电除尘器进口封头内设置凝聚器对流场的影响

郦建国，刘含笑，姚宇平，袁伟锋，郭 峰，余顺利

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 311800）

0 引言

燃煤电厂产生的细颗粒物（PM2.5）约占全社会总量10%［1］，是大气细颗粒物重要排放源之一，且燃煤产生的细颗粒物通常富集As、Se、Pb、Cr等重金属及多环芳香烃（PAHs）、挥发性有机物（VOCs）等污染物，危害极大。加强火电行业细颗粒物排放控制技术的研究至关重要［2］。

凝聚器一般安装于电除尘器进口烟道内，对进入电除尘器前的粉尘进行分列荷电处理，并通过扰流装置的扰流作用，使带异性电荷的不同粒径粉尘产生速度或方向差异而有效凝聚，形成大颗粒后被电除尘器有效收集，提高电除尘器PM2.5脱除效率。国外公司从1999年就开始研究该技术，至今已有10余套装置的应用业绩，设备运行良好，效果显著。国内相关单位自2008年开始研发，已在300 MW机组、135 MW机组上得到了应用，第三方测试机构对300 MW机组应用工程的测试结果表明，电除尘器出口PM2.5的下降率超过30%，总烟尘质量浓度的下降率超过20%［3－5］。

凝聚器结构简单，提效程度明显，且改造方便，具有很好的应用前景，将其设置在电除尘器前置烟道上时，直烟道直段长度需大于5 m，这就限制了其在某些场合的应用。本文探讨一种将凝聚器布置在电除尘器进口封头内的方法，对其气流分布特性及湍流强度进行分析，旨在为工程设计提供技术参考，扩大凝聚器的应用范围。

1 气流分布

气流分布是影响电除尘器除尘效率的主要因素之一。通过计算流体动力学（CFD）的方法，进行气流分布模拟试验，研究将凝聚器布置在电除尘器进口封头内时，对其气流分布的影响。

1.1 几何模型及网格划分

参照某135 MW机组布置方式，将凝聚器布置在第一、二层分布板之间［6］，并探讨4种不同方案时气流分布状况，如图1所示。

图1 几何模型

方案A：电除尘器原始方案；方案B：第一、二层分布板间增设凝聚器（或称为电凝聚器、双极荷电装置或微颗粒捕集增效装置）；方案C：在方案B的基础上去掉第二层分布板前4个直条；方案D：在方案B的基础上将第二、三层分布板下端割掉0.5 m。

网格划分如图2所示。把几何模型划分成许多个子区域，所有区域均采用六面体结构化网格进行划分，网格总数约为140万个。进口封头内气流分布板设为多孔介质区域，并进行密封处理。

1.2 边界条件

图2 网格划分

设进口封头内速度为12.3 m／s，出口静压为－2 k Pa，进口气流分布板采用多孔介质模型；进口喇叭处的导流片、阳极板及灰斗挡风板等，均采用固体壁面边界条件；空气密度设为0.901 kg／m3（对应工况温度、压力条件下空气密度），计算采用非耦合求解器、湍流模型为k（湍动能）-ε（耗散率）两方程模型、应用标准壁面函数、压力速度耦合方法采用SIMPLE算法、对流项差分格式采用二阶迎风格式。计算过程中可检查变量的残差变化，监视计算的收敛性，当收敛精度达到10－4及监测断面的速度、压力等参数变化很小时，计算完成。

1.3 气流分布要求

根据电除尘器气流分布模拟试验标准，要求电场入口截面相对均方根差σr≤0.25［7］。

式中：vi为各测点风速；v为截面平均风速；n为测点数。

1.4 计算结果及分析

计算不同方案时的第一电场入口速度分布，分别取y＝0截面进口封头处速度云图如图3所示，第一电场入口截面速度云图如图4所示，y＝0截面速度云图如图5所示，第一电场入口截面速度云图如图6所示。

图5 y＝0截面速度云图

由图5可以看出，电除尘器进口封头内具有明显的速度梯度，经导流板导流后，气流被分割打散，并局部改变气流方向，使气流均匀性增强。观察方案D速度云图，由于第二、三层分布板下端割掉0.5 m，因此下端烟气流速较高。由图5可知，电除尘器第一电场入口截面速度分布大部分集中在0.5～1.5 m／s范围内，低流速区域主要集中在截面下端，这是因为分布板下端一般留有一定空隙，下端气流大量从缝隙流过，且受分布板最下端导流板的遮挡，因此第一电场入口有效收尘截面的下端一般为低流速区域。由于煤灰颗粒受重力影响，进入电除尘器内时一般下端煤灰浓度较高，上端浓度低，因此下端流速较低对收尘有利［8］。

图6 第一电场入口截面速度云图

将凝聚器布置到进口封头内，可使煤灰颗粒带上异极性电荷后有效凝聚，但由于封头内流速较低，带电煤灰颗粒容易沉积在接地的气流分布板上，此时需要采取必要的清灰措施，且为了保证封头下端卸灰顺畅，将第二、三层分布板下端割掉0.5m（方案D），观察此时第一电场入口截面速度云图，该有效收尘截面下端存在一个高流速区域，此处高流速对封头下端卸灰有利，但会使有效收尘截面的气流均匀性降低。

计算不同方案第一电场入口有效收尘截面速度的相对均方差σr，方案A的σr为0.154；方案B的σr为0.165；方案C的σr为0.168；方案D的σr为0.20。

进口封头内设置凝聚器后气流均匀性有所降低，但仍满足标准要求（σr为0.25），为保证卸灰顺畅，将第二、三层分布板下端割掉0.5 m（方案D），此时第一电场入口有效收尘截面速度的σr为0.2，仍满足标准要求。

为了进一步保证卸灰顺畅，在方案D的基础上去掉第三层分布板最下端的导流板，计算此时第一电场入口截面速度分布如图7所示，此时截面下端高流速区域流速变得更高，而低流速区域速度变得更低，均匀性进一步降低。经计算，此时第一电场入口有效收尘截面速度的σr为0.32，已经超出标准值（σr为0.25）要求。

图7 第一电场入口截面速度云图及局部放大图

2 颗粒运动轨迹及湍流强度计算

正、负荷电颗粒能否有效凝聚，取决于在其流动区域内是否有足够的湍流强度使其产生足够的速度或方向差异［9－11］，因此对进口封头内颗粒运动轨迹及湍流强度进行了测试。

2.1 几何模型及数学模型

为简化计算，仅取入口烟道扰流柱和进口封头为研究对象，三层气流分布板圆孔均实体建模，如图8所示。

图8 几何模型

k－ε两方程模型模拟流场参数，离散相模型（DPM）模拟颗粒运动轨迹，考虑重量作用，连续相对颗粒作用采用Discrete Random Walk模型，煤灰颗粒真密度值取平均值2 100 kg／m3计算，壁面边界处理为弹射。

2.2 计算结果及分析

各截面湍流强度与颗粒运动轨迹偏移关系如图9所示。

图9 湍流强度与颗粒运动轨迹关系

封头内颗粒运动轨迹如图10所示。

湍流强度为湍流脉动速度与平均速度的比值。第一层分布板所产生湍流强度值最大，其最大值与烟道内扰流柱所产生的湍流强度值相当（参见图9中上面两条曲线）；第二、三层分布板产生湍流强度值较小。观察进口封头内颗粒运动轨迹，发现不同粒径颗粒经过分布板后，轨迹发生明显偏移，且第一层分布板处颗粒偏移幅度较大。因此，若将荷电装置设在第一层分布板之前，会使荷电颗粒有更多的碰撞凝聚的概率，但此时积灰的风险可能会更大。

图10 进口封头内颗粒运动轨迹

3 结论

对于某些除尘器前置水平烟道较短的项目，可将凝聚器布置在电除尘器进口封头内。本文利用数值模拟的方法，探讨将凝聚器布置在第一、二层分布板之间及不同方案时对气流分布的影响，并计算进口封头内颗粒运动轨迹及湍流强度值，结论如下：

1）进口封头第一、二层分布板之间布置凝聚器，对气流均匀性影响不大，可以满足第一电场入口速度均匀性要求。

2）第二、三层分布板下端适当割断及去掉导流板，可有利于卸灰，但对气流均匀性影响较大，实际应用时应谨慎处理。

3）依据湍流强度值推测，将凝聚器布置在第一层分布板之前，可能会使荷电颗粒有更多的碰撞凝聚的概率。

［1］ 叶勇健.对火电厂降低PM2.5颗粒排放的若干问题的探讨［J］.电力建设，2012，33（2）：49-52.

［2］ 陈其颢，朱林，王可辉，等.PM2.5标准及火电行业PM2.5主流控制技术［J］.华东电力，2013，41（5）：1124-1127.

［3］ 中国环境保护产业协会电除尘委员会.燃煤电厂电除尘器选型设计指导书［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［4］ 郦建国，姚宇平，刘含笑，等.凝聚器二维单扰流柱流场计算［J］.华东电力，2013，41（11）：2404-2407.

［5］ 郦建国，梁丁宏，余顺利，等.燃煤电厂PM2.5捕集增效技术研究及应用［C］.第十五届中国电除尘学术会议论文集.2013.

［6］ 王卫群，华伟，张恩先，等.多种电除尘新技术在135MW燃煤机组上的综合应用［C］.第十五届中国科协年会第9分会场：火电厂烟气净化与节能技术研讨会论文集，2013.

［7］ JB／T 7671—2007电除尘器气流分布模拟实验方法［S］.

［8］ 赵刚，李红新.电除尘器气体分布板设计的创新与应用［J］.新世纪水泥导报，2010，（5）：49-50.

［9］ 刘忠，刘含笑，冯新新，等.湍流凝聚器流场和颗粒运动轨迹模拟［J］，中国电机工程学报，2012，32（14）71-75.

［10］刘忠，刘含笑，冯新新，等，超细颗粒物聚并模型的比较研究［J］，燃烧科学与技术，2012，18（3）：212-216.

［11］Hanxiao LIU，Zhong LIU.et，Multiple Vortex Body Vortex Numerical Simulation［J］，Advanced Materials Research，2011，32（14）1755-1758.