吳一帆，郭 涵，張竣清，隋洪波，于躍海

（北京博奇電力科技有限公司，北京 100022）

0 引言

濕式靜電除塵器是目前電力、焦化、燒結(jié)、水泥等行業(yè)進(jìn)行煙氣綜合治理、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的主要設(shè)備[1-6]。除塵器的除塵效率與多種因素相關(guān)，如除塵器內(nèi)部煙氣流場均勻性、煙氣流動速度、表面活性劑的添加、煙氣溫度、極板形式、放電極形式、電場特性、粉塵特性等?？茖W(xué)調(diào)整除塵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化流場均勻性，能夠從根本上提高煙氣中顆粒物的脫除效率[7-10]。趙亮等[11]研究了煙氣流速對PM10脫除率的影響，結(jié)果表明，除塵器入口煙氣流速由16.1 m/s降低至8.8 m/s時，可吸入顆粒PM10的脫除率由80.4%提高到88.4%。楊振民等[12]就表面活性劑對除塵器除塵性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，加入十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十二烷基苯磺酸鈉與羧甲基纖維素鈉（SDBS-CMC）的混合物等，能夠增強除塵極液膜的導(dǎo)電能力，從而提高除塵效率。閆東杰等[13]就煙氣溫度對除塵器工作特性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，除塵效率隨煙氣溫度的上升而提高。此外，學(xué)者們普遍認(rèn)為除塵器內(nèi)部流場分布均勻性是影響除塵效率的重要因素[14-17]。例如，熊遠(yuǎn)南等對煙氣在陽極板的流場分布進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，提升除塵器流場分布均勻性能夠提高除塵效率[18]。目前，調(diào)控除塵器流場分布，改善煙氣流場均勻性已成為超低排放改造工程中提高除塵效率的常用手段[19-22]。除塵器進(jìn)出口煙道結(jié)構(gòu)是影響內(nèi)部流場分布均勻性的主要因素[23-27]，實際工程中，除塵器出口位置采用側(cè)面引出煙道的方式時，出口煙道結(jié)構(gòu)對上游煙氣流場分布均勻性的影響較大，存在陽極管束入口截面煙氣速度分布偏差大，流場分布不均勻的問題，將顯著影響除塵器的運行性能，降低除塵效率?！半p碳”目標(biāo)下，機組調(diào)峰過程中負(fù)荷范圍擴大，與機組常規(guī)運行狀態(tài)相比更容易出現(xiàn)煙氣偏流的現(xiàn)象[28]。盡管已有學(xué)者對除塵器的影響因素進(jìn)行了較為全面的探索，但由于當(dāng)前新增濕式靜電除塵裝置的項目多為改造項目，場地空間有限，給除塵器的布置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來了許多新的問題[29-30]。

本文基于濕式靜電除塵器流場優(yōu)化改造及導(dǎo)流設(shè)計經(jīng)驗，以某電廠300 MW 機組側(cè)出濕式靜電除塵器為研究對象，利用Ansys fluent軟件對除塵器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，重點針對煙氣流場分布不均以及煙氣偏流等問題進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，提出了偏置均流板和在常規(guī)圓環(huán)形均流板上方鋪設(shè)板條進(jìn)行封堵兩種優(yōu)化方案，并從提高流場分布均勻性、減少系統(tǒng)壓力損失變化和可實施性等角度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，兩種方案均能提高除塵器陽極管束區(qū)域煙氣流場分布的均勻性。

1 側(cè)出濕式靜電除塵器簡介

本文的研究對象為某電廠側(cè)出濕式靜電除塵器設(shè)備，該除塵器為管式除塵器，設(shè)計尺寸及參數(shù)如表1所示。除塵器安裝在二級脫硫塔豎直煙道出口位置，脫硫塔與除塵器之間設(shè)置有常規(guī)圓環(huán)形均流板，二級脫硫塔內(nèi)設(shè)置有兩層噴淋層及兩層除霧器，除塵器出口位置設(shè)有側(cè)出煙道。

表1 設(shè)備設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of the equipment

2 模型構(gòu)建與優(yōu)化評價

2.1 模型簡化

根據(jù)實際運行環(huán)境，在滿足工程要求的條件下，為便于模擬計算，做出如下假設(shè)和簡化：均流板厚度對煙氣流場分布影響較小，假設(shè)均流板厚度為0 mm，呈片體結(jié)構(gòu)；建模過程中忽略內(nèi)撐桿、支撐梁等結(jié)構(gòu)件對流場的影響；實際工程中系統(tǒng)漏風(fēng)量較少，因此不考慮系統(tǒng)漏風(fēng)量，系統(tǒng)進(jìn)出口煙氣量守恒；煙氣中灰濃度很低，灰塵顆粒所占的體積分?jǐn)?shù)很小，因此忽略灰塵顆粒的影響；煙氣的流動是定常流動，系統(tǒng)內(nèi)任意一點煙氣的密度和壓力不隨時間變化；煙氣為不可壓縮理想氣體；除霧器簡化為多孔介質(zhì)，假設(shè)除霧器的黏性阻力特性在x、y、z三個方向上有所差異。

2.2 模型選擇

除塵器內(nèi)部煙氣流場的控制方程可表示為：

式中：?為通用變量；ρ為氣體密度，kg/m3；u為氣相速度，m/s；Γ為廣義擴散系數(shù)；為瞬態(tài)項；t為時間，s；div(ρu?)為對流項；div(Γgrad?)為擴散項；S為源項。

根據(jù)除塵器內(nèi)煙氣流動情況，采用Realizable k-epsilon 湍流模型來模擬系統(tǒng)內(nèi)煙氣的湍流運動。采用分離求解器進(jìn)行計算，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法求解，動量離散采用二階迎風(fēng)差分格式。

將除霧器視為多孔介質(zhì)，對該位置的壓力損失進(jìn)行模擬，公式見式（2）：

峰9的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 515［M－H］-，與異綠原酸C一致，二級質(zhì)譜顯示主要碎片離子為353［M‐C9H6O3‐H］-、191［M‐C9H6O3‐C9H6O3‐H］-，且出峰時間優(yōu)先于異綠原酸C，與文獻(xiàn)報道［16］一致，故推斷為異綠原酸A。

式中：Si為i方向上動量源項，Pa/m；μ為流動動力粘度，Pa·s；α為介質(zhì)滲透性，m/d；vi為i方向上的速度分量，m/s；C2為內(nèi)部阻力因子，1/m；g為重力加速度。

濕法脫硫漿液液滴流動的控制方程可表示為：

式中：u為氣相速度，m/s；up為液滴速度，m/s；ρp為液滴密度，kg/m3；FD()u-up為液滴單位質(zhì)量曳力，N；Fi為附加質(zhì)量力，N。

2.3 網(wǎng)格劃分

完成除塵器模型構(gòu)建后，對除塵器系統(tǒng)各設(shè)備及連接管道進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，如圖1 所示。整體采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式進(jìn)行劃分，均流板及噴淋管位置的網(wǎng)格采用size function進(jìn)行局部加密處理。為使模擬結(jié)果更接近實際情況，未將陽極管束區(qū)域簡化為多孔介質(zhì)，而是按分區(qū)方式對其進(jìn)行模擬。采用分塊劃分法將模型分為脫硫塔、中間導(dǎo)流裝置、除塵器三部分，網(wǎng)格數(shù)量約為1200 萬個。為保證系統(tǒng)入口（脫硫塔部分）煙氣流場分布的一致性、減少網(wǎng)格變化帶來的影響，優(yōu)化過程中只對除塵器入口處的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，除塵器其他區(qū)域及脫硫塔部分的網(wǎng)格保持不變。

圖1 濕式靜電除塵器網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of grid division of wet electrostatic precipitator

2.4 邊界條件設(shè)置

模型邊界條件根據(jù)項目方提供的運行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本文選擇一級吸收塔除霧器出口作為模型入口，煙氣入口邊界條件為速度入口（Velocity Inlet），假設(shè)入口處煙氣組分為單一組分，入口截面速度均勻分布。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口（Pressure Outlet），出口壓力為1 個大氣壓。模型近壁面選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。當(dāng)離散相較難收斂時，通過調(diào)節(jié)動量亞松弛因子來保證收斂性。液滴模擬采用離散向模型（Discrete Phase Model，DPM）中的injection 射入系統(tǒng)，液滴接觸壁面并沿壁面流下或降落至漿液池液面時認(rèn)為逃逸，處理為escape；液滴觸及噴淋層壁面時認(rèn)為反彈，處理為reflect，液滴反彈后法向動能減半，切向動能降為0 J。

2.5 評價指標(biāo)

為定量評價速度分布均勻性，用速度標(biāo)準(zhǔn)偏差定義了速度分布偏差系數(shù)。所謂速度分布偏差系數(shù)，就是除塵器內(nèi)某截面上的速度偏差偏離標(biāo)準(zhǔn)平均值的百分量，計算方法見式（4）：

式中：CV為速度分布偏差系數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差；xˉ為速度平均值。其中，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ和速度平均值xˉ的計算公式見式（5）和式（6）：

式中：n為樣本數(shù)；xi為樣本速度，m/s。

3 結(jié)果與討論

3.1 煙氣偏流原因分析

圖2 陽極管束入口上游0.5 m處橫截面速度分布矢量圖及云圖Fig.2 Velocity distribution vector diagram and cloud diagram of the cross section at 0.5 m upstream of the anode tube bundle entrance

圖3給出了設(shè)置常規(guī)圓環(huán)形均流板方案下系統(tǒng)氣液兩相的流場分布。從圖中可以看出，布置兩層噴淋層較為合理，覆蓋面較廣，有利于氣液充分接觸，配合除霧器能夠?qū)煔馄鸬捷^好的均流作用。從除霧器出來的煙氣分布較為均勻，沒有明顯的渦流、旋流現(xiàn)象，為煙氣進(jìn)入除塵器創(chuàng)造了良好的條件。由此可見，系統(tǒng)內(nèi)煙氣渦流、旋流現(xiàn)象及脫硫塔入口煙道結(jié)構(gòu)等不是導(dǎo)致除塵器陽極管束區(qū)域煙氣偏流的主要因素。此外，由于煙氣先經(jīng)過一級脫硫塔，再進(jìn)入二級脫硫塔，所以二級脫硫塔入口處煙氣溫度相對較低，約為54 ℃。同時，二級脫硫塔內(nèi)煙氣換熱量及溫度梯度變化較小，因此可以排除煙氣溫度分布不均勻?qū)Τ龎m器陽極管束區(qū)域煙氣均勻性的影響。

圖3 系統(tǒng)氣液兩相流場分布Fig.3 Gas-liquid two-phase flow field distribution of the system

圖4 給出了常規(guī)圓環(huán)形均流板設(shè)置方案下各截面的速度分布。觀察中心縱截面速度分布情況可知，脫硫部分煙氣分布相對較為均勻，經(jīng)過除霧器后，煙氣速度分布也無明顯偏差，但經(jīng)過除塵器入口漸擴段后，煙氣開始向出口側(cè)偏流，導(dǎo)致出口側(cè)（區(qū)域A）煙氣流速加快。煙氣分布矢量圖中也顯示出口側(cè)煙氣流速較高。圖中還給出了沿除塵器徑向方向的煙氣速度分布曲線，出口側(cè)煙氣速度高達(dá)3.5 m/s，而另一側(cè)速度約為1.8 m/s，兩側(cè)速度偏差較為明顯。由此可知，除塵器側(cè)出煙道結(jié)構(gòu)不對稱，對上游煙氣產(chǎn)生的壓力不平衡，是導(dǎo)致除塵器陽極管束區(qū)域出現(xiàn)煙氣偏流現(xiàn)象的主要原因，常規(guī)圓環(huán)形均流板無法消除煙氣偏流現(xiàn)象，需要進(jìn)一步優(yōu)化均流板或整流形式，改善煙氣偏流現(xiàn)象。

3.2 優(yōu)化方案流場分析

根據(jù)側(cè)出濕式靜電除塵器內(nèi)部流場分布特點及工程改造經(jīng)驗設(shè)計了兩組優(yōu)化方案，與常規(guī)圓環(huán)形均流板方案進(jìn)行對比分析，如圖5 所示。方案A采用常規(guī)圓環(huán)形均流板；方案B 是在除塵器入口設(shè)置背向出口方向傾斜的均流板組，傾斜的均流板組能夠?qū)煔馄鸬揭髯饔?，隨著偏轉(zhuǎn)角度的減小，除塵器出口側(cè)高流速煙氣將被引流至低流速區(qū)域，偏流現(xiàn)象得到改善；方案C 是在常規(guī)圓環(huán)形均流板上方鋪設(shè)板條進(jìn)行封堵，該方案通過控制封堵密度來調(diào)節(jié)除塵器入口截面不同區(qū)域的局部阻力，對出口側(cè)煙氣高流速區(qū)域進(jìn)行高密度封堵，對低流速區(qū)域進(jìn)行低密度封堵，通過產(chǎn)生壓力梯度來控制除塵器入口截面處的風(fēng)量分配，提升除塵器陽極管束進(jìn)風(fēng)均勻性。方案設(shè)計過程中，已對均流板尺寸、偏轉(zhuǎn)角度及板條封堵率進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試，計算時發(fā)現(xiàn)過多地減小均流板偏轉(zhuǎn)角度或板條封堵率過高會產(chǎn)生較大的額外系統(tǒng)壓力損失，增加風(fēng)機負(fù)擔(dān)。因此，在提高除塵器速度分布均勻性且不過多增加系統(tǒng)壓力損失的前提下，對方案B 和方案C 的布置形式進(jìn)行了優(yōu)化。方案B 中，均流板尺寸為500 mm，均流板組與水平面的最優(yōu)傾斜角度為55°。方案C是以側(cè)出式煙氣出口位置為參照，向塔內(nèi)依次有序地鋪設(shè)板條，出口側(cè)1/3位置、中間1/3位置、出口對側(cè)1/3 位置的板條對流通空間的封堵率依次為0.6、0.4、0.2。

對三種方案下的流場分布進(jìn)行計算，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，方案B和方案C的截面速度分布均勻性優(yōu)于方案A，出口側(cè)煙氣偏流形成的高流速區(qū)域面積大幅縮減。計算結(jié)果表明，調(diào)整均流板形式、大小及角度可以改善煙氣流場分布均勻性，添加封堵板，改變均流板上方的流通面積和阻力也有助于實現(xiàn)煙氣的均勻分布。

對三種方案下除塵器陽極管束入口截面速度分布均勻性和系統(tǒng)壓力損失進(jìn)行分析計算，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，方案B和方案C均滿足煙氣速度分布偏差系數(shù)CV小于0.2 的技術(shù)要求，說明兩種優(yōu)化方案均能有效提高除塵器入口煙氣分布均勻性。相比于方案A，方案B 的系統(tǒng)壓力損失略有減少，方案C 的系統(tǒng)壓力損失則增加了12 Pa?？傮w來說，兩種優(yōu)化方案對系統(tǒng)壓力損失影響較小，不會使風(fēng)機背壓余過大，均具有較高的可實施性。

表2 三種方案計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison of calculation results of three schemes

綜上所述，兩種優(yōu)化方案在保證不過多影響系統(tǒng)壓力損失的前提下均能有效改善煙氣偏流現(xiàn)象，提升除塵器陽極管束區(qū)域煙氣分布均勻性。在實際工程中，方案B適用于新建項目的流場優(yōu)化設(shè)計，方案C的工程改造量小，施工周期短，施工方式較為靈活，適用于改造項目。對現(xiàn)有除塵器進(jìn)行設(shè)備改造時，添加封堵板條更為方便快捷。

板條封堵方案目前已在諸多項目中得到有效應(yīng)用，如魏橋脫硫濕除一體化項目、晨星濕式靜電除塵項目、王晁一期濕除及日鋼若干機組煙氣治理項目等。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示，優(yōu)化改造后各電廠除塵器運行穩(wěn)定、除塵效率顯著提高，說明封堵方案可有效實現(xiàn)煙氣流場的均勻分布。

3.3 工程案例

本文采用方案C對某除塵器除塵效率未達(dá)標(biāo)的項目進(jìn)行了升級改造，采用風(fēng)速儀測試了改造前后除塵器陽極管束入口上游截面速度分布情況，對計算機仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和方案C的實際應(yīng)用效果進(jìn)行了驗證。測點位置及煙氣速度分布測試數(shù)據(jù)如圖7所示，改造前后實測系統(tǒng)壓降和除塵效率如表3所示。結(jié)果顯示，采用分區(qū)封堵優(yōu)化方案對除塵器進(jìn)行改造后，除塵器入口截面流場分布均勻性有明顯改善，系統(tǒng)壓降僅增加15 Pa的情況下，速度分布偏差系數(shù)CV由0.31 降低至0.18，除塵效率由86.2%提高至92.4%。

圖7 改造前后測點位置及速度分布測試結(jié)果Fig.7 Test results of measuring point position and velocity distribution before and after the transformation

表3 改造前后實測數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of measured data before and after transformation

4 結(jié)論

本文以某電廠300 MW機組側(cè)出濕式靜電除塵器為研究對象，通過模擬除塵器內(nèi)部煙氣流場分布情況對煙氣偏流現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出了對除塵器入口導(dǎo)流裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整的優(yōu)化方案，并通過實際工程案例進(jìn)行了驗證，主要結(jié)論如下。

（1）對于側(cè)出濕式靜電除塵器，出口煙道的不對稱結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致煙氣偏流，內(nèi)置常規(guī)圓環(huán)形均流板的方案不再適用。

（2）在除塵器入口設(shè)置背向出口方向傾斜的均流板組和在常規(guī)圓環(huán)形均流板上方鋪設(shè)板條進(jìn)行封堵兩種優(yōu)化方案的速度分布偏差系數(shù)CV均低于0.2，且對系統(tǒng)壓力損失影響較小，說明兩種方案均能夠有效改善煙氣偏流現(xiàn)象，提升除塵器內(nèi)部煙氣分布的均勻性。

（3）將方案C 應(yīng)用于實際工程時，以側(cè)出式煙氣出口位置為參照，依次鋪設(shè)板條，出口側(cè)1/3 位置、中間1/3 位置、出口對側(cè)1/3 位置的板條對流通空間的封堵率依次為0.6、0.4、0.2?，F(xiàn)場實測結(jié)果顯示，陽極管束入口區(qū)域速度分布偏差系數(shù)CV由0.31降低至0.18，除塵效率由86.2%提高至92.4%，方案有效性得到了驗證。