电除尘器内气流分布板参数对气流均布性影响

焦华超,代丹丹,唐新军

(新疆工程学院 机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

新疆火电装机容量在全国一直排在前列，这些电力除满足本地需求之外，还利用国家“电力援疆+市场化”政策将电力销售到内地经济发达地区，提高了新疆本地的经济收入，为边疆稳定做出了贡献。但是在享受火电带来的经济收益的同时，随着国家对环保要求的提高，对新疆火电厂燃煤污染的处理也提出了更高的要求。静电除尘器是火电厂对尾部烟气处理的重要设备，其利用高压电场使烟气发生电离后并吸收粉尘，从而大幅降低火电厂排出烟气中的有害物质，减少环境污染。

提高静电除尘器除尘效率的一个重要途径是改善电场区域内的气流均布性。目前国内相关技术人员优化气流均布性的尝试主要有改变电除尘器本体结构中入口段烟道布置[1-3]、设置不同层数导流板[4]、改变气流分布板开孔率[5，6]等，对气流分布板孔径的选择研究较少。在研究气流分布板对气流均布性影响方面，数值模拟过程一般使用多孔介质模型，该模型经过优化可以初步替代实物模型搭建，但是在设置多孔介质模型相关参数方面，仍在寻找更加高效、合适的方法。例如叶兴联等利用单孔实验的数据修正多孔介质模型的参数，所得模拟结果与实际所测数据具有较高的吻合度[7，8]。潘民兴等通过对比实测数据、实际尺寸建模模拟数据、多孔介质模型模拟数据指出，根据实际尺寸建模具有较好的模拟结果但计算量较大[9，10]。

本文采用实际尺寸建模模拟的方法，先研究气流分布板开孔率布置，之后进一步研究孔径对电厂区域气流均布性的影响，为电除尘器内气流均布性优化提供参考。

1 研究模型和数值计算

1.1 模型介绍

以开源重工一台300 MW机组的三电场电除尘器为研究对象，模型中间截面如图1所示，电场区域的几何尺寸为长17.1 m、宽7.8 m、高14 m。气流进出口管道断面为4.8 m×3.6 m，长为5 m。气流入口管道与电场区域的连接采用喇叭形封头相接。在距入口喇叭形区域起始位置水平距离分别为0.9 m、2.1 m、3.7 m、20.7 m处布置气流分布板，气流分布板厚度2 mm。建模时将气流分布板前后50 mm作为整体与气流分布板一起建模。利用icem对模型进行分区域网格划分，在每层气流分布板前后建立一对interface交界面，保证流体计算域的连续性。

1-气流入口；2-气流分布板拟布置位置；3-电场区；4-气流分布板拟布置位置；5-气流出口

1.2 数值计算方法及边界条件

采用计算流体动力学(CFD)方法对上述模型进行数值求解，其中求解器类型设为pressure-based，时间格式设为steady，采用有限容积法离散控制方程，并采用SIMPLE算法求解压力-速度耦合问题。电除尘器入口设定为速度入口，速度为6 m/s；出口设定为压力出口，压力为-2 kPa。流体工质为常温烟气，密度为1 kg/m3，黏度系数为1.72×10-5kg /( m·s) 。

1.3 评价标准

电除尘器内气流分布均匀的评价标准采用相对均方根值法(RMS)：

1.4 实验方案

通过相关文献可知：气流分布板开孔率、孔径与气流分布性并无明显关联性，现阶段的参考书上只是告知开孔率的范围是25%～60%，孔径范围也无特殊要求。但是随着对环保要求的提高，需要更进一步地提升电除尘器的效率，电除尘器内部的气流分布对除尘效果的影响所占的比重也是越来越高。结合具体工程实践及相关经验，本文先选取孔径为80 mm的气流分布板，使用三层气流分布板的开孔率布置方案(如表1所示)；之后根据具体模拟结果选取最佳开孔率方案并验证孔径对气流分布的影响。

表1 不同开孔率布置方式 %

2 模拟结果与分析

2.1 使用三层气流分布板时开孔率对气流均布的影响

不同开孔率的气流均布性数值模拟结果如表2所示。

表2 不同开孔率的气流均布性

通过对比表2得知：在第一电场区域，除方案6外，其余的5种方案的第一电场气流均布性均小于0.2，均能满足电除尘器的设计要求。

对比方案5(50%-40%-40%)和方案1(50%-40%-30%)，其第一、第二层的气流分布板开孔率均为50%、40%，但在第二电场区域气流均布性有比较大的差异(见表2)，方案1的σr=0.259(基本合格)，方案5的σr=0.559(不合格)，造成这种现象的原因是方案1的第三层气流分布板的开孔率比方案5小，为30%，气流经过时由于分布板开孔间的隔板的阻挡，一定程度上降低了气流由于受喇叭形形状影响产生的竖直方向速度分量，减少了通过气流分布板后流向电场上下边缘区域的气流，降低了第二电场处低压区域的影响。通过图2的压力分布云图可见第三层板处，方案1的低压区明显小于方案5的低压区域。

图2 方案5和方案1压力云图

对比方案1和方案3、方案2和方案4可以看出：当第一层和第三层气流分布板开孔率相同时，方案3和方案4第二层气流分布板孔隙率为30%时，第二电场区有较好的气流分布性。原因也是较小的开孔率在一定程度上降低了喇叭口形状对气流方向的影响。

综合来看，方案4是6个方案中较为优异的方案，其虽在第三电场区域气流均布性为基本合格，但在第一、第二电场区均为良好，而第一、第二电场区是电除尘器集尘的主要工作区，对电除尘器整机除尘效率有着至关重要的影响。

2.2 气流分布板孔径对气流均布性的影响

本文选取方案4(40%-30%-30%)的气流分布板的开孔率布置方案，保持其他边界条件不变，改变气流分布板孔径，分析得到电除尘器内不同截面处的气流均布性状态如表3所示。

表3 不同孔径的气流均布性

通过对比表3可以发现：使用孔径为60 mm的气流分布板电场区域的气流均布性较好。使用更小孔径的气流分布板并不能显著地提升电场的气流均布性。原因是，随着孔径的减小，相同的开孔率，气流分布板上的孔数变多，气流受喇叭口影响而产生的竖直方向的偏移在增大，一定程度上削弱了气流分布板的作用。

图3为60 mm和20 mm孔径的气流分布板压力云图。从图3中可以看出：随着孔径的减小，第三层气流分布板前后的压差在减小，其对气流的影响也在减弱;且随着孔径的减小，当气流通过气流分布板后，由于气流出口的增多，气流流向更加多元，也一定程度增大了电场区域的低压范围进而影响电场区域的气流均布性。本文所涉及电除尘器较为合适的孔径为60 mm，因此，在实际电除尘器运行过程中最好选用该孔径的气流分布板。

图3 60 mm和20 mm孔径的气流分布板的压力云图

3 结论

(1) 对比使用三层气流分布板不同开孔率设置对电除尘区气流均布的影响，发现开孔率为40%-30%-30%的布置方案可以较好地满足电场区域气流均匀性要求。

(2) 对比相同开孔率下不同孔径对电除尘区气流均布的影响，发现孔径为60 mm时具有较好的气流均布性。