基于商業CFD軟件的ESP氣固兩相流數值模擬

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(浙江菲達環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，對電除塵器(簡稱ESP)的除塵性能及穩定性要求也越來越高，流場優劣對電除塵性能的影響也更加明顯。《電除塵器 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作出相關要求。國外已有學者運用CFD軟件模擬電除塵器、進出口煙道、及相關附屬設備內流場參數，并替代物摸試驗，對導流裝置等進行結構優化已成為現實[1-5]。

1 氣流分布優化建議

基于多年的數值模擬經驗，從煙道走向、煙道內導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、系統流場及壓力損失等進行了分析，并歸納氣流分布優化建議。

1.1 從煙道設計著手，給出合理的煙道走向

進口煙道應盡可能對稱設計，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。空氣預熱器出口處，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。進口煙道各支管結構、彎頭數量等盡可能一致，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置導流方案

給出合理的導流板布置方案，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，煙道內增設導流裝置，煙道內流場明顯改善，壓力損失有所減小。

1.3 電除塵器氣流分布件“標準化+個性化”設計

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布置阻流加導流型的氣流分布件，即進口喇叭內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流葉片，分布板阻流起氣流擴散作用，導流葉片起改變氣流方向的導流作用，并適宜調整導流葉片的數量及位置，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、數學模型及邊界條件

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，網格數量約53萬。基于商業CFD軟件，連續相的湍流模型采用k-ε模型。將煙道及電除塵器內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，速度設為12 m/s；出口邊界條件為壓力出口，壓力設為-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模型。各導流板、陽極板、擋風板等邊界條件均設置為固體壁面，顆粒相處理為彈性碰撞(reflect)。

3 計算結果

煙氣量計算結果如圖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%。導流板及阻流板布置前后，指標得到明顯改善，且導流板及阻流板布置后，電除塵器各進口煙道內煙氣流量與理想分配流量的相對誤差明顯優于JB/T 7671-2007規定的±5%的要求。

圖1 煙道流量分配情況

顆粒相流量計算結果如圖2所示。導流板及阻流板布置前，電除塵器進口顆粒相質量流量分別為1.43、2.46、1.55 kg/s，流量偏差分別為-21.3%、+35.8%、-14.5%；布置導流板及阻流板后，電除塵器進口顆粒相質量流量分別為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，顆粒相流量也應保持基本一致。

圖2 顆粒相分配情況

粒徑分布計算結果如圖3所示。導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、充分發揮各室的除塵性能。

圖3 顆粒相各級粒徑分布偏差

4 結論

布置導流板及阻流板后，電除塵器進口流量偏差分別為-1.7%、+0.6%、+1.1%，指標遠優于標準要求。電除塵器進口顆粒相質量流量偏差分別為-0.2%、+1.2%、-1.0%。顆粒相質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。