显差异，如满负荷条件下，常规供电模式(电耗约1650kW)、节能模式(电耗约1020kW)时，电除尘器出口烟尘质量浓度分别为8.2、15.9mg/m

³，对应的除尘效率分别为99.92%、99.84%；当机组负荷降至75%时(电除尘器入口烟气流速相应降低)，对应的除尘效率分别提高至99.95%、99.91%。

2.3选用非常规电除尘器

对于高比阻粉尘可以采用湿式电除尘器、脉冲供电电除尘器、泛比电阻电除尘器等非常规电除尘器。湿式电除尘器的阳极板有一层连续流动的水膜，高比电阻粉尘到阳极板后会吸收水分，含湿量增加后，高比电阻粉尘比电阻会显著降低；脉冲供电电除尘器电压的峰值是普通外加电压的数倍、脉冲宽度是微秒级，当高比电阻粉尘在高压期间刚要产生反电晕，脉冲供电使电压又降至粉尘无法产生反电晕的低压，可以很好地抑制反电晕现象；泛比电阻电除尘器通过在阴极系统上添加辅助电极等方式来提高对高比电阻粉尘的脱除能力。

2.4烟气温度对电场的影响

模拟的角度分析,烟气温度影响运行电压,这是求解泊松方程的边界条件之一,因此烟气温度会影响电势的整体分布,从而影响场强的分布.烟气温度增加,近板区域较高电场强度的分布面积减少.通过计算可知各烟气温度下电场区内场强分布的均匀性为20℃<150℃<90℃<400℃<300℃,且常温(20℃)时的平均电场强度(4.9×105V/m)与400℃时的平均电场强度(1.4×105V/m)相差2.5倍左右,所以烟气温度降低会使整体的平均场强增加.当外加电压相同时,不同温度时气体的密度不同,分子平均自由程不同,离子电荷密度不同,场强的均匀性也有差别.

结语

1）在流场(连续相)方面，布置合适的烟道导流装置及进口封头气流均匀布板之后，电除尘器进口流量偏差及气流均匀性改善效果显著，流场偏差均不超过1%，烟气流速的相对均方根差值均小于0.25。2）在颗粒场(颗粒相)方面，合适的烟道导流板布置后，电除尘器的进口颗粒相总质量流量偏差及粒径分布均匀性均得到明显改善，颗粒相质量流量偏差分别为3.3%、2.8%、0.6%。3）在电场方面，分别采用电磁流体模型和离散相模型模拟电场内的电势分布和颗粒运动轨迹，并计算除尘效率，结果表明，电除尘器的除尘效率与供电电压正相关，与入口流速负相关，计算规律与工程实际相符。

参考文献

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[2]李庆，姜龙，郭玥，等．超低排放应用现状及关键问题[J]．高电压技术，2017，43(8)：476-486．