CFD技术在电除尘器烟道流场优化中的应用

李立锋

(福建龙净环保股份有限公司实验研究中心，福建龙岩364000)

CFD技术在电除尘器烟道流场优化中的应用

李立锋

(福建龙净环保股份有限公司实验研究中心，福建龙岩364000)

电除尘器作为大气污染治理的主要设备，在环保标准越来越严格的环境下，应发挥更加重要的作用。烟道的流量分配和气流分布对电除尘器性能有着重要的影响，采用fluent软件对烟道内不同导流板的布置对流场的影响进行模拟分析，结果表明，弧形导流板对烟道流场分布均匀性及降低烟道阻力都有明显效果，为电除尘器烟道优化设计提供参考。

电除尘器;烟道;流场;fluent;优化

0 引言

电除尘器具有运行稳定、处理量大、能量低、除尘效率高等特点，是处理大气污染的有效手段［1－2］。根据新修订的国家标准《火电厂大气污染物排放标准》，已将燃煤电厂的粉尘排放浓度降为30mg/m3，因此对电除尘器的性能提出了更高的要求。影响电除尘器性能的因素很多［3］，电除尘器烟道内的流场分布及流量分配是其中一个重要因素，烟道内流场均匀性越好，流量分配越均衡，电除尘器性能发挥的越好。通常，对烟道流量分配的调整是通过烟道内设置导流板的方法，烟气经过导流板的导流后，可以在短距离内相对均匀的分配到各烟道内，不仅可以避免粉尘在烟道内局部沉积，也可避免烟道内局风速过高而磨损。

目前，对电除尘器烟道流场进行优化主要采用物模试验和CFD数值模拟方法。物模试验是建立电除尘器烟道的物理模型，通过测试烟道断面多点的风速，进而对流量分配进行优化调整，但这种方法存在测试时间长，人力物力耗费大，烟道内气流运动情况无法观察等问题。而CFD数值模拟方法利用计算机建模并对流场进行模拟计算，流场分布情况可通过图形、数据等直观显示，并根据模拟结果分析和优化电除尘器烟道内的流场分布，为电除尘器的设计提供参考［4－5］。

本文以某电厂660MW机组配套电除尘器进口烟道为例，采用数值模拟方法对进口烟道中不同导流板的设置对烟道流场及流量分配进行研究，以确定合理的导流板布置方式，并对不同布置方式进行物模试验以验证CFD模型的准确性及合理性，为电除尘器的设计及稳定运行提供参考依据。

1 控制方程及边界条件

电除尘器的流场为复杂三维湍流流场，因此，模拟时选择湍流模型;计算时假设气体不可压缩，定常流动;计算过程中未考虑传热问题;计算采用标准双方程模型求解湍流问题，壁面边界层采用壁面函数法处理;控制方程包括连续性方程、动量方程、k方程和ε方程［6－8］。

连续性方程为:

动量方程为:

其中:ρ为空气密度;ui、uj为空气速度;μ为空气的粘性;p为压力;Si为源项。

湍动能k方程为:

扩散率ε方程为:

式中:Gk为层流速度梯度而产生的湍流动能;Gb为浮力产生的湍流动能;YM为可压缩湍流中的脉动扩张;C1ε，C2ε，C3ε为常量;σk和σε为Prandtl数;Sk和Se为自定义源项。

数值求解过程中的边界条件为:进口边界条件为速度进口边界条件;出口边界条件为压力出口边界条件;导流板、壁面采用无滑移固体壁面边界条件。数值计算采用FLUENT软件，控制方程采用有限体积法离散，计算选择SIMPLE算法，对流差分格式采用一阶迎风格式。

2 几何模型及网格

模拟范围是从空气预热器出口到电除尘器进口喇叭小口处的进口烟道，模型与实体比例为1∶1，采用Hex/Wedge方式进行网格划分，模型网格划分如图1所示，先进行网格无关性验证，最终模型网格数量约为40万。

图1 模型网格

3 试验方案

本文对烟道分叉处设置不同导流板情况进行CFD模拟及物模试验，各试验方案的烟道内导流板的布置情况如下:方案A为在烟道分叉处设置分流板，方案B为在烟道分叉处设置直板导流板，方案C为在烟道分叉处设置弧形导流板。

4 结果与讨论

对烟道内不同导流板布置方式的模拟及试验结果如图2～7和表1所示。

图2、5为方案A模拟及试验结果，结果显示，虽然流量分配＜±5%，但烟道内流场分布均匀性较差;在分流板后边存在大涡流，会使烟道阻力增加且在分流板后易积灰。图3、6为方案B的模拟结果，与方案A的结果相比，流量分配、气流分布均匀性均有所改善，但在局部依然存在涡流，且系统阻力略有增加。图4、7为方案C的模拟结果，与前两种方案相比，流量分配及气流分布均匀性进一步改善，且消除了烟道内涡流，系统阻力有明显降低。

图2 方案A流场分布云图

图3 方案B流场分布云图

图4 方案C流场分布云图

图5 方案A烟道测试断面速度分布云图

图6 方案B烟道测试断面速度分布云图

图7 方案C烟道测试断面速度分布云图

从图5～7和表1可以看出，模拟结果与试验结果是相吻合的，说明模拟时所选模型是准确的。

表1 模拟结果与试验结果对比表

5 结语

(1)采用fluent软件对电除尘器烟道内流场进行了模拟分析。通过在烟道中设置导流板，流场有了明显改善。

(2)通过对比不同导流板对烟道流场的影响，说明导流板设置应该根据烟道的走向及形状。模拟结果与试验结果的吻合良好，说明所选取的数值模型是准确合理的。

(3)通过对不同烟道导流板时烟道流场的模拟分析，可以为电除尘器烟道设计提供参考。

［1］祈君田.现代烟气除尘技术［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［2］任燕，张德轩，张国文，等.电除尘器气流分布数值计算研究［C］.第十三届中国电除尘学术会议论文集.2009.

［3］White H J.工业电收尘［M］.北京:冶金工业出版社，1984.

［4］Groves J F，Smith C R.Gas－Flow Distribution Effects in Electrostatic Precipitators［J］.Journal of Electrostatics，1980，8(4):343－353.

［5］Hou Q F，Guo B Y，LI L F，et al.Numerical simulation of gas flow in an electrostatic precipitator［C］.Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries.CSIRO，melbourne，Australia.2009.

［6］陶文铨.数值传热学［M］.西安:西安交通大学出版社，2004.

［7］王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［8］Dubois F，邬华谟.计算流体力学的新进展:理论、方法和应用［M］.北京:高等教育出版社，2001.

The application of CFD technology in ESP flue flow field optimization

As the main equipment of air pollution control，the ESP should play a more important role in the more and more strict environment.Flue flow distribution and air distribution have important influence for the performance of ESP.The fluent software is used to simulate the flow field in arrangement of different guide plates.The results show that the arc guide plates have obvious effect for uniform of flue flow field and reducing the resistance.It can provide reference for ESP flue optimization design.

ESP;flue;flow field;fluent;optimization

X701.2

B

1674－8069(2016)06－024－03

2016-08-17;

2016-09-02

李立峰(1980-)，男，河北保定人，工程师，主要从事大气污染治理研究。E－mail:lilifeng116@163.com