蜂窩管濕式電除塵器內部流動特性研究

戴春喜，梁平，車德勇，劉海婷

（1. 華能伊春熱電有限公司，黑龍江 省伊春市 153000；2. 東北電力大學能源與動力工程學院，吉林省 吉林市 132000）

0 引言

隨著火力發電煙氣排放標準的提高，很多電廠都在進行相關的技術改造工作[1-6]。在降塵處理方面，部分電廠通過在現有除塵方式上增設濕式電除塵器[7-12]來降低顆粒物排放濃度，由于這種除塵方式不需要振打，因此其機械結構簡單，維護工作減小。常用的濕式電除塵器主要有管式除塵器和板式除塵器兩大類，其中管式除塵器結構緊湊，占地面積小，常用于實際技術改造工程中。濕式電除塵器由于內部存在噴霧過程，其內部流動情況比較復雜，因此很難通過實驗對內部流場進行考察。本文以蜂窩管濕式電除塵器為研究對象，基于計算顆粒流體力學(computational particle fluid dynamics，CPFD)方法[13]開發Barracuda 軟件，對其內部情況進行數值模擬，研究煙氣在除塵器內部的流動情況，以期對技術改造可行性研究提供指導。

1 邊界條件與理論方法

蜂窩管濕式電除塵器[14]工作原理是：利用大量細小霧滴在高速運動條件下與粉塵碰撞的概率增加，使得霧滴與粉塵發生凝聚，凝聚后的粉塵在電場力作用下向管壁面移動，最終被捕捉。由于有水霧的存在，管壁面會形成水膜，這些水膜有利于捕捉到的顆粒脫落。為結合后期實驗臺的搭建，本文所分析的濕式電除塵器陽極端采用蜂窩狀的導電玻璃鋼，如圖1 所示，其六邊形內切圓半徑為150 mm，管長為4.5 m，計算單元中包含37根管，收塵面積為173 m2。由于計算過程中主要研究煙氣流動情況，而陰極線結構細小，對煙氣流動影響不大，因此計算模型忽略管中的陰極線結構。入口煙氣流速為4 m/s，霧化噴嘴流速為35 m/s，由于噴射速度較大，本文主要研究霧化液滴運動情況，因此不考慮電場力作用。

圖1 蜂窩管濕式電除塵器結構Fig.1 Structure of honeycomb tube wet electrostatic precipitator

水在噴嘴作用下霧化成液滴，為了簡化計算過程，本文忽略了液滴融合過程，采用CPFD 方法計算除塵器內部的液滴運動情況。CPFD 數值方法最先由Dale M.Snider[15]博士提出，該方法運用歐拉-拉格朗日耦合求解，與其他多相流數值方法不同的是，其求解時采用“顆粒團”的方式將具有同類特征的實際顆粒封裝為計算顆粒，計算顆粒在流場中受到重力、摩擦力和顆粒相互碰撞作用力，氣體相和顆粒相運動通過各自的控制方程完成求解，在這個過程中對應氣體的控制方程[16]為

式中：f為概率分布函數；m為質量；μg為氣相動力黏度；ρp為顆粒相密度；rp為顆粒半徑；fb為由曳力模型決定的系數；υp為顆粒相速度。

本文涉及的曳力模型有Wen-Yu/Ergun 模型[16]，這種模型通過Wen-Yu 模型與Ergun 模型進行線性變換得到，因此由曳力模型決定的系數fb可表示如下：

式中：Ps為大于0 的常數；γ為模型的自有系數，取值范圍為[1.2,5]；ε為構建的一個小量，用于消除模型中奇異點。

2 結果分析

圖2為液滴速度分布情況，其中a、b、c分別為噴嘴停用、噴嘴在蜂窩管內部以及噴嘴在蜂窩管上方對應的噴霧液滴運動情況，可以看出，霧化液滴離開噴嘴時速度極快，隨后就快速下降，當接觸到壁面后速度下降到最低，有部分霧化液滴從出口排出，大部分液滴在下方水池匯集。

圖2 液滴速度分布Fig.2 Velocity distribution of droplets

圖3為3種情況下煙氣在入口方向垂直平面的煙氣速度矢量分布情況，通過對比發現，當噴嘴停用時，煙氣在蜂窩管段流向比較穩定，而當噴嘴工作時，由于噴嘴出口流速較大，會使煙氣流速增加，從而改變局部位置的流場情況，總體上來看3種情況下煙氣流向基本一致。

圖3 煙氣速度矢量分布Fig.3 Velocity vector distribution of flue gas

圖4 為垂直方向上煙氣速度場分布情況，可以看出，當噴嘴停用時，煙氣在蜂窩管段速度分布比較均勻。當噴嘴開啟時，蜂窩管段內部流速會增大，從圖2 可以看出，噴霧速度在離開噴嘴很短距離后便會快速下降，因此煙氣在這個區域因與液滴速度差異較大而被加速，隨后液滴在蜂窩管壁面聚集，占據了部分氣流空間，會出現管壁面煙氣流速較小、中間區域煙氣流速較大的現象，從而造成了b、c中煙氣速度分布呈豎條狀的情況。

圖4 垂直方向上煙氣速度場分布Fig.4 Velocity field distribution of flue gas in vertical direction

圖5 為水平方向上煙氣速度場分布情況，可以看出，在除塵器頂部煙氣存在回流現象，煙氣從入口進入開放空間后未能均勻擴散，因此進入后受到入口正對位置的壁面阻擋，煙氣會沿圓形壁面形成旋渦回流，然后再向下進入蜂窩管。當噴嘴停用時，蜂窩管能夠起到均布流場的作用，因此在蜂窩管段越往下，速度分布越均勻；而當噴嘴在蜂窩管內部或在蜂窩管上方工作時，均會使蜂窩管段煙氣流速不均。

圖5 水平方向上煙氣速度場分布Fig.5 Velocity field distribution of flue gas in horizontal direction

圖6為3種情況下垂直中心線上煙氣流速變化情況，可以看出，當噴嘴停用時，煙氣流速會快速下降，這是由于除塵器上方存在回流，使得煙氣流速存在高速區域，當進入蜂窩管后煙氣快速擴散，速度快速下降。當噴嘴工作時，煙氣流速也呈現下降過程，但由于噴霧的加速作用，煙氣流速隨后會快速上升，當噴嘴在蜂窩管內時，由于單個蜂窩管內空間較狹窄，噴霧釋放的動能只加速少量煙氣，因此管內流速比噴嘴在蜂窩管上方時要大。但由于噴嘴作用范圍較小，噴嘴的位置對煙氣離開蜂窩管段時的速度影響不大。

圖6 垂直中心線上的煙氣流速變化情況Fig.6 Variation of flue gas velocity on vertical centerline

3 結論

采用CPFD方法對噴嘴停用與噴嘴開啟時2種典型布置方式下蜂窩管濕式電除塵器內噴霧和煙氣流動情況進行了研究分析，主要結論如下：

1）噴嘴開啟會影響蜂窩管段的煙氣流速均勻性，同時會使管內煙氣流速上升。

2）霧化液滴速度離開噴嘴后速度會快速下降，當接觸到管壁面后速度下降到最低，這部分液滴會占據煙氣空間，使這部分煙氣速度較小。

3）當噴嘴布置在蜂窩管內時，內部煙氣流速會高于噴嘴布置在蜂窩管上方時的流速，不利于管內粉塵捕獲，但兩者對應的除塵器下方速度基本一致。