酈建國(guó)，劉含笑，姚宇平，袁偉鋒，郭 峰，余順利

（浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 311800）

0 引言

燃煤電廠產(chǎn)生的細(xì)顆粒物（PM2.5）約占全社會(huì)總量10%［1］，是大氣細(xì)顆粒物重要排放源之一，且燃煤產(chǎn)生的細(xì)顆粒物通常富集As、Se、Pb、Cr等重金屬及多環(huán)芳香烴（PAHs）、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等污染物，危害極大。加強(qiáng)火電行業(yè)細(xì)顆粒物排放控制技術(shù)的研究至關(guān)重要［2］。

凝聚器一般安裝于電除塵器進(jìn)口煙道內(nèi)，對(duì)進(jìn)入電除塵器前的粉塵進(jìn)行分列荷電處理，并通過(guò)擾流裝置的擾流作用，使帶異性電荷的不同粒徑粉塵產(chǎn)生速度或方向差異而有效凝聚，形成大顆粒后被電除塵器有效收集，提高電除塵器PM2.5脫除效率。國(guó)外公司從1999年就開(kāi)始研究該技術(shù)，至今已有10余套裝置的應(yīng)用業(yè)績(jī)，設(shè)備運(yùn)行良好，效果顯著。國(guó)內(nèi)相關(guān)單位自2008年開(kāi)始研發(fā)，已在300 MW機(jī)組、135 MW機(jī)組上得到了應(yīng)用，第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)對(duì)300 MW機(jī)組應(yīng)用工程的測(cè)試結(jié)果表明，電除塵器出口PM2.5的下降率超過(guò)30%，總煙塵質(zhì)量濃度的下降率超過(guò)20%［3－5］。

凝聚器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提效程度明顯，且改造方便，具有很好的應(yīng)用前景，將其設(shè)置在電除塵器前置煙道上時(shí)，直煙道直段長(zhǎng)度需大于5 m，這就限制了其在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。本文探討一種將凝聚器布置在電除塵器進(jìn)口封頭內(nèi)的方法，對(duì)其氣流分布特性及湍流強(qiáng)度進(jìn)行分析，旨在為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，擴(kuò)大凝聚器的應(yīng)用范圍。

1 氣流分布

氣流分布是影響電除塵器除塵效率的主要因素之一。通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的方法，進(jìn)行氣流分布模擬試驗(yàn)，研究將凝聚器布置在電除塵器進(jìn)口封頭內(nèi)時(shí)，對(duì)其氣流分布的影響。

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

參照某135 MW機(jī)組布置方式，將凝聚器布置在第一、二層分布板之間［6］，并探討4種不同方案時(shí)氣流分布狀況，如圖1所示。

圖1 幾何模型

方案A：電除塵器原始方案；方案B：第一、二層分布板間增設(shè)凝聚器（或稱為電凝聚器、雙極荷電裝置或微顆粒捕集增效裝置）；方案C：在方案B的基礎(chǔ)上去掉第二層分布板前4個(gè)直條；方案D：在方案B的基礎(chǔ)上將第二、三層分布板下端割掉0.5 m。

網(wǎng)格劃分如圖2所示。把幾何模型劃分成許多個(gè)子區(qū)域，所有區(qū)域均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為140萬(wàn)個(gè)。進(jìn)口封頭內(nèi)氣流分布板設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域，并進(jìn)行密封處理。

1.2 邊界條件

圖2 網(wǎng)格劃分

設(shè)進(jìn)口封頭內(nèi)速度為12.3 m／s，出口靜壓為－2 k Pa，進(jìn)口氣流分布板采用多孔介質(zhì)模型；進(jìn)口喇叭處的導(dǎo)流片、陽(yáng)極板及灰斗擋風(fēng)板等，均采用固體壁面邊界條件；空氣密度設(shè)為0.901 kg／m3（對(duì)應(yīng)工況溫度、壓力條件下空氣密度），計(jì)算采用非耦合求解器、湍流模型為k（湍動(dòng)能）-ε（耗散率）兩方程模型、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法、對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算過(guò)程中可檢查變量的殘差變化，監(jiān)視計(jì)算的收斂性，當(dāng)收斂精度達(dá)到10－4及監(jiān)測(cè)斷面的速度、壓力等參數(shù)變化很小時(shí)，計(jì)算完成。

1.3 氣流分布要求

根據(jù)電除塵器氣流分布模擬試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，要求電場(chǎng)入口截面相對(duì)均方根差σr≤0.25［7］。

式中：vi為各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速；v為截面平均風(fēng)速；n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

1.4 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算不同方案時(shí)的第一電場(chǎng)入口速度分布，分別取y＝0截面進(jìn)口封頭處速度云圖如圖3所示，第一電場(chǎng)入口截面速度云圖如圖4所示，y＝0截面速度云圖如圖5所示，第一電場(chǎng)入口截面速度云圖如圖6所示。

圖5 y＝0截面速度云圖

由圖5可以看出，電除塵器進(jìn)口封頭內(nèi)具有明顯的速度梯度，經(jīng)導(dǎo)流板導(dǎo)流后，氣流被分割打散，并局部改變氣流方向，使氣流均勻性增強(qiáng)。觀察方案D速度云圖，由于第二、三層分布板下端割掉0.5 m，因此下端煙氣流速較高。由圖5可知，電除塵器第一電場(chǎng)入口截面速度分布大部分集中在0.5～1.5 m／s范圍內(nèi)，低流速區(qū)域主要集中在截面下端，這是因?yàn)榉植及逑露艘话懔粲幸欢障?，下端氣流大量從縫隙流過(guò)，且受分布板最下端導(dǎo)流板的遮擋，因此第一電場(chǎng)入口有效收塵截面的下端一般為低流速區(qū)域。由于煤灰顆粒受重力影響，進(jìn)入電除塵器內(nèi)時(shí)一般下端煤灰濃度較高，上端濃度低，因此下端流速較低對(duì)收塵有利［8］。

圖6 第一電場(chǎng)入口截面速度云圖

將凝聚器布置到進(jìn)口封頭內(nèi)，可使煤灰顆粒帶上異極性電荷后有效凝聚，但由于封頭內(nèi)流速較低，帶電煤灰顆粒容易沉積在接地的氣流分布板上，此時(shí)需要采取必要的清灰措施，且為了保證封頭下端卸灰順暢，將第二、三層分布板下端割掉0.5m（方案D），觀察此時(shí)第一電場(chǎng)入口截面速度云圖，該有效收塵截面下端存在一個(gè)高流速區(qū)域，此處高流速對(duì)封頭下端卸灰有利，但會(huì)使有效收塵截面的氣流均勻性降低。

計(jì)算不同方案第一電場(chǎng)入口有效收塵截面速度的相對(duì)均方差σr，方案A的σr為0.154；方案B的σr為0.165；方案C的σr為0.168；方案D的σr為0.20。

進(jìn)口封頭內(nèi)設(shè)置凝聚器后氣流均勻性有所降低，但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（σr為0.25），為保證卸灰順暢，將第二、三層分布板下端割掉0.5 m（方案D），此時(shí)第一電場(chǎng)入口有效收塵截面速度的σr為0.2，仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了進(jìn)一步保證卸灰順暢，在方案D的基礎(chǔ)上去掉第三層分布板最下端的導(dǎo)流板，計(jì)算此時(shí)第一電場(chǎng)入口截面速度分布如圖7所示，此時(shí)截面下端高流速區(qū)域流速變得更高，而低流速區(qū)域速度變得更低，均勻性進(jìn)一步降低。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)第一電場(chǎng)入口有效收塵截面速度的σr為0.32，已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)值（σr為0.25）要求。

圖7 第一電場(chǎng)入口截面速度云圖及局部放大圖

2 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及湍流強(qiáng)度計(jì)算

正、負(fù)荷電顆粒能否有效凝聚，取決于在其流動(dòng)區(qū)域內(nèi)是否有足夠的湍流強(qiáng)度使其產(chǎn)生足夠的速度或方向差異［9－11］，因此對(duì)進(jìn)口封頭內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及湍流強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。

2.1 幾何模型及數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅取入口煙道擾流柱和進(jìn)口封頭為研究對(duì)象，三層氣流分布板圓孔均實(shí)體建模，如圖8所示。

圖8 幾何模型

k－ε兩方程模型模擬流場(chǎng)參數(shù)，離散相模型（DPM）模擬顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，考慮重量作用，連續(xù)相對(duì)顆粒作用采用Discrete Random Walk模型，煤灰顆粒真密度值取平均值2 100 kg／m3計(jì)算，壁面邊界處理為彈射。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

各截面湍流強(qiáng)度與顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡偏移關(guān)系如圖9所示。

圖9 湍流強(qiáng)度與顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡關(guān)系

封頭內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。

湍流強(qiáng)度為湍流脈動(dòng)速度與平均速度的比值。第一層分布板所產(chǎn)生湍流強(qiáng)度值最大，其最大值與煙道內(nèi)擾流柱所產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度值相當(dāng)（參見(jiàn)圖9中上面兩條曲線）；第二、三層分布板產(chǎn)生湍流強(qiáng)度值較小。觀察進(jìn)口封頭內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)不同粒徑顆粒經(jīng)過(guò)分布板后，軌跡發(fā)生明顯偏移，且第一層分布板處顆粒偏移幅度較大。因此，若將荷電裝置設(shè)在第一層分布板之前，會(huì)使荷電顆粒有更多的碰撞凝聚的概率，但此時(shí)積灰的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)更大。

圖10 進(jìn)口封頭內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

3 結(jié)論

對(duì)于某些除塵器前置水平煙道較短的項(xiàng)目，可將凝聚器布置在電除塵器進(jìn)口封頭內(nèi)。本文利用數(shù)值模擬的方法，探討將凝聚器布置在第一、二層分布板之間及不同方案時(shí)對(duì)氣流分布的影響，并計(jì)算進(jìn)口封頭內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及湍流強(qiáng)度值，結(jié)論如下：

1）進(jìn)口封頭第一、二層分布板之間布置凝聚器，對(duì)氣流均勻性影響不大，可以滿足第一電場(chǎng)入口速度均勻性要求。

2）第二、三層分布板下端適當(dāng)割斷及去掉導(dǎo)流板，可有利于卸灰，但對(duì)氣流均勻性影響較大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎處理。

3）依據(jù)湍流強(qiáng)度值推測(cè)，將凝聚器布置在第一層分布板之前，可能會(huì)使荷電顆粒有更多的碰撞凝聚的概率。

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