吳舒星，張 凱，周 煒，馬超超

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310008)

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CFD仿真的濕式除塵器流場(chǎng)均勻性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳舒星1，張 凱1，周 煒2，馬超超1

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310008)

濕式電除塵器(WESP)對(duì)粉塵的適應(yīng)能力強(qiáng)，能達(dá)到很高的除塵效率，并且能有效去除煙氣中的亞微米級(jí)顆粒、SO3氣溶膠和石膏微液滴，對(duì)控制PM2.5、藍(lán)煙和石膏雨效果良好.我們利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)軟件Fluent，對(duì)某電廠濕式除塵器機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究.根據(jù)濕式除塵器管道內(nèi)的氣流分布情況，設(shè)計(jì)導(dǎo)流板和氣流分布板，保證了在濕式電除塵器第一電場(chǎng)入口處的氣流均勻性，以保證濕式電除塵器達(dá)到最高效的除塵效果.

濕式電除塵器；計(jì)算流體力學(xué)；氣流分布

燃煤發(fā)電是我國(guó)的主要發(fā)電方式，燃煤電廠裝機(jī)容量約占全國(guó)電力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量的70%，由煤燃燒所產(chǎn)生的環(huán)境污染不容忽視，因此大批學(xué)者都對(duì)燃煤電廠的節(jié)能減排進(jìn)行了綜合的研究與分析[1-2]，指出燃煤電廠減排的必要性及措施.而近年來(lái)，我國(guó)多地出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象，空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化，基于如今嚴(yán)重的環(huán)境形勢(shì)，國(guó)家出臺(tái)了新的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中規(guī)定粉塵排放限值提高到30 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)提高到20 mg /m3，同時(shí)新標(biāo)準(zhǔn)也提高了NOx和SOx的排放限值，并增加了Hg的控制指標(biāo)；在新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)》，將PM2.5納入強(qiáng)制監(jiān)測(cè)范疇，如今單純的干式電除塵器已經(jīng)很難滿(mǎn)足要求[3].

濕式電除塵器(WESP)作為一種先進(jìn)的煙氣治理技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)超低排放、控制PM2.5和重金屬等復(fù)合污染物方面應(yīng)用效果良好.趙琴霞[4]等人詳細(xì)探討了濕式電除塵器在我國(guó)燃煤電廠的應(yīng)用前景，馬韻哲[5]等人運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法分別計(jì)算燃煤電廠濕式除塵器各階段的能源消耗及對(duì)環(huán)境的影響指出其對(duì)環(huán)境有積極的改善作用.同時(shí)環(huán)保部在《環(huán)境空氣細(xì)顆粒物污染防治技術(shù)政策》中明確指出：鼓勵(lì)火電企業(yè)和大型燃煤鍋爐采用濕式電除塵等新技術(shù).趙旭[6]對(duì)國(guó)電沈陽(yáng)熱電有限公司的濕式電除塵器裝置的改造工程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹與評(píng)價(jià)，并指出濕式電除塵器裝置實(shí)現(xiàn)了煙塵超低排放、改善廠區(qū)及周邊環(huán)境.

大量研究表明，濕式電除塵器的除塵效率取決于所有達(dá)到液滴表面或者進(jìn)入并穿過(guò)液滴，或者粘附在液滴表面的塵粒數(shù)量，而氣流分布和水霧狀態(tài)對(duì)液滴與粉塵顆粒的接觸有重要影響，因此濕式電除塵器內(nèi)氣流的均勻性對(duì)濕式除塵器的除塵效率有直接影響[7-8].

本文以國(guó)內(nèi)某電廠改造的濕式電除塵器為例，采用CFD數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)優(yōu)化濕式電除塵器流場(chǎng)，提出優(yōu)化方案，以便為濕式電除塵器的設(shè)計(jì)建造提供方案.

1 濕式除塵器介紹

1.1 工作原理

濕式電除塵器工作原理是利用高壓電暈放電使粉塵或水霧荷電，荷電的粒子在電場(chǎng)力的作用下到達(dá)集塵板，采用沖刷液沖洗電極，將收塵板上捕獲的粉塵沖刷到灰斗中隨之排出[9].

1.2 結(jié)構(gòu)

濕式電除塵器主要由進(jìn)出口煙道、除塵器殼體、導(dǎo)流板、整流格柵、陽(yáng)極收塵板、陰極線、絕緣箱、沖洗水系統(tǒng)、電源及控制系統(tǒng)組成.如圖1所示的為除塵器主體的外形結(jié)構(gòu)，煙氣從進(jìn)口流入除塵器主體內(nèi)部，經(jīng)過(guò)其內(nèi)部的除塵裝置將煙氣中的粉塵、PM2.5等有害物質(zhì)去除，隨后經(jīng)過(guò)除塵后的煙氣通過(guò)出口管道從煙囪排出.

圖1 電除塵器主體外形Figure 1 Appearance of WESP

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

濕式電除塵器內(nèi)氣流分布均勻的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用相對(duì)均方根值法(RMS)：

(1)

本濕式除塵器機(jī)組要求在第一電場(chǎng)進(jìn)口處斷面的氣流均勻性為：σ≤0.2.

1.4 計(jì)算模型

根據(jù)電廠提供的濕式除塵器設(shè)計(jì)圖紙，建立相對(duì)應(yīng)的除塵器機(jī)組模型，同時(shí)提取仿真所需的流體區(qū)域，圖2的是除塵器機(jī)組模型的流體區(qū)域.本濕式除塵器機(jī)組包括有：兩臺(tái)濕式除塵器、進(jìn)出口煙道以及煙囪和脫硫塔.工作時(shí)，煙氣從脫硫塔中進(jìn)入到進(jìn)氣管道，流入兩臺(tái)濕式除塵器中進(jìn)行除塵，最后通過(guò)出口管道將除塵達(dá)標(biāo)后的煙氣排放出.

圖2 濕式除塵器計(jì)算模型Figure 2 Calculation model of WESP

但是，因?yàn)殡姀S內(nèi)建造場(chǎng)地以及原有設(shè)備位置的限制，最初設(shè)計(jì)的進(jìn)出口管道的結(jié)構(gòu)并不能保證氣體在進(jìn)入濕式除塵器時(shí)氣流分布是均勻的，另外也不能夠保證進(jìn)入兩臺(tái)除塵器中煙氣的流量相等.因此在進(jìn)口管道內(nèi)設(shè)計(jì)、安裝導(dǎo)流板和氣流分布板來(lái)確保兩臺(tái)濕式除塵器達(dá)到最佳工作狀態(tài)是必要的.

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 劃分網(wǎng)格

使用Fluent的前置網(wǎng)格劃分軟件Gambit對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，但考慮到整個(gè)除塵器機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將整個(gè)模型分成多個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格的劃分.整個(gè)機(jī)組模型的網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，在保證計(jì)算精度的前提下，網(wǎng)格總數(shù)控制在300萬(wàn)左右.

2.2 控制方程及邊界條件

使用數(shù)值仿真軟件Fluent來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用湍流模型k-ε雙方程模型，壁面邊界層采用壁面函數(shù)法處理.控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能k方程和耗散率ε方程[10].

連續(xù)方程為

(2)

動(dòng)量方程為

(3)

湍動(dòng)能k方程

(4)

耗散率ε方程

(5)

模型中煙氣進(jìn)口處在脫硫塔上部，氣流分布比較均勻，因此在Fluent中設(shè)置進(jìn)口的邊界條件為速度進(jìn)口；出口處采用壓力出口邊界條件；導(dǎo)流板以及氣流分布板采用固體壁面的邊界條件.采用SIMPLEC算法，對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式.

2.3 設(shè)計(jì)與優(yōu)化

每個(gè)除塵器機(jī)組內(nèi)包含有兩臺(tái)濕式電除塵器，但是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)除塵器管道時(shí)必須首要考慮電廠場(chǎng)地因素，所以在最初并不能保證進(jìn)入兩個(gè)電除塵器內(nèi)的煙氣流量相等.但是只有在保證進(jìn)入兩個(gè)濕式除塵器中的煙氣流量均等，同時(shí)第一電場(chǎng)進(jìn)口的σ值達(dá)標(biāo)，才能使兩個(gè)除塵器都處在最佳工作狀態(tài).

2.3.1 流量分配優(yōu)化設(shè)計(jì)

在總的煙氣總流量為815 m3·s-1的工作狀態(tài)下，對(duì)未加裝過(guò)導(dǎo)流板的模型進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果顯示，進(jìn)入左右兩個(gè)除塵器的氣體的流量大小比值約為2:1.

圖3 濕式除塵器俯視圖Figure 3 Plan view of WESP

如圖3，為了讓進(jìn)入兩個(gè)除塵器內(nèi)的煙氣流量相同，在進(jìn)口管道的兩個(gè)位置處安裝導(dǎo)流板，同時(shí)縮減左右兩個(gè)除塵器之間聯(lián)通管道的口徑.經(jīng)過(guò)對(duì)導(dǎo)流板位置的多次調(diào)整與優(yōu)化后，表1所示的仿真結(jié)果顯示，進(jìn)入左右兩個(gè)除塵器的體積流量分別為421 m3·s-1和414 m3·s-1，兩室的流量?jī)H差1%，符合設(shè)計(jì)要求.

表1 除塵器左右兩邊流量分配比

2.3.2 氣流均勻性設(shè)計(jì)優(yōu)化

在保證了進(jìn)入除塵器左右兩室的氣體流量相等后，就需要考慮管道中煙氣均勻性，即在第一電場(chǎng)進(jìn)口處的σ值小于0.2.

為了讓煙氣在經(jīng)過(guò)第一電場(chǎng)進(jìn)口時(shí)的氣流分布均勻，需要同時(shí)在兩個(gè)支管中加裝垂直的導(dǎo)流板，并且在第一電場(chǎng)進(jìn)口前的進(jìn)氣喇叭口內(nèi)部安裝氣流分布板.

經(jīng)過(guò)多次仿真與修改，最終導(dǎo)流板確認(rèn)為如圖4所示的結(jié)構(gòu)，分別在進(jìn)口管道內(nèi)的彎道處安裝兩塊導(dǎo)流板，同時(shí)在兩個(gè)進(jìn)氣喇叭口內(nèi)分別安裝兩層氣流分布板.

圖4 濕式除塵器優(yōu)化后模型Figure 4 Optimized model of WESP

圖5給出了氣流分布板結(jié)構(gòu)示意圖，兩塊氣流分布板安裝在進(jìn)氣喇叭口內(nèi)，它們是第一電場(chǎng)進(jìn)口前的最后一道整流裝置.氣流分布板在實(shí)際安裝中是由若干根80 mm寬的鋼條焊接組成的孔板結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)正方形的大小為220 mm×220 mm.

圖5 氣流分布板結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of air distribution plate

圖6所示的為除塵器機(jī)組水平截面的速度分布圖，從圖上可以看出：煙氣在經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板后其速度分布相比較進(jìn)口處有了較為明顯的改善，此時(shí)雖然時(shí)還有局部位置的煙氣速度分布不均勻，但最后煙氣在通過(guò)氣流分布板后，第一電場(chǎng)進(jìn)口位置處的氣流分布較為均勻，說(shuō)明我們所設(shè)計(jì)的導(dǎo)流板與氣流分布板起到了明顯的作用.

圖7為第一電廠進(jìn)口處的截面圖，在左右兩個(gè)進(jìn)口上分別平均選取5×9個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取值，將所得到的速度代入公式(1)中，計(jì)算其離散程度.根據(jù)公式(1)計(jì)算得到右側(cè)除塵器的第一電場(chǎng)進(jìn)口截面的平均速度為3.777 m·s-1,相對(duì)均方根系數(shù)為σ=0.159；左除塵器的第一電場(chǎng)進(jìn)口截面的平均速度為3.749 m·s-1，相對(duì)均方根系數(shù)σ=0.124.根據(jù)計(jì)算得到的兩個(gè)除塵器第一電場(chǎng)進(jìn)口截面的σ均小于0.2，符合濕式濕式除塵器的設(shè)計(jì)要求.

圖6 水平截面的速度分布Figure 6 Velocity distribution on the horizontal section

圖7 第一電場(chǎng)進(jìn)口截面處速度分布圖Figure 7 Velocity distribution at the cross-section of first electric field imports

3 結(jié) 論

本文采用了CFD數(shù)值仿真的方法來(lái)設(shè)計(jì)濕式電除塵器內(nèi)部的導(dǎo)流板與氣流分布板，有如下結(jié)論.

1)在加裝導(dǎo)流板之后，濕式電除塵器內(nèi)第一電場(chǎng)進(jìn)口處煙氣的均勻性有了很大的改善，同時(shí)σ的值達(dá)到要求值0.2以下.

2)采用FLUENT軟件，可方便地對(duì)濕式電除塵器內(nèi)導(dǎo)流板進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并得到合理的優(yōu)化結(jié)果.

3)與制作實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相比，CFD仿真具有重復(fù)性好，可視化等優(yōu)點(diǎn).

4)使用CFD仿真進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠降低時(shí)間與金錢(qián)的成本.

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Simulation and optimization of wet electrostatic precipitator air distribution based on numerical simulation

WU Shuxing1, ZHANG Kai1, ZHOU Wei2, MA Chaochao1

(1.College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2.China Tobacco Zhejiang Industrial Company Limited, Hangzhou 310008, China)

Wet Electrostatic Precipitator (WESP) can effectively remove submicron particles, SO3aerosol droplets and plaster in the flue gas and dust. WESP plays a positive role in the control of PM2.5, blue smoke and plaster. The internal flow field of the WESP was studied by using computational fluid dynamics(CFD). According to the air distribution situation of WESP, we designed guide pates and air distribution pates in the pipe to ensure the optimal field uniformity of the flow at the entrance of the first electric field and to achieve the optimal dust removal effect.

WESP; CFD; air distribution

2096-2835(2016)03-0301-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.03.011

2016-05-06 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

吳舒星(1992- )，男，江蘇省江陰人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械的數(shù)值模擬.

E-mail:wushuxing120@163.com

張凱，男，副教授. E-mail: zkzb3026@gmail.com

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