湿法电除尘器内喷雾过程雾滴运动特性研究

邓杰文，曲宏伟

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206； 2.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

湿法电除尘器内喷雾过程雾滴运动特性研究

邓杰文1，曲宏伟2

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206； 2.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

分析湿法电除尘器作为在处理粉尘时，雾化液滴的运动情况直接影响颗粒物的脱除效率，采用CPFD方法模拟无电离情况下时卧式湿法电除尘器喷雾过程，并与实验台测得压力数据进行对比。分析了液滴运动形态、压力分布、速度分布等，分析表明:模拟所得的压力值与实验数值相吻合，烟气在沿程的喷嘴作用下获取动能不断增加，同时雾化液滴在气流出口位置出现回流，形成雾滴“空白”区域，与实验现象基本吻合，验证了CPFD方法预测雾化液滴运动规律的可行性。

湿法电除尘; CPFD方法; 喷嘴雾化; 颗粒污染物

0 引 言

近年来各地连续出现雾霾天气，引起了人们对微细粉尘污染物关注，政府也发布了《火电厂大气污染物排放标准》[1]要求火电厂采用各种措施降低微细粉尘的排放，其中湿法电除尘是较有效的方式之一[2-4]。湿法电除尘在降低酸雾、微小粉尘、重金属[5]、气溶胶粒子[6]等污染物排出方面性能有优于普通电除尘器[7]，其主要原因在于湿法电除尘中的喷雾到形成水膜的过程中，细小的液滴能够与这些污染物结合进而脱除，因此湿法电除尘器内喷雾过程中形成的微小液体的运动轨迹会直接影响污染物的脱除效率。然而，湿法电除尘内的雾化液滴粒径较小，且流动过程不易采用实验检测，至今关于雾化液滴的运动行为研究比较稀少[8-10]。徐立成[11]采用云物理学冷凝核法理论来描述水雾对粉尘脱除的过程，他认为当粉尘和雾化液滴的粒径相接近时，水雾能更好地脱除粉尘；Selvam等[12]分析了沸腾雾化喷射过程，这些研究都需要昂贵的实验仪器才能完成，本文采用CPFD方法对多喷嘴联合作用下的雾化过程进行数值模拟，揭示了湿法电除尘内部雾化液滴的运动规律特点

1 数值方法

CPFD数值方法是Dale M. Snider[13]博士最先提出来运用欧拉-拉格朗日耦合求解方式来解决流体中颗粒三维运动的高效求解计算方法，其不同于其他多相流数值方法的地方在于CPFD在进行求解过程中，提出了“颗粒团”概念，将一定数量同类特征的实际颗粒进行打包形成计算颗粒，计算颗粒在流场中受到重力、摩擦力和颗粒相互碰撞作用力，气体相和颗粒相运动通过各自的控制方程完成求解，在这个过程中对应气体的控制方程[14]为

(1)

(2)

式中：θg表示气相占据体积比例；ρg和υg表示气体物质密度和流动速度；τg表示气相应力张量；Sg表示气体源项；P表示气压；g表示重力加速度；F表示两相之间的粘性力：

(3)

式中：μg表示气相动力粘度；rp表示颗粒半径;υp表示颗粒相速度;ρp表示颗粒相密度;f表示概率分布函数;fb由曳力模型给出。

本文涉及到的曳力模型是Wen-Yu/Ergun模型，这种模型是通过Wen-Yu模型与Ergun模型进行线性变换得到的，因此由曳力模型决定的系数，表述如式(4)：

(4)

式中：θcp表示颗粒处于压实状态的体积分数，fw、fe是通过Wen-Yu模型和Ergun模型得到的。

在计算颗粒碰撞时，采用的颗粒法向应力表达方程如下：

(5)

式中：Ps为大于零的常数；γ是模型的自有系数，取值范围为[1.2，5]；ε是构建的一个小量，用于消除模型中奇异点。

2 几何模型与边界条件

2.1 湿法电除尘模型尺寸

本文是以湿法电除尘实验台为计算基础，根据实际湿法电除尘尺寸，沿烟气通流方向取一个计算单元，该计算单元包含两排集尘板，计算单元长度为9.6 m，高度6 m，两侧集尘板相距0.455 m，实验台最外层两侧玻璃挡板距离0.5 m，实验台使用U型管差压计来测量压力，沿水平方向上每间隔五个喷嘴距离设置一组压力测点，每一组测点沿垂直方向设置三个位置点，如图1所示，图中O点为相对坐标原点，水平方向是X轴方向，垂直方向为Y轴方向。

1 气流均布板 2集尘板 3 喷嘴 4 排水口 5 雾化水进水管 6 压力检测点图1 湿法电除尘实验布置图与集尘板结构图Fig.1 The experimental arrangement of WESP and dust collecting plate structure

2.2 求解边界条件与网格

设置烟气入口气流速度2 m/s，入口压力95 700 Pa，喷嘴速度25 m/s，总质量流量0.1 kg/s，cpfd计算方法是基于笛卡尔网格体系的，因此对结构进行网格划分时，应以影响流体变化的特征为主构建网格，该计算单元网格算为500 976个，在处理液滴和烟气之间曳力模型时选择Wenyu- Ergun模型。

根据喷嘴雾化特点，一般喷嘴雾化过程中液滴粒径分布[15]采用累积体积分布曲线如图2所示，这种方式是某一粒径下雾滴数量或体积占有雾滴总数量或总体积的百分数作为雾滴粒径分布表述。

3 计算结果与分析

3.1 雾滴分布情况

水经过喷嘴雾化喷出后在烟气的作用下向出口运动，雾滴刚离开喷嘴时速度较高，经过扩散远离喷嘴位置，速度就明显降低。由于喷嘴出口的流速比较大，且入口烟气的流动方向对喷嘴喷射方式垂直，因此在喷嘴的作用下烟气的运动方向也出现变化，方向变化后的烟气带动雾滴运动就造成靠近入口侧的雾滴比较稀薄，雾滴的流动形态如图3，图中依次是1s到5s的雾化运动状态，原本雾滴未到达空间随着扩散时间的增加开始减少，这些空间逐渐形成“三角”形状；此外，烟气流通时间越长喷嘴喷射对烟气的作用越明显，且在出口位置出现的雾滴“空白”区域也越明显，当整个过程趋于稳定时，整个“空白”区域的范围也就基本不再变化，这与实验中的现象相同。

图3 雾化液滴粒不同时间的运动形态Fig.3 Droplets movement forms at different time

图4为雾滴在流通空间的浓度分布情况，可以发现雾滴的“空白”区域出现在第16个喷嘴到除尘器出口区间，在前面提及到的“三角形”区域中，雾滴在烟气的作用下，其中一部分运动到集尘板附近，且中间位置雾滴体积分数基本为零，这就形成了一个倒U型，这个形状有利于粉尘在电场力作用下与雾滴结合形成更大的颗粒，提高除尘效率。

图4 不同位置喷嘴中心截面雾滴体积百分数Fig.4 The volume percentage of droplets of the different nozzle section position

3.2 速度与压力分布情况

图5是第5s时烟气在流场内的速度分布情况，从速度云图可以看出烟气进入除尘器内，在喷嘴的喷射作用下流向发生了改变，并且速度增加明显，这是由于喷嘴喷射出的雾化液位烟气提供了动能，烟气的最大速度出现在出口侧偏下方位置，从矢量图来看，烟气在出口侧上端出现了回流，使得这个区域的雾滴在烟气的作用下向远离出口端运动，因此出现图3和图4中的雾滴“空白”区域。

图5 第5s时烟气速度分布情况与速度矢量图Fig.5 Flue gas velocity distribution and velocity vector diagram on the 5th second

图6 沿Z轴方向截面上的烟气速度分布云图Fig.6 The flue gas velocity distribution along the Z axis

图6显示的几个截面上的烟气分布云图，左右两侧位置为集尘板，计算结果表明距离集尘板越近烟气速度越小，使得这些区域的雾滴速度也比较低，更有利于液膜的形成；结合图5可以看出，烟气在出口侧靠近下端位置速度达到最大。

图7 不同位置烟气流速Fig.7 Flue gas flow velocity at different locations

烟气速度值与X轴位置关系如图7所示，可以看出Y值为0.5 m和1.5 m两个监测位置，当水平距离(X轴)到5 m到8 m位置出现先下降在上升的趋势，结合图5可以看出这个区域喷嘴影响烟气最明显，烟气速度和方向发生明显改变；总体上来看，烟气流速距离入口越远数值越大，这是沿程经过喷嘴不断加速造成的。垂直方向上距离喷嘴越远烟气流速越快，这是由于靠近喷嘴侧烟气的流向发生改变，并获取了喷嘴提供的动能，在作用之初，烟气仍保持上一个时刻速度状态，随着扩散作用完成了能量传递，因此才会形成出口下端速度较大的现象。

图8 不同位置雾滴速度Fig.8 The droplet velocity at different locations

雾滴速度值与Y轴位置关系如图8所示，发现雾滴离开喷嘴后，携带的能量传递给烟气，因此雾滴速度快速下降；靠近除尘口位置(X=9.36 m)时，雾滴的速度最先下降到0，这是由于前面提及到的雾滴“空白”区域中是没有雾滴存在的，其他位置出现雾滴速度为0，是因为图4中形成倒U型的雾滴分布，雾滴分布在靠近集尘板两侧，中心区域也不存在雾滴，只有烟气通过。

为了验证CPFD方法的准确性和可行性，根据实验中压力测点位置提取计算结果中与之对应的压力数值进行对比如图9所示。从数值计算结果可以看到，沿喷嘴喷射方向(Y轴方向)静压值升高，这是由于喷嘴在喷雾过程中高速的雾化液滴会增加烟气Y轴方向速度分量，从而使得静压值降低，因此距离喷嘴越近的位置压力值越小，反之，距离喷嘴越越远压力值越大；同一高度时，压力值基本接近，X值在7 m到9.6 m范围时，压力值开始下降，上述结论在实验数据中也得到体现，可计算结果与实验结果吻合。

图9 不同位置压力测点计算数值与实验数值对比Fig.9 The simulation pressure values and experiment pressure values at different locations

4 结 论

本文采用CPFD方法对湿法电除尘内雾滴运动情况进行模拟，从雾滴流动形态、烟气速度分布特点、压力分布方面对湿法电除尘内的两相流进行研究分析，得出如下结论：

(1)雾滴喷射过程会改变烟气流动情况，提高烟气出口流速的同时，还会使得出口上端出现烟气回流区，使得这个区域雾滴方向变化，形成一个雾滴“空白”区域；

(2)烟气在除尘器中运动时，靠近集尘板附近的烟气速度比较小，使得这些位置的雾滴流流速很小，雾滴在垂直横截面上成倒U型分布，有利于液膜的形成；

(3)实验获取了12个压力测点位置的压力值，与数值计算得到压力数值相吻合，同时计算中出现的雾滴“空白”区域也在实验中存在，因此通过CPFD方法计算湿法电除尘中雾滴运动形态是可靠的。

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Studies on Motion Characteristics of Droplet in Spray Process of WESP

DENG Jiewen1, QU Hongwei2

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012,China.)

When the wet electrostatic precipitators (WESP) deal with dust, the movement of atomized droplets directly will affect the removal efficiency of particulate. In this paper, the CPFD method was used to simulate the spray process in horizontal WESP without ionization. And the simulation results were compared with the experimental data of pressure. The movement patterns of the droplets, pressure distribution and velocity distribution were analyzed. Analysis showed that the results of simulation were consistent with experimental data and kinetic energy of flue gas was increasing owing to the effect of nozzles, meanwhile the atomized droplets backflow at the outlet of stream formed a “blank” area of droplet. All of these accord with the experimental phenomenon. Therefore, the CPFD method to predict the movement of atomized droplets is feasible.

WESP; CPFD method; nozzle atomization; particulate pollutant

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.02.15

2016-05-26.

TK223.27

A

1007-2691(2017)02-0105-06

邓杰文(1985-)，男，博士研究生，主要研究方向为火电厂颗粒污染脱除技术。