于曉紅

(丹麥弗洛微升北京代表處,北京 100102)

A型導(dǎo)流片在靜電除塵器中的應(yīng)用

于曉紅

(丹麥弗洛微升北京代表處,北京 100102)

靜電除塵器內(nèi)氣流分布是影響其脫塵效率的主要因素之一。為提高靜電除塵器的除塵效率,國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程師利用試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬的方式對(duì)如何調(diào)節(jié)除塵器內(nèi)的氣流分布進(jìn)行了大量的研究。無(wú)論是早期提到的均勻氣流法,還是近年來(lái)提到的斜氣流理論,都提及了使用多孔板調(diào)節(jié)靜電除塵器內(nèi)氣流的方法。但是針對(duì)某些靜電除塵器及其設(shè)計(jì)要求來(lái)說(shuō),單純的使用孔板進(jìn)行調(diào)節(jié)氣流已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)方提出的氣流分布指標(biāo)。在這里 A型導(dǎo)流板結(jié)合孔板被用來(lái)調(diào)節(jié)靜電除塵器氣流進(jìn)口罩內(nèi)的氣流,用以達(dá)到優(yōu)化集塵區(qū)氣流分布的目的。通過(guò)使用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了靜電除塵器內(nèi)三維氣流分布狀況,對(duì)比了針對(duì)某靜電除塵器項(xiàng)目單獨(dú)使用多孔板調(diào)節(jié)氣流的分布與使用多孔板與A型導(dǎo)流片相結(jié)合調(diào)節(jié)氣流的方法,提出 A型導(dǎo)流片在調(diào)節(jié)靜電除塵器氣流的優(yōu)勢(shì),及較好的工程應(yīng)用前景。

靜電除塵器;A型導(dǎo)流片;氣流分布;數(shù)值模擬

1 研究背景

靜電除塵器是控制燃煤鍋爐粉塵排放的主要除塵設(shè)備,理論上其除塵效率可達(dá)到 100%,但是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各類(lèi)因素影響了其除塵效率。其中,氣流分布的均勻性是影響靜電除塵器脫塵效率的主要因素之一。氣流分布影響除塵效率主要有兩種方式:第一,在高流速區(qū)內(nèi)的非均勻氣流使除塵效率降低的程度很大,以致不能由低流速區(qū)內(nèi)所提高的除塵效率來(lái)補(bǔ)償;第二,在高流速區(qū)內(nèi),收塵電板表面上的積塵可能脫落,從而引起煙塵的返流損失。這兩種方式影響都較明顯,但當(dāng)氣流分布明顯變壞時(shí),第二種方式的影響會(huì)更大些,有時(shí)甚至使除塵效率下降到僅有 60%或 70%。

為了防止煙道積塵,靜電除塵器入口管道氣流速度一般設(shè)計(jì)為 10～18m/s,而除塵器內(nèi)的氣流速度僅為 0.5～2.0m/s,所以氣流通過(guò)的截面面積變化很大,為了改善靜電除塵器內(nèi)煙氣分布的均勻性,在進(jìn)入集塵區(qū)前必須使用導(dǎo)流板,孔板等來(lái)調(diào)節(jié)氣流,使氣流分布滿足集塵區(qū)內(nèi)均勻性指標(biāo)。

目前,應(yīng)用較為廣泛的方法是使用進(jìn)氣罩內(nèi)安裝孔板的方法調(diào)節(jié)電除塵器內(nèi)的氣流均勻性[1-4]。巴克杜爾公司曾提出在除塵器進(jìn)氣罩內(nèi)使用靜態(tài)渦流混合器調(diào)節(jié)氣流均勻性的方法。本文則基于本公司承接的比利時(shí) Har mon公司的靜電除塵器項(xiàng)目,利用計(jì)算流體力學(xué) (CFD)的方法,對(duì)比研究了 A型導(dǎo)流片與孔板結(jié)合的方式調(diào)節(jié)靜電除塵器內(nèi)氣流分布的特點(diǎn)(本文煙氣量均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值)。

2 計(jì)算模型

本文使用的計(jì)算模型如圖 1示。該項(xiàng)目的靜電除塵器為連接在生物燃料鍋爐后的除塵設(shè)備,內(nèi)設(shè)三個(gè)除塵區(qū)域,每個(gè)集塵區(qū)域有 16個(gè)通道,煙氣通道寬度為 400mm,積塵板高度為 11670mm,寬度為 3410mm。集塵板上方及下方分別設(shè)有板狀支撐梁。

圖 1 計(jì)算模擬使用模型

圖 1所示模型左側(cè)為靜電除塵器煙氣入口側(cè),右側(cè)為煙氣出口側(cè)。由圖 1可知進(jìn)入靜電除塵器的煙道為連續(xù)折轉(zhuǎn)的管道,為了減小系統(tǒng)壓力損失以及減少?gòu)濐^對(duì)除塵器內(nèi)流動(dòng)的影響,在折轉(zhuǎn)位置布置導(dǎo)流片以使氣流能夠跟隨煙道的變化,而不發(fā)生大的回流與分離。

在計(jì)算模擬過(guò)程中,集塵區(qū)域以及煙氣通道均按照實(shí)際設(shè)計(jì)形式及尺寸進(jìn)行模擬,而以往的計(jì)算模擬過(guò)程均未將集塵區(qū)域包含在計(jì)算模型當(dāng)中[2-4],在一定程度上與實(shí)際情況有所偏差。

本文分析的兩個(gè)算例是基于該幾何模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。為了防止灰斗揚(yáng)塵,下部直通灰斗內(nèi)設(shè)置了四塊擋板。為了調(diào)整氣流,進(jìn)氣罩內(nèi)設(shè)置三塊分區(qū)孔板,并在出氣罩內(nèi)設(shè)置一塊分區(qū)孔板。兩個(gè)算例的區(qū)別在于設(shè)計(jì)算例進(jìn)氣罩內(nèi)第二第三塊孔板間安裝了 A型導(dǎo)流片,而對(duì)比算例中則未在進(jìn)氣罩內(nèi)使用導(dǎo)流片,孔板位置及分區(qū)設(shè)置在兩個(gè)算例中相同?？装宓姆植夹问郊伴_(kāi)孔率如圖 2所示,進(jìn)氣煙道的三組導(dǎo)流片與孔板的設(shè)置位置如圖 3所示。

圖 2 進(jìn)氣罩三塊孔板與出氣罩孔板的分布及開(kāi)孔率

圖 3 設(shè)置A型導(dǎo)流片的計(jì)算模型

3 方法及計(jì)算過(guò)程

本文使用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)靜電除塵器進(jìn)行模擬研究,計(jì)算過(guò)程中假設(shè)煙氣在除塵器內(nèi)為定常,等溫及不可壓理想氣體的完全發(fā)展湍流流動(dòng),使用 k-湍流模型進(jìn)行湍流模擬,并在模擬過(guò)程中假設(shè)模型壁面為絕熱壁。模型的空間離散使用計(jì)算前處理軟件 Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在計(jì)算區(qū)域內(nèi)盡可能采用六面體網(wǎng)格,在流動(dòng)變化劇烈的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密。模型空間離散后,對(duì)離散的模型進(jìn)行邊界條件定義,并使用 Fluent軟件進(jìn)行求解。

3.1 控制方程

流體運(yùn)動(dòng)的控制方程包括質(zhì)量守恒方程,動(dòng)量守恒方程,能量守恒方程,以及湍流模型方程。由于前面提到系統(tǒng)內(nèi)使用等溫系統(tǒng)假設(shè),能量守恒方程將不在本部分列出。定常條件下的質(zhì)量守恒方程:

動(dòng)量守恒方程:

Fluent-6.3里有多種湍流模型可以選擇,其中可實(shí)行 (Realizable)k-ε模型是基于標(biāo)準(zhǔn) k-ε兩方程模型發(fā)展起來(lái)適用性較廣且適合工程應(yīng)用的湍流模型,并在本文計(jì)算中選用,湍流動(dòng)能 k及其耗散率ε的模型方程為:

Fluent中使用多孔介質(zhì)階躍 (Porous Jump)邊界條件來(lái)模擬有限厚度孔板在流場(chǎng)中的作用,孔板前后的壓力變化是由粘性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)來(lái)共同定義:

3.2 邊界條件

通過(guò)靜電除塵器的煙氣量為 190800m3/h,系統(tǒng)入口設(shè)為質(zhì)量流量邊界條件,出口設(shè)為壓力出口。由于進(jìn)口煙氣溫度為 190℃,煙氣密度與粘性設(shè)置為 190℃下空氣的密度與粘性?？装暹吔鐥l件使用多孔介質(zhì)階躍 (Porous Jump)來(lái)進(jìn)行模擬,根據(jù)流場(chǎng)特性對(duì)孔板進(jìn)行劃分,使其在不同區(qū)域內(nèi)對(duì)煙氣流場(chǎng)施加不同壓降,從而達(dá)到均勻氣流的目的。壁面使用不可滑動(dòng)壁面邊界條件。壓力計(jì)算使用壓力速度耦合的 S IMPLE格式進(jìn)行求解,二階上風(fēng)格式求解動(dòng)量方程,一階上風(fēng)格式求解湍流模型方程。

4 結(jié)果及討論

本文依據(jù)的靜電除塵器內(nèi)氣流分布均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)的相對(duì)均方根法(RMS):

式中:vi為測(cè)點(diǎn)的流速,為截面的平均流速,m/s;n為測(cè)量截面的測(cè)點(diǎn)數(shù)。該方法中σ值表示各測(cè)點(diǎn)的氣流速度與平均速度的離散程度,σ值越大表示電場(chǎng)內(nèi)氣流分布均勻性越差。

本文提到的計(jì)算結(jié)果均是經(jīng)過(guò)網(wǎng)格依賴性測(cè)試后并且計(jì)算過(guò)程完全收斂的情況下給出的。

比利時(shí) Har mon公司為該靜電除塵器項(xiàng)目提出了如下的設(shè)計(jì)指標(biāo):在檢測(cè)截面 (第一個(gè)集塵區(qū)域入口截面)上的氣流均勻性達(dá)到良好,并在一定程度上滿足斜氣流理論,即靜電除塵器進(jìn)出口截面速度型分布滿足斜氣流理論要求。經(jīng)過(guò)多次模擬計(jì)算,僅通過(guò)調(diào)節(jié)孔板分布及開(kāi)孔率的方式始終無(wú)法滿足氣流均勻性的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。根據(jù)這一情況以及以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),本文提出在進(jìn)口罩內(nèi)的第二、三塊孔板間使用A型導(dǎo)流片解決氣流均勻性的問(wèn)題。

圖 4給出了設(shè)置 A型導(dǎo)流片的靜電除塵器計(jì)算模型,其對(duì)比算例則為除去 A型導(dǎo)流片的計(jì)算模型 (文中未給出計(jì)算模型)。

圖 4 模型內(nèi)流線分布

圖 4給出了兩個(gè)模型內(nèi)的流線分布,A型導(dǎo)流片的作用在圖 4(a)中被明顯的展現(xiàn)出來(lái)。在煙氣流動(dòng)方向調(diào)節(jié)上,A型導(dǎo)流片通過(guò)自身形狀特征生成小區(qū)域渦流對(duì)煙氣在流動(dòng)方向進(jìn)行流量的重新分配及方向的調(diào)整,對(duì)來(lái)自喇叭闊口的主煙氣流在流向上進(jìn)行了微調(diào),使煙氣在進(jìn)入第一集塵區(qū)內(nèi)迅速變?yōu)樗?。由圖 4(b)可看出,未經(jīng) A型導(dǎo)流片調(diào)節(jié)的煙氣在進(jìn)入第一集塵區(qū)內(nèi)始終以流動(dòng)的慣性作用繼續(xù)向斜上或斜下方流入集塵區(qū)域,使得集塵區(qū)域中部出現(xiàn)一個(gè)低速流動(dòng)核區(qū),周邊出現(xiàn)較大的高速流動(dòng)區(qū)域,破壞了流動(dòng)的均勻性。

根據(jù) Har mon公司的要求,檢測(cè)截面設(shè)置在 ESP第一個(gè)集塵區(qū)域的入口處。為了顯示優(yōu)化的結(jié)果,將檢測(cè)截面劃分為 7×11個(gè)子區(qū)域,每個(gè)子區(qū)域的面積約為 915mm×975mm,每個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)為該子區(qū)域速度 v與該截面平均速度的比值,即標(biāo)準(zhǔn)化速度值。經(jīng)過(guò)A型導(dǎo)流片調(diào)節(jié)的煙氣在檢測(cè)截面分布非常均勻,最大絕對(duì)偏差為 +21%和 -27%,最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ =13.6%,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。而對(duì)于未經(jīng)過(guò) A型導(dǎo)流片調(diào)整的煙氣,檢測(cè)截面上的煙氣分布較不均勻,最大絕對(duì)偏差達(dá)到了 +40%和 -54%,最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ =25.9%,無(wú)法滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

A型導(dǎo)流片算例的檢測(cè)截面及 ESP出口截面處的標(biāo)準(zhǔn)化軸向速度型分布如圖 5示。由圖可知,該模型內(nèi)的氣流分布基本符合斜氣流理論要求,即除塵器入口處下半部分速度相對(duì)較高,出口處速度上半部分較高。

圖 5 進(jìn)、出口截面標(biāo)準(zhǔn)化軸向速度分布

為考察A型導(dǎo)流片在實(shí)際工程中應(yīng)用的優(yōu)劣性,經(jīng)計(jì)算得到使用算例中設(shè)置的一組 A型導(dǎo)流片產(chǎn)生的總壓壓損約為 3 Pa左右,相比額外多使用一塊孔板壓損要小很多。這主要因?yàn)?A型導(dǎo)流片設(shè)計(jì)在喇叭闊口的尾端第二與第三塊孔板之間的位置,該處煙氣流速已基本接近集塵區(qū)域內(nèi)煙氣的流速,故總壓損失較小。同時(shí)本項(xiàng)目中使用的 A型導(dǎo)流片的夾角為 60°,有效防止了積灰的產(chǎn)生。與孔板相比,A型導(dǎo)流片材料使用相對(duì)較少,而且加工及安裝都較方便,有利于實(shí)際工程應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

靜電除塵器內(nèi)氣流分布是影響其脫塵效率的主要因素之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程師利用試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬的方式對(duì)如何調(diào)節(jié)除塵器內(nèi)的氣流分布進(jìn)行了大量的研究。近年來(lái)的斜氣流理論中采用多孔板調(diào)節(jié)靜電除塵器內(nèi)氣流的方法。但是單純的使用孔板進(jìn)行調(diào)節(jié)氣流已無(wú)法滿足其的氣流分布指標(biāo)。從上述結(jié)果及討論可以看出,A型導(dǎo)流片在調(diào)節(jié)流動(dòng)方向及調(diào)節(jié)氣流均勻性方面發(fā)揮了很好的作用。盡管多加一層孔板亦會(huì)達(dá)到相同的效果,但無(wú)論在材料使用量,設(shè)備加工安裝,還是壓力損失方面,A型導(dǎo)流片都占有較大的優(yōu)勢(shì),有利于其在實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用。

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Application ofA-shape guide vanes in Electrostatic Precipitator(ESP)

The uniform ity of f low distribution in Electrostatic Precipitator(ESP)is one ofmajor factors influencing the dust removal efficiency.In order to improve the dust removal efficiency in ESP,the world engineers make a lot effort to adjust the flow distribution in ESP by both exper im entalm ethods and num erical s imulations.In bo th the uniform flow theory p resented in the early stage,and the recent presented incline flow theory,po rous plates are m ajormeans to adjust the flow distribution in ESP.But for some special design and tough design requirem ents specified by the client,porous plates cannot fulfill the requirements to some extent.Here,A-shape guide vanes com bined w ith the porous plates are installed in the inlet hood of ESP to make the flow even distribut ion in the collect ion area.Comparisons be tween the case w ith A-shape guide vanes and the one w ithout installing A-shape guide vanes are m ade by results obtained from num erical s imulat ion,and the function of A-shape guide vanes were clearly shown,and the industrial app lication ofA-shape guide vanes is also analyzed.

Electrostatic Prec ip itato r(ESP);A-Shape guide vanes;f low distribution;numerical s imulat ion

X701.2

B

1674-8069(2010)06-045-04

2010-08-16;

2010-11-14

于曉紅 (1975-),女,山東省煙臺(tái)市人,高級(jí)工程師,主要從事煙氣脫硝、靜電除塵及燃燒方面項(xiàng)目的技術(shù)咨詢工作。E-mail:yuxh23@gmail.com