电压、流速和温度对外涡型静电旋风除尘器捕集性能的影响

2018-11-02查振婷张建平

上海电力大学学报 2018年5期

查振婷, 张建平

(上海电力学院能源与机械工程学院, 上海 200090)

现代社会工业生产所排放的烟气严重污染了大气,并影响着人类的健康,因此各国制定了愈来愈严格的排放标准来保护环境,各种除尘设备也广泛应用于各个不同的领域[1]。袋式除尘器具有运行稳定、应用范围广泛等优点[2];湿式静电除尘器具有耗能小、操作简单、可以避免二次扬尘等优点[3-4];旋风除尘器具有除尘效率高、阻力小等优点[5]。在实际运行中,旋风除尘器一般用于捕集粒径大于5 μm的颗粒,当粉尘浓度大于50 mg/m3时,除尘效率可达80%以上。但是在捕集细微颗粒物时,旋风除尘器的除尘效率并不高,其性能指标还远不能满足要求[6]。

静电旋风除尘器(Electrostatic Cyclone Precipitation,ECP)是在排气管上设置电晕极,利用离心力和电场力的联合作用来分离粉尘颗粒,可以有效提高对亚微米颗粒物的除尘效率。DIETZ P W[7]在排气管上设置电晕极,给出了静电旋风分离器的数学模型,讨论了静电旋风的除尘效率与结构参数之间的关系。CHEN C J[8]系统地研究了在各种流速和粒径下,外加电场对于旋风除尘器除尘效率的影响。资新运等人[9]在前人研究成果的基础上,设计了电晕式静电旋风除尘器,并通过试验发现了静电旋风除尘器对低速、小粒径颗粒物的脱除效率比高速、大颗粒要高。PLUCINSKI J[10]的研究也表明,电场力的作用在小粒径、低风速时很突出。ZHANG J P等人[11]采用FLUENT软件数值模拟的方法,对静电除尘器中PM10颗粒的脱除效率进行了研究,发现扩散荷电对细微颗粒物的脱除效果很明显。

综上所述,旋风除尘器目前应用较为普遍,将静电引入旋风除尘器以提高除尘效率仍处于试验阶段,而探究不同工作参数下ECP中除尘效率的变化规律鲜见开展。因此,本文用数值模拟了工作电压、烟气流速、温度及颗粒粒径对外涡型ECP除尘效率的影响,并分析得到了工作参数对捕集性能影响的变化规律。

1 网格模型

为了保证数值模拟的精度,需要对外涡型ECP的网格进行无关性验证,以确定最优网格数。表1为不同网格单元数下,ECP对1 μm颗粒的除尘效率及其相对误差。由表1可以看出,随着网格数的增加,除尘效率的相对误差逐渐减小。当网格单元数达到128 357个时,相对误差仅为1.55%。因此,为了保证计算的精度和速度,本文采用128 357个网格单元。该网格数下ECP的三维网格模型如图1所示。

表1 ECP网格无关性验证结果

图1 ECP三维网格模型

2 仿真结果与讨论

利用FLUENT数值模拟软件对不同工作电压、烟气流速、温度以及粒径参数下外涡型ECP的除尘效率进行数值仿真,并对其结果进行分析,得到了不同工况下外涡型ECP对亚微米颗粒的捕集性能的变化规律。

2.1 工作电压对除尘效率的影响

在烟气流速为4 m/s,温度为200 ℃的工况下进行数值模拟。工作电压对ECP除尘效率的影响如图2所示。

图2 不同工作电压下外涡型ECP的除尘效率曲线

由图2可以看出,随着颗粒粒径的减小,外涡型ECP对亚微米颗粒的脱除效率在大粒径范围内缓慢上升,在小颗粒范围内上升的速度加快;随着工作电压的增大,ECP的分级除尘效率逐步增大,这表明高工作电压使得荷电作用增强,从而增强了ECP对粉尘的捕集效果;相邻两条曲线间ECP的分级除尘效率差值随着工作电压的增大而不断减小,这说明工作电压越大,对颗粒捕集性能的贡献增长幅度越来越小。

2.2 烟气流速对除尘效率的影响

当工作电压为50 kV,温度为200 ℃时,烟气流速的变化同样会对外涡型ECP的除尘效率产生一定的影响,如图3所示。

图3 不同烟气流速下外涡型ECP的除尘效率曲线

由图3可以看出,外涡型ECP对亚微米颗粒的脱除效率随着颗粒粒径的增大基本呈下降趋势,并最终趋于平稳;随着烟气流速的增大,ECP的除尘效率逐渐降低,表明低烟气流速促进了粉尘颗粒的捕集;相邻两条曲线的差值随着烟气流速的增大而不断减小,说明烟气流速越小,对颗粒捕集性能的增长幅度越大。

2.3 温度对除尘效率的影响

设定烟气流速为4 m/s,工作电压为50 kV,温度对外涡型ECP的除尘效率的影响见图4。

图4 不同温度下外涡型ECP的除尘效率曲线

由图4可以看出,在同一温度下,随着颗粒粒径的增大,外涡型ECP对亚微米颗粒的脱除效率呈现逐渐递减的趋势,且降低幅度越来越小,曲线最终趋于平缓;随着温度的升高,外涡型ECP的分级除尘效率逐渐降低,表明高温不利于粉尘的捕集;相邻两条曲线的差值随着温度的升高而不断减小,即ECP的除尘效率降低的幅度在不断减小,说明温度越低,对提升颗粒除尘效率的贡献增长幅度越大。