過濾速度對(duì)200 MW 機(jī)組電袋復(fù)合除塵器流場(chǎng)分布影響的數(shù)值對(duì)比

張立棟，郭婷婷，李少華

（1．東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012；2．中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市 石景山區(qū) 102206）

0 引言

根據(jù)《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的分析，潔凈煤發(fā)電技術(shù)仍將是“十三五”燃煤發(fā)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展的核心[1]。工業(yè)污染源排放出的粉塵顆粒是懸浮在大氣中的，當(dāng)它超過一定濃度時(shí)就會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有害影響，引起灰霾，同時(shí)危害人體健康。作為細(xì)顆粒物的生成來源，人為源主要包含固定源及流動(dòng)源，固定源包括各種燃料燃燒源，如燃煤過程可產(chǎn)生大量的人體可吸入顆粒物[2]。因此，火電廠的環(huán)保治理正在從控制端的濃度控制到質(zhì)量控制的技術(shù)轉(zhuǎn)變[3]。

電袋復(fù)合除塵技術(shù)除塵率一般大于 99.5%，普通電袋復(fù)合除塵器出口顆粒物濃度可控制在20 mg/m3以下[4]。電袋復(fù)合式除塵器經(jīng)過優(yōu)化整合，使其中粉塵通過電場(chǎng)帶電，利用荷電粉塵的氣溶膠效應(yīng)提高濾袋過濾效率，同時(shí)減少布袋的損耗，延長(zhǎng)了布袋使用壽命[5]。文獻(xiàn)[6]對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中燃煤電廠的電除塵器、袋除塵器、電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM10及PM2.5進(jìn)行捕集效率對(duì)比試驗(yàn)，通過對(duì)比得出了以出口排放總質(zhì)量濃度和PM10和PM2.5分級(jí)的質(zhì)量濃度為指標(biāo)，除塵效果最好的為電袋復(fù)合除塵器、其次為袋式除塵器。文獻(xiàn)[7]通過對(duì)3種除塵器對(duì)比實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，得出電袋復(fù)合除塵器具有較高的 PM2.5脫除效率。文獻(xiàn)[8]對(duì)我國(guó)6個(gè)燃煤電廠細(xì)顆粒物排放量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量并與美國(guó)及加拿大的相應(yīng)排放水平進(jìn)行對(duì)比，顯示這 6個(gè)代表性電廠的 PM10及PM2.5的排放因子遠(yuǎn)大于美國(guó)和加拿大的水平。文獻(xiàn)[9]在不同過濾速度下對(duì)PM10除塵效果在電袋復(fù)合除塵器進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，得出除塵器的壓降與過濾速度之間存在著線性關(guān)系。文獻(xiàn)[10-11]對(duì)電袋復(fù)合除塵器中的靜電區(qū)與布袋區(qū)之間的結(jié)合部分及氣流分布板的開孔率進(jìn)行詳盡的實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[12]分析了 7種開孔率及孔板的布置對(duì)電袋復(fù)合除塵器中孔板對(duì)顆粒物脫除的影響規(guī)律，不同孔板對(duì)電袋復(fù)合除塵器內(nèi)的電場(chǎng)及流場(chǎng)均有一定的影響。文獻(xiàn)[13]通過實(shí)驗(yàn)證明電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5粒子的收集效率隨粒子尺寸的減小而降低，但對(duì)于0.03－0.2 μm的粒子收集效率會(huì)再次提高。文獻(xiàn)[14]對(duì) 660 MW 機(jī)組配套的電袋復(fù)合除塵器進(jìn)行脫除多污染物的效果研究，結(jié)果表明其對(duì)Hg、SO2、SO3的脫除效果良好。

數(shù)值模擬方面，文獻(xiàn)[15]對(duì)電袋復(fù)合除塵器中除塵器的流量不均等情況進(jìn)行數(shù)值模擬；文獻(xiàn)[16]對(duì)電袋復(fù)合除塵器的氣流入口流速及電凝并區(qū)前水平管道長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)值研究；文獻(xiàn)[17]對(duì)150 MW 機(jī)組電袋復(fù)合除塵器的氣流分布進(jìn)行數(shù)值研究；文獻(xiàn)[18]對(duì)1 000 MW機(jī)組的電袋復(fù)合除塵器內(nèi)煙氣量、壓降以及粉塵比電阻3個(gè)因素進(jìn)行數(shù)值研究，得出最佳除塵效率對(duì)應(yīng)的壓降范圍及溫度范圍。從文獻(xiàn)模型中看，以上數(shù)值研究電袋復(fù)合除塵器時(shí)，都未對(duì)灰斗的影響進(jìn)行研究，本文研究了不同過濾速度下除塵器內(nèi)流場(chǎng)區(qū)別，同時(shí)也分析了灰斗產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵現(xiàn)象。

通過以上分析，雖然除塵器的壓降與過濾速度存在線性關(guān)系，但除塵器內(nèi)部流動(dòng)空間較大，電極及布袋的布置位置都會(huì)對(duì)流動(dòng)的不均勻產(chǎn)生較大影響，因此本文通過研究不同過濾速度下的電袋結(jié)合除塵器中流動(dòng)速度不均勻性。

1 模型建立及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 仿真模型數(shù)值模擬參數(shù)

該機(jī)組煙氣氣流從進(jìn)口進(jìn)入除塵器，攜帶灰塵顆粒的煙氣依次通過2個(gè)電場(chǎng)除塵室和3個(gè)袋式除塵室。含塵煙氣流經(jīng)過電除塵區(qū)的2個(gè)電場(chǎng)除去煙氣中顆粒較大的粉塵，含較小粉塵顆粒的氣體再進(jìn)入袋除塵區(qū)經(jīng)過濾袋的過濾進(jìn)入凈氣室，得到潔凈的氣體經(jīng)由除塵器出口離開電袋復(fù)合除塵器，經(jīng)過簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。

圖1 電袋復(fù)合除塵器物理模型Fig. 1 Model of electrostatic-fabric integrated precipitator

電袋復(fù)合除塵器模型基本幾何參數(shù)。電除塵區(qū)：長(zhǎng)10 400 mm、寬13 100 mm、高14 800 mm；一個(gè)袋除塵室長(zhǎng)為15 600 mm，寬5 800 mm，高14 800 mm，濾袋直徑300 mm、長(zhǎng)8 000 mm，濾袋為12排12列，間距是400 mm×400 mm，共432個(gè)濾袋；凈氣室長(zhǎng)15 600 mm，寬5 800 mm，高4 200 mm，除塵器總過濾面積21 200 m2。

采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)電袋復(fù)合除塵器的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，通用控制方程的離散采用有限容積法，對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式，流體壓力－速度耦合基于SIMPLE算法。

采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法，對(duì)電袋復(fù)合除塵器的不同區(qū)域進(jìn)行前處理。劃分出了4種不同網(wǎng)格數(shù)量，經(jīng)過計(jì)算得出 1 100萬網(wǎng)格與實(shí)際出口壓力值做比較接近，出口負(fù)壓為 2 850 Pa，湍流強(qiáng)度I和水力直徑d分別見公式(1)和公式(2)。各壁面均設(shè)為無滑移壁面，空氣密度ρ為 1.225 kg/m3，黏度μ為 2.425×10-5kg/m3；濾料的厚度Δm=2 mm，滲透率k見公式(3)，內(nèi)部阻力系數(shù)C見公式(4)。式中：Re為雷諾數(shù)；u為來流速度；Dp為顆粒當(dāng)量直徑；ε 為開孔率。

1.2 流場(chǎng)測(cè)定理論評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于袋除塵區(qū)內(nèi)部截面各點(diǎn)的氣流速度不同，以相對(duì)均方根公式(5)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其特點(diǎn)是對(duì)速度場(chǎng)的不均勻值反應(yīng)比較靈敏，其均方根越大，不均勻度越高。

式中：vi為測(cè)點(diǎn)的流速，m/min；為截面的平均流速，m/min；n為截面的測(cè)定點(diǎn)數(shù)。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同過濾速度對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)影響

通過比較在不同過濾風(fēng)速電袋復(fù)合除塵器中的速度云圖(圖 2)和流線圖(圖 3)，分析不同過濾風(fēng)速的影響程度。

均勻煙氣流進(jìn)入袋除塵區(qū)后，由于袋式除塵器的濾袋區(qū)對(duì)氣流的阻擋作用，使得均勻煙氣下行加速，在濾袋與灰斗間的區(qū)域形成速度變化梯度較大的不穩(wěn)定空間。圖2(a)是速度為0.8 m/min，在Z=2 450 mm平面區(qū)域中濾袋與灰斗間的區(qū)域，可以看到煙氣的“高速區(qū)”。此區(qū)域主要出現(xiàn)在前2個(gè)布袋除塵單元以及最后一個(gè)單元的前半個(gè)區(qū)域，后期由于煙氣向后輸運(yùn)過程中遇到了除塵室墻面的阻擋作用，形成上升氣流，與之前的高速氣流疊加，造成了“高速區(qū)”的上揚(yáng)。由于氣流速度變化緩慢，濾袋區(qū)煙氣速度分布均勻，即煙氣量較均勻。濾袋底部“高速區(qū)”最大氣流速度為7.5 m/min；濾袋區(qū)最大氣流速度在后墻上部濾袋處，為5.3 m/min，最小氣流速度在濾袋區(qū)前端1.3 m/min。

圖2(b)是速度為1.2 m/min的云圖，電袋復(fù)合除塵器內(nèi)部氣流速度等值區(qū)出現(xiàn)了明顯的分區(qū)狀態(tài)，電除塵區(qū)的低速氣流區(qū)(b-a區(qū))與后部的高速氣流區(qū)(b-b區(qū))分界明顯，并且在后墻上部濾袋處出現(xiàn)了狹長(zhǎng)的高速氣流區(qū)(b-c區(qū))，這將增大濾袋負(fù)荷的不均勻度，降低高速區(qū)濾袋使用壽命。本工況，濾袋底部空間最大氣流速度11 m/min，濾袋區(qū)的最大氣流速度同樣在后墻上部濾袋處，為8.3 m/min，最小氣流速度在濾袋區(qū)的前端為0.8 m/min。速度差較大。

圖2(c)是速度為1.6 m/min的云圖，在此工況下，濾袋下部空間的“高速區(qū)”呈帶狀斜向上延伸至濾袋區(qū)后墻出口。在此區(qū)域內(nèi)，氣流速度大，氣流量大，本工況，濾袋底部空間最大氣流速度為15 m/min，濾袋區(qū)的最大氣流速度在后墻中部濾袋處，為 10.3 m/min，最小氣流速度在濾袋區(qū)的前端下部，為0.4 m/s。速度差值進(jìn)一步增大。

速度為2.0 m/min的云圖如圖2(d)所示，在此工況下電除塵區(qū)風(fēng)速不均勻，出現(xiàn)了下部風(fēng)速大，上部風(fēng)速小的情況，這主要是由于隨著過濾風(fēng)速的提高，電除塵區(qū)入口風(fēng)速也相應(yīng)地提高，導(dǎo)流板及濾袋區(qū)的阻力作用顯著增加，導(dǎo)致大量煙氣流受阻下行的結(jié)果。在濾袋區(qū)的下部空間依舊形成了“高速區(qū)”，最高速度18 m/min，且高速區(qū)域面積較其他速度相比都大，濾袋底部氣流如此高的水平流速將造成濾袋底部損壞。在濾袋區(qū)，除第一袋除塵單元中部氣流速度較小外，最小速度為0.7 m/s，其他部分速度均較高，尤以第二及第三單元為甚，其中最大氣流速度出現(xiàn)在靠近后墻的中部，為13 m/min。

圖2 不同速度Z=2 450 mm截面速度云圖對(duì)比Fig. 2 Nephogram of Z=2 450 mm under variable velocity

速度為2.4 m/min的云圖如圖2(e)所示，在此工況下緊貼濾袋區(qū)后墻及后墻出口處出現(xiàn)了2塊狹長(zhǎng)的高速氣流等值區(qū)，其中濾袋下部空間的最大氣流速度達(dá)20 m/min。由以上分析可以看出，當(dāng)過濾風(fēng)速為0.8 m/min時(shí)，流場(chǎng)分布比較均勻，袋式除塵區(qū)內(nèi)最高速度與最低速度差值最小。且在布袋出口區(qū)域流速分布均勻，沒有出現(xiàn)流速前后分化情況，布袋所承受負(fù)荷較小，有利于延長(zhǎng)布袋的使用壽命。在過濾風(fēng)速為1.2、1.6、2.0 及2.4 m/min的4種工況內(nèi)，均在濾袋區(qū)內(nèi)出現(xiàn)不同程度的高速氣流區(qū)，其中尤以 2.4 m/min工況為甚。說明過濾風(fēng)速越小，袋式除塵區(qū)域的除塵效率越高。而過高的過濾風(fēng)速，不僅會(huì)造成除塵效率低下，還可能因?yàn)轱L(fēng)速過大，對(duì)布袋造成很大沖擊，影響布袋的使用壽命。

圖3為截面流線圖，從圖3可以更加清晰地看到煙氣在除塵器中的流動(dòng)狀況。可以看到電除塵區(qū)以及袋除塵區(qū)的前2個(gè)單元流線分布較為均勻，除塵效果較好，而布袋除塵區(qū)的最后一個(gè)除塵單元，在上揚(yáng)的“高速區(qū)”和灰斗間存在一個(gè)影響范圍較大的渦旋區(qū)域，在這種渦旋結(jié)構(gòu)的作用下，煙氣流將對(duì)灰斗造成嚴(yán)重的沖刷作用，使部分已經(jīng)沉積于灰斗的灰重新被煙氣流卷起，造成二次揚(yáng)塵，增大了濾袋的過濾負(fù)荷，增加濾袋的磨損幾率，影響除塵器的效率。

圖3 不同速度Z=2 450 mm截面流線圖對(duì)比Fig. 3 Streamline diagram of Z=2 450 mm under variable velocity

2.2 袋除塵區(qū)各部分的流場(chǎng)均勻性分析

檢測(cè)截面的選取應(yīng)具有代表性，能夠正確地反應(yīng)布袋除塵區(qū)各部分的流場(chǎng)均勻性。在袋除塵區(qū)，檢測(cè)面(布袋下部空間、布袋區(qū)和凈氣室)是沿y軸方向依次布置8個(gè)面，其中布袋下部空間3個(gè)面分別為y1=1 500 mm，y2=3 540 mm，y3=5 540 mm；布袋區(qū)4個(gè)面分別為y4=7 140 mm，y5=9 750 mm，y6=11 340 mm，y7=13 000 mm；凈氣室1個(gè)面為y8=16 570 mm。

圖4是各個(gè)檢測(cè)面的相對(duì)均方根值對(duì)比。由圖4可以看出，濾袋與灰斗間區(qū)域(y1-y3)，各工況在y1處相對(duì)均方根值σ 相差不多，沿除塵器從底部升高，呈現(xiàn)越接近濾袋區(qū)不均勻度越低，這說明濾袋區(qū)對(duì)氣流的阻礙作用明顯，可使氣流均勻的進(jìn)入濾袋空間；在濾袋區(qū)(y4-y7)，0.8 m/min工況的相對(duì)均方根值明顯優(yōu)于其他工況，并且隨著過濾風(fēng)速的增大，相對(duì)均方根值σ 逐漸增加；在凈氣室(y8)，各工況的相對(duì)均方根值基本相同。從圖4還可以看出，過濾速度為0.8 m/min時(shí)，整體袋除塵區(qū)的不均勻度波動(dòng)幅度最小。過濾風(fēng)速越小，氣流的速度越小；大的過濾風(fēng)速會(huì)降低濾袋的過濾的效果，而小的過濾風(fēng)速能提高濾袋的除塵效率，對(duì)濾袋的磨損也將減小。

圖4 不同速度各個(gè)檢測(cè)面的相對(duì)均方根值對(duì)比Fig. 4 The relative RMS of different calibration surface under variable velocity

3 結(jié)論

本文研究了200 MW機(jī)組的電袋復(fù)合除塵器中5種不同過濾速度對(duì)袋除塵器內(nèi)流場(chǎng)分布及流場(chǎng)均勻性進(jìn)行了數(shù)值研究，得到以下結(jié)論：

1）電袋復(fù)合除塵器內(nèi)部氣流速度出現(xiàn)了明顯的分區(qū)狀態(tài)，在于電除塵結(jié)合的袋除塵區(qū)出現(xiàn)了明顯的高速區(qū)，速度為 1.6 m/min時(shí)的高速區(qū)最小，且隨著速度的增加在袋除塵區(qū)靠近出口的后墻上部濾袋處出現(xiàn)了狹長(zhǎng)的氣流聚集區(qū)，這將增大濾袋負(fù)荷的不均勻度。

2）通過流線圖可以看出，在灰斗區(qū)產(chǎn)生一定量的漩渦，對(duì)已經(jīng)脫除下來的灰產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，增大袋除塵的負(fù)荷。

3）在袋除塵下部區(qū)域、袋除塵區(qū)域及凈氣室區(qū)域選取有代表的截面進(jìn)行流場(chǎng)均勻性檢驗(yàn)，得出速度為0.8 m/min時(shí)的不均勻性波動(dòng)最小，且在袋除塵區(qū)隨著速度增大流場(chǎng)不均勻性也增大，但同時(shí)隨著高度的增高整體都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。