一体式湿式电除尘器流场的数值模拟与优化设计

彭华宁

(福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩 364000)

一体式湿式电除尘器流场的数值模拟与优化设计

彭华宁

(福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩 364000)

湿式电除尘器流场的均匀性对湿式电除尘器的性能及效率具有重要意义，而湿式电除尘器电场各个分区的流量偏差和通过每个阳极管流量的相对均方根差是体现其内部流场均匀性的两个重要指标。采用CFD数值模拟技术，对魏桥邹平燃煤电厂660MW机组配套湿式电除尘器的内部流场设计进行研究分析，结果表明，通过设置导流装置和整流格栅可以分别优化湿式电除尘器电场各个分区的流量偏差和通过每个阳极管流量的相对均方根差，从而提高湿式电除尘器的性能及效率。

一体式;除尘器;流场;CFD;导流装置;优化设计

0 引言

目前，湿式电除尘器作为烟气治理的终端净化设备，已广泛运用于各燃煤电厂。湿式电除尘器可高效脱除湿法脱硫后烟气中的液滴、细颗粒物PM2.5、SO3、重金属等，实现烟气的深度净化［1］。湿式电除尘器按布置型式分有两种，一种是独立布置，即分体式;另一种是与脱硫吸收塔一体布置，即一体式。本文所研究的对象为正六边形导电玻璃钢阳极管式一体式湿式电除尘器。

一体式湿式电除尘器的优点在于成本和运行费用低、占地面积小，流场的均匀性是影响一体式湿式电除尘器除尘、除雾效率的重要因素之一，不良的气流分布可造成除尘、除雾效率的显著降低。研究湿式电除尘器气流分布均匀性主要有物理模型试验和数值模拟计算两种。数值模拟计算方法(CFD)可获得全流场的数值解，可避免设计过程中的盲目性，为优化湿式电除尘器内部结构提供依据［2－3］。

本文结合魏桥邹不燃煤电厂660MW机组工程实例，采用CFD数值模拟方法，对湿式电除尘器的内部流场进行数值模拟，通过合理设置导流装置和整流格栅，来优化湿式电除尘器电场各个分区的流量偏差和通过每个阳极管流量的相对均方根差，提高湿式电除尘器的性能和效率。

1 物理模型与数值计算方法

一体式湿式电除尘器的结构示意如图1所示，利用gambit软件对其进行全尺寸建模。湿式电除尘器布置在脱硫塔顶部，从脱硫塔出来的烟气进入湿式电除尘器进行深度净化，经除尘器处理过的净烟气从出口排出。

通过调整湿式电除尘器内部导流装置和整流格栅的布置方式(见图2、图3)，由fluent软件计算各种布置方式下湿式电除尘器电场各个分区的流量偏差值和通过每个阳极管流量的相对均方根差，对所得结果进行对比、分析，最终确定最佳的布置方式。为确保数值模拟的准确性，每组模拟的烟气特性及运算条件都要保持一致。

图1 湿式电除尘器结构示意

图2 导流装置

图3 整流格栅

2 数学模型

FLUENT软件中提供以下湍流模型:Spalart－Allmaras模型、k－ε模型(标准、RNG、可实现的)、k－ε模型、雷诺应力模型(RSM)和大涡模拟模型(LES)。本项目的湍流模型采用标准k－ε模型，湍流流场的计算采用有限容积法离散控制方程，算法采用SIMPLE算法，对流项采用二阶迎风格式，近壁面采用壁面函数法处理。假定流体是不可压缩的，作定常流动，整个模拟过程为等温过程。其控制方程如下［4－5］:

连续性方程:

动量方程:

式中:p为静压;Fi为包含了其他的模型相关源项，如多孔介质和自定义源项。

湿式电除尘器进口采用速度入口边界条件，需要计算其湍流参数，包括湍流强度I和水力直径DH，湍流强度I按下式计算:

式中:μ＇和μ分别为湍流脉动速度和平均速度，ReDH为按水力直径DH计算得到的Reynolds数。出口的边界条件为自由出流;壁面视为绝热壁面;对于壁面附近的区域，采用壁面函数法修正［6～8］。

3 结果与讨论

3.1 未设置导流装置与整流格栅的数值模拟

魏桥邹平电厂660MW机组配套湿式电除尘器的电场分为一区、二区、三区，共3个区。在不明确要如何设置导流装置与整流格栅的情况下，首先对未设置导流装置与整流格栅的湿式电除尘器进行数值模拟(见表1)，观察其内部气流组织情况，这将为如何设置导流装置与整流格栅提供依据。

从表1可以看出，在未设置导流装置与整流格栅时，电场各个分区流量偏差和通过每个阳极管流量的相对均方根差都较大。烟气流量在一区偏小，在三区偏大，这与除尘器出口位于三区侧相符。从除尘器的整体速度云图和阳极管面速度云图同样可以看出这一点。

3.2 设置导流装置调节电场流量偏差

根据烟气流量在一区偏小，在三区偏大这一事实，设计出了一套烟气导流装置，并通过不断改变导流装置的角度来进行多次数值模拟，最终找到能够实现电场各分区流量偏差＜5%的一个最佳角度。

从表1可以看出，当导流装置角度设为角度3时，电场各分区流量偏差较小，满足各个电场各分区的流量偏差＜5%的要求。从除尘器设置导流装置后的整体速度云图和设置导流装置后的阳极管面速度云图同样可以看出，设置导流装置后，除尘器内部气流变得较为均匀。

3.3 设置整流格栅调节通过每个阳极管流量的相

对均方根差

从前面探讨可以看出，设置导流装置对于调节电场各分区流量偏差效果显著，但从表1的数据可以看出，虽然设置导流装置对于通过每个阳极管流量的相对均方根差有一定的改善作用，但其效果并不十分显著，因此，需要通过设置整流格栅来调节通过每个阳极管流量的相对均方根差(见表2)。

将整流格栅平铺在导流装置上部的整个平面，从表2的数值模拟结果可以看出，设置整流格栅后，通过每个阳极管流量的相对均方根差明显减小，实现通过每个阳极管流量的相对均方根差＜0.2的要求。同时设置导流装置和整流格栅后，电场各分区流量偏差和通过每个阳极管流量的相对均方根差均能满足相关要求，从除尘器设置导流装置和整流格栅后的整体速度云图和设置导流装置和整流格栅后的阳极管面速度云图同样可以看出，同时设置导流装置和整流格栅后，除尘器内部气流变得更加均匀。

表1 导流装置设为不同角度时的各分区流量偏差和通过每个阳极管流量的相对均方根差

表2 导流装置设为不同角度，同时设置整流格栅时各分区流量偏差和通过每个阳极管流量的相对均方根差

3.4 一体式湿式电除尘器的阻力特性

烟气流经一体式湿式电除尘器的阻力特性是影响一体式湿式电除尘器工业应用的一个主要因素，本文对优化前后一体式湿式电除尘器的烟气阻力进行了研究，结果表明，优化前后一体式湿式电除尘器的烟气阻力变化不大。

4 结语

(1)一体式湿式电除尘器由于其出口不在除尘器的中心位置，而是位于除尘器的一侧，造成通过除尘器的烟气流量在靠近除尘器出口侧明显偏大，流场均匀性差。因此，需要通过设置导流装置和整流格栅来调节电场各分区流量偏差和通过每个阳极管流量的相对均方根差，优化湿式电除尘器的内部流场，提高湿式电除尘器的性能和效率。

(2)设置烟气导流装置，对于电场各分区流量偏差的调节作用十分明显，可以实现各个电场的流量偏差＜5%。

(3)设置整流格栅，对于通过每个阳极管流量的相对均方根差的改善效果显著，实现通过每个阳极管流量的相对均方根差＜0.2。

(4)优化前后一体式湿式电除尘器的烟气阻力变化不大。

［1］郭程程，李娜.火电厂石膏雨治理方案的研究与应用［J］.电力科技与环保，2013，29(2):28－30.

［2］金定强，马修元，周凯，等.湿式静电除尘器流场的数值模拟与优化设计［J］.电力科技与环保，2015，31(1):32－35.

［3］马双忱，王梦璇，蔡晓彤，等.FLUENT在燃煤电厂大气污染控制领域的应用研究进展［J］.电力科技与环保，2011，27(6):1－5.

［4］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.

［5］陶文铨.数值传热学［M］.西安:西安交通大学出版社，1999.

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［7］沈丹，仲兆平，过小玲.600MW电厂SCR烟气脱硝反应器内不同导流板的流场数值模拟［J］.电力环境保护，2007，23(1):42－45.

［8］李雪梅.电除尘器内部气流分布特性的数值研究［D］.吉林:东北电力大学，2009.

Numerical simulation and optimization design of flow field in the unitary type wet electrostatic precipitator

The uniform ity of the flow field distribution ofwet electrostatic precipitator has im portant significance on its performance and efficiency，the electric field flow distribution and the relative RMS through each anode tube flow are two important indicators to reflect its internal flow field uniform ity.Using CFD numericalsimulation technology to analyze the internal flow field design of a coal－fired power plant660MW unit supporting wet electrostatic precipitator.The results show that the electric field flow distribution and the relative RMS through each anode tube flow o f wet electrostatic precipitator can respectively be optim ized by setting deflector and Rectifier grille，thus im prove the performance and efficiency ofwet electrostatic precipitator.

unitary type;precipitator;flow field;CFD;deflector;optim ization design

X701.2

:B

:1674－8069(2016)01－030－03

2015-09-22;

:2015-11-12

彭华宁(1988-)，男，福建龙岩人，助理工程师，长期从事电袋复合除尘器、湿式电除尘器的CFD模拟计算等技术的开发、设计和研究工作。E－mail:13850605621@139.com