基于商業(yè)CFD軟件的ESP氣固兩相流數(shù)值模擬

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(浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

隨著燃煤電廠煙塵排放要求的趨嚴(yán)，對電除塵器(簡稱ESP)的除塵性能及穩(wěn)定性要求也越來越高，流場優(yōu)劣對電除塵性能的影響也更加明顯?！峨姵龎m器 氣流分布模擬試驗方法》(JB/T 7671-2007)要求電除塵器各封頭(室)的流量與理想分配流量的相對誤差不超過±5%，各電場入口截面煙氣流速的相對均方根差不超過0.2，但并未對顆粒相參數(shù)作出相關(guān)要求。國外已有學(xué)者運用CFD軟件模擬電除塵器、進出口煙道、及相關(guān)附屬設(shè)備內(nèi)流場參數(shù)，并替代物摸試驗，對導(dǎo)流裝置等進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化已成為現(xiàn)實[1-5]。

1 氣流分布優(yōu)化建議

基于多年的數(shù)值模擬經(jīng)驗，從煙道走向、煙道內(nèi)導(dǎo)流和擾流裝置及電除塵器氣流分布件等方面對進入電除塵器各室煙氣量及粉塵量分配、系統(tǒng)流場及壓力損失等進行了分析，并歸納氣流分布優(yōu)化建議。

1.1 從煙道設(shè)計著手，給出合理的煙道走向

進口煙道應(yīng)盡可能對稱設(shè)計，這能保證進入電除塵器各室煙氣量、粉塵量一致，壓力損失平衡?？諝忸A(yù)熱器出口處，速度、溫度分布分布不一定均勻，接口煙道宜留有一定長度的煙氣混合段，使煙氣混合均勻后，再分各支煙道，給流量分配調(diào)整留有余地。各分支煙道前，避免采用斜向和變徑煙道，避免慣性引起的粉塵量的偏差。進口煙道各支管結(jié)構(gòu)、彎頭數(shù)量等盡可能一致，保證進入電除塵器各室煙氣量、粉塵量基本一致。

1.2 確定了合適的煙道內(nèi)置導(dǎo)流方案

給出合理的導(dǎo)流板布置方案，在滿足流量分配合理的同時，最大限度的保證各室入口顆粒相均一。電除塵器煙道布置導(dǎo)流裝置后，粉塵的慣性作用等影響減小，煙道入口粉塵不同粒徑分布及質(zhì)量中位徑對進入電除塵器各室粉塵量分配影響不明顯，各粒徑段顆粒相偏差可明顯減小。另外，煙道內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流裝置，煙道內(nèi)流場明顯改善，壓力損失有所減小。

1.3 電除塵器氣流分布件“標(biāo)準(zhǔn)化+個性化”設(shè)計

煙氣進入電除塵器一般都是小斷面的煙道過渡到大斷面的電場。在電除塵器進口喇叭內(nèi)布置阻流加導(dǎo)流型的氣流分布件，即進口喇叭內(nèi)布置的三道氣流分布板(多孔板)，在第二道、第三道氣流分布板上布置導(dǎo)流葉片，分布板阻流起氣流擴散作用，導(dǎo)流葉片起改變氣流方向的導(dǎo)流作用，并適宜調(diào)整導(dǎo)流葉片的數(shù)量及位置，保證第一電場入口截面氣流分布的均勻性。在出口喇叭大法蘭處設(shè)置一道氣流分布板(槽型板)來保證末電場出口處氣流分布。

2 幾何模型、數(shù)學(xué)模型及邊界條件

以某3室4電場電除塵器為例，按工程實際尺寸進行全尺寸建模，網(wǎng)格數(shù)量約53萬。基于商業(yè)CFD軟件，連續(xù)相的湍流模型采用k-ε模型。將煙道及電除塵器內(nèi)飛灰顆粒的運動簡化為稀疏氣固兩相流，采用離散相模型(DPM)對顆粒進行模擬。

進口邊界條件為速度進口，速度設(shè)為12 m/s；出口邊界條件為壓力出口，壓力設(shè)為-2000Pa，顆粒相處理為逃逸(escape)；電除塵器進口封頭氣流分布板采用多孔介質(zhì)模型。各導(dǎo)流板、陽極板、擋風(fēng)板等邊界條件均設(shè)置為固體壁面，顆粒相處理為彈性碰撞(reflect)。

3 計算結(jié)果

煙氣量計算結(jié)果如圖1所示。流板及阻流板布置前，電除塵器進口流量分別為173.0、269.3、168.7 m3/s，流量偏差分別為+14.8%、+32.7%、-16.9%；布置導(dǎo)流板及阻流板后，電除塵器進口流量分別為205.8、205.0、200.2 m3/s，流量偏差分別為+1.1%、+0.6%、-1.7%。導(dǎo)流板及阻流板布置前后，指標(biāo)得到明顯改善，且導(dǎo)流板及阻流板布置后，電除塵器各進口煙道內(nèi)煙氣流量與理想分配流量的相對誤差明顯優(yōu)于JB/T 7671-2007規(guī)定的±5%的要求。

圖1 煙道流量分配情況

顆粒相流量計算結(jié)果如圖2所示。導(dǎo)流板及阻流板布置前，電除塵器進口顆粒相質(zhì)量流量分別為1.43、2.46、1.55 kg/s，流量偏差分別為-21.3%、+35.8%、-14.5%；布置導(dǎo)流板及阻流板后，電除塵器進口顆粒相質(zhì)量流量分別為1.88、1.93、1.90 kg/s，流量偏差分別為-1.0%、+1.2%、-0.2%。為保證電除塵器各室充分發(fā)揮其除塵性能，在保證進入電除塵器各室煙氣量盡量一致的前提下，顆粒相流量也應(yīng)保持基本一致。

圖2 顆粒相分配情況

粒徑分布計算結(jié)果如圖3所示。導(dǎo)流板及阻流板布置前后電除塵器進口煙道顆粒相粒徑分布最大偏差分別為-26.1%、4.9%。電除塵器布置導(dǎo)流板及阻流板后，顆粒相的慣性作用等影響明顯減小，各級粒徑分布偏差明顯減小，尤其是大粒徑段顆粒，改善幅度最顯著。保持電除塵器各分室入口顆粒相流量一致性和粒徑分布特征的一致性，有利于科學(xué)、充分發(fā)揮各室的除塵性能。

圖3 顆粒相各級粒徑分布偏差

4 結(jié)論

布置導(dǎo)流板及阻流板后，電除塵器進口流量偏差分別為-1.7%、+0.6%、+1.1%，指標(biāo)遠優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。電除塵器進口顆粒相質(zhì)量流量偏差分別為-0.2%、+1.2%、-1.0%。顆粒相質(zhì)量流量偏差均未超過5%。顆粒相的慣性作用等影響明顯減小，各級粒徑分布偏差明顯減小，尤其是大粒徑段顆粒，改善幅度最顯著。