烟气温度对电除尘器性能影响的数值模拟

闫东杰,庄 倩,玉 亚,丁 柳,张子昂

烟气温度对电除尘器性能影响的数值模拟

闫东杰*,庄 倩,玉 亚,丁 柳,张子昂

(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西省环境工程重点实验室,陕西 西安 710055)

采用计算流体动力学(CFD)软件对电除尘器进行三维数值模拟研究,通过自定义函数(UDF)实现电场、流场、颗粒场和温度场的4场耦合,研究烟气温度对电除尘器电场特性、流场特性和除尘效率的影响.结果显示:入口烟气质量流量相同时,当烟气温度从20℃上升到400℃时,平均电场强度从4.9×105V/m减小到1.4×105V/m,平均板电流密度从0.971mA/m2降至0.261mA/m2,但板电流密度分布的均匀性逐渐变好;烟气温度上升平均湍流强减小,离子风效应也随之减小.当入口烟气体积流量相同时,随着烟气温度的增加,颗粒运动轨迹线拉长,整体的颗粒捕集效率减低.降低烟气温度可以有效提高电除尘器的除尘效率.

烟气温度；电除尘器；数值模拟；除尘效率

根据使用温度的不同,电除尘器有高温电除尘、常规电除尘和低低温电除尘器.低低温电除尘技术是燃煤电厂烟气超低排放的重要技术,而高温电除尘技术在实现高效除尘的同时,有效利用了气体的显热、潜热及其中有用的资源,不同的使用温度,电除尘器性能差别较大[1-3].

研究发现高温条件下离子风对气体二次流的影响更为显著,高温加强了颗粒和流体间的相互作用,不利于颗粒捕集[4-5]. Yan等[6]分析了高温放电过程的机理,认为放电电流由电子电流和离子电流共同组成.Xiao等[7]研究了线管式静电除尘器高温下的除尘特性,发现当烟气温度为350～700℃时,在电压增大的起始阶段除尘效率迅速提高,但当电压达到一定值后,除尘效率上升速度减缓;且当电压较高时,随烟气温度上升,除尘效率存在小幅度降低. Rinard等[8]在743～916℃,0.64MPa条件下,测量了电除尘器正负电晕下的收集效率,结果显示负电晕下的收集效率较高,但在743℃以上的烟气温度下,由于工作电压下降收集效率会降低,并提出可以通过更改电晕电极设计的办法来提高工作电压. 胡斌等[9]研究了低低温电除尘入口烟温对细颗粒与SO3脱除性能的影响,指出适当降低入口烟温,有利于增强低低温电除尘对细颗粒与SO3的脱除.寿春晖等[10]基于1000MW机组的现场实测数据,探讨了低低温状态下烟气温度与除尘效果的关系. Noda等[11]分析了烟气温度对粉煤燃烧锅炉电除尘器性能的影响,发现在相同的施加电压下随着烟气温度的升高电晕电流增加,收集效率随着烟气温度的降低而增加.

目前学者研究重点是不同烟气温度电除尘器的除尘过程及烟气温度对除尘效率的影响[12-13].但是,对于烟气温度对电除尘器流场特性和电场特性及除尘特性的具体影响仍缺少系统性的研究.基于此,本文选用工业电除尘器中常用的ZT板和V型芒刺线建立电除尘器模型,研究了烟气温度对流场、电场和颗粒相的影响,对比了20℃(常温)、90℃(低低温)、150℃(低温)、300℃和400℃(高温)5种典型烟气温度,探究烟气温度对电除尘器的性能影响.

1 理论模型

利用CFD软件,根据电除尘器电晕放电、颗粒荷电、荷电颗粒受到的作用力等因素建立了一套除尘器完整的数学模型.

1.1 电场模型

当施加电压高于起晕电压时,电场会产生电晕电流,此时电除尘器模型中的电势和离子电荷密度分布满足泊松方程和电流连续性方程,相应的表达式如下.

泊松方程:

电流连续性方程:

式中:为电压,V;ρ为空间电荷密度,C/m3;0为气体介电常数;为电流密度(A/m2),为电场强度,V/m;为离子迁移率,=1.6×10-4m2/(V∙s);表示电场风速,m/s;为离子扩散系数,=3.6×10-6m2/s.

1.2 流场模型

将流体视为不可压缩非牛顿流体,气流为稳态.电除尘器内气流运动状态为湍流,因此气流模拟模型采用湍流模型.本文采用湍流模型中的Reynolds平均法,则气流的控制方程可由连续性方程和动量守恒方程联立起来表示,即Navier-Stokes方程[14].通过在气流的动量方程添加源项的方法实现电场对颗粒作用力的赋值,从而实现电流场和颗粒场耦合.

连续性方程:

动量方程:

式中:表示气体密度,kg/m3;u表示气体速度在x上的分量,m/s;表示气体黏度,Pa·s;μ指的是湍流黏度,Pa·s;指气体压力,Pa;f表示惯性力,N/m3,指颗粒对流场的作用;ρ为颗粒密度,kg/m3;(ρ+ρ)E表示电场力,N/m3;ρE表示电场对颗粒的作用力,ρE表示颗粒对电场的反作用力,低浓度含尘气流中,反作用力可以忽略不计.由于本文研究的烟尘浓度较低,只考虑电场对颗粒的影响.

1.3 颗粒运动模型

对于大部分工业电除尘器,烟气含尘浓度较低,因此属于稀疏气固两相流.Semmar等[15]对电除尘器进行了实验研究,结果表明当电场强度较大时,稀相流中的颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间产生的作用力可忽略不计.一般情况下,颗粒主要受到曳力、重力和库仑力的作用,由于本文模拟的颗粒粒径较小,重力可被忽略,采用牛顿第二定律表示颗粒之间的相互作用,其控制方程如式(7)所示.

1.4 颗粒荷电模型

电除尘器中有两种明显的荷电机理[16],即电场荷电和扩散荷电.对于电场荷电,由于气体离子运动使得离子与颗粒发生碰撞而带同极电荷,随着碰撞次数逐渐增加,颗粒荷电量也逐渐增加,电场强度越来越大,斥力也越来越大.当颗粒荷电量达到一定程度后,气体离子几乎不能继续到达颗粒表面,此时认为颗粒荷电量已达到饱和状态,荷电过程也随之停止,其经典算式为[17]:

式中:q表示电场荷电量,C;d表示颗粒粒径,m;表示颗粒介电常数(对一般粉尘来说,通常为5～ 6);τ表示时间常数,s;表示颗粒在荷电电场中的滞留时间,s;其他物理量符号同上述其它公式符号一致.

对于扩散荷电,由于离子的热运动使得离子通过气体扩散后而依附在颗粒上,从而颗粒荷电.扩散荷电过程主要受离子的热能、颗粒粒径的大小和颗粒在电场中的停留时间等影响[18].

式中:q表示扩散荷电量,C;k表示玻耳兹曼常数,k=1.38´10-23J/K;表示绝对温度,K;表示电子电荷量,=1.6´10-19C.

2 数值计算

2.1 模型的建立

本文模拟对象为前期实验室搭建的1台电除尘器,对电除尘器的电场区结构进行建模,其结构如图1所示.电场区长1470mm,宽400mm,高864mm.电场区的收尘极为ZT板,放电极为V型线,总共放置了6根线,其线间距为240mm.由于其结构复杂,网格数量较大.在考虑到计算机运行空间和保证模拟的准确性下,最终选取的网格数为1104843个.

图1 电除尘器电场区3D模型示意

2.2 计算条件

烟气温度会影响电除尘器的击穿电压,公式(10)为烟气温度与击穿电压的关系[19]:

式中:0为0温度下的电除尘器击穿电压,kV;U为T温度下的电除尘器击穿电压,kV.由该公式可知当烟气温度降低(T<0),击穿电压值增大,且烟气温度每降低10℃,电场击穿电压提高3%左右.本文研究的工作电压以击穿电压为基础,选取其0.9倍的电压值为运行电压值,即:

=0.9U(11)

烟气温度也会影响粉尘的比电阻,粉尘层导电由表面电导率和体积电导率组成.表面导电主要依靠粉尘表面吸附的水分或其他化学物质中的离子,低温下以表面导电为主.随着烟气温度升高表面比电阻不断升高;当烟气温度高于200℃时,则体积导电为主,即以颗粒内部离子作为电流载体,体积比电阻随温度升高而下降. 当烟气温度从室温20℃开始升高,颗粒表面水分逐渐被蒸发,液膜逐渐消失,表面比电阻增大,150℃时,比电阻达到最大值.当温度继续升高,电流较难通过颗粒表面传导,粉尘则主要依靠颗粒内部离子进行电流传导,且温度升高,活化能提高,有利于颗粒内部电子和离子导电,粉尘比电阻也随温度升高而降低.朱唯卓等[20]实验测试了不同温度下粉尘的比电阻,见表1.模拟过程中其余的边界条件如表2所示.

表1 不同温度下粉尘比电阻(Ω cm)

表2 边界条件

2.3 模型的验证

图2 线-板式电除尘器内电势分布的模拟结果与Penney实测数据的比较

通过与Penney等[20]的经典实验数据对比,验证了数值模拟结果的正确性.该实验参数如下:电晕极直径0.3mm,线板距114.3mm,线间距152.4mm,运行电压43.5kV.图2为沿着方向对应不同值得到的电势分布,对比了数值计算结果与Penney实验结果.可以看出模拟结果与实验数据基本一致,说明本文的数值模拟结果可靠.

3 结果与讨论

3.1 烟气温度对流场的影响

烟气温度通过影响气体的密度,动力黏度,比热容和导热系数来影响流场.由表3可知随着烟气温度的升高,气体密度减小,黏度增大,比热容和导热系数均增大.其中比热容与导热系数对模型中能量方程有影响.

表3 不同温度下的空气物性变化表

图3 不同烟气温度下Y=0平面的气体湍流强度

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃ ; e. 400℃

当入口质量流量相同时,气体密度越小,电除尘器内的烟气流速越大.在相同条件下,流速越大,电除尘器的除尘效率越低.图3为不同烟气温度下的湍流强度云图.从图中可以看出,湍流主要发生在收尘板和电晕极附近的回流区域.随着烟气温度的升高,收尘板处的边界层增厚并拉长了电晕极处的边界层,同时也增加了全场的平均湍流强度.此外,随着烟气温度的升高,气流黏度增大,使颗粒的跟随性更强,更少的颗粒向收尘板发生偏转,易被气流带走.

综上所述,气体物性参数的变化最终会影响电除尘器的除尘效率,其中主要是密度和黏度的变化.气体密度随着烟气温度的降低而增加,在相同的入口质量流量的条件下,低温意味着低速(烟气量小).由多依奇效率公式[22]也可知,体积流量越小,除尘效率越高.也就是说,烟气温度降低会提高除尘效率.另一方面,高温时,黏度增大使颗粒与气流的跟随性增强,当气流流动的方向与颗粒到收尘板的方向不同时,颗粒会跟随气流逃逸流出静电除尘器;而低温时,颗粒可以更好的偏转向收尘板从而被捕集,达到较好的除尘效果.

3.2 烟气温度对电场的影响

图4 不同烟气温度下Y=0平面的场强分布

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃; e. 400℃

图5 相同电压不同烟气温度下电场强度分布

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃

随着烟气温度的升高,运行电压的范围变窄.从数值模拟的角度分析,烟气温度影响运行电压,这是求解泊松方程的边界条件之一,因此烟气温度会影响电势的整体分布,从而影响场强的分布(图4).

烟气温度增加,近板区域较高电场强度的分布面积减少.通过计算可知各烟气温度下电场区内场强分布的均匀性为20℃<150℃<90℃<400℃<300℃,且常温(20℃)时的平均电场强度(4.9´105V/m)与400℃时的平均电场强度(1.4´105V/m)相差2.5倍左右,所以烟气温度降低会使整体的平均场强增加.

当外加电压相同时,不同温度时气体的密度不同,分子平均自由程不同,离子电荷密度不同,场强的均匀性也有差别.图5为相同电压不同烟气温度下电场强度分布,可以看出,离子电荷密度也随着烟气温度的升高而减小,场强均匀性也随烟气温度增加而变差.烟气温度从20℃增大到300℃时,极板处场强逐渐增加,电晕线之间的场强逐渐减小.因此,烟气温度会影响场强的大小,也会影响场强分布的均匀性.

稀相气溶胶不考虑颗粒对电除尘器内电场的影响,电场分布仅受烟气温度影响,电流密度也随着烟气温度的下降而增大.图6为不同烟气温度下收尘板上沿轴方向中心线处电流密度的分布图.从图中可以看出放电极正对的凹槽处电流密度值最小,最小为0.103mA/m2,且随着烟气温度的增加,极板上的电流密度值整体下降. 20, 90, 150, 300, 400℃时平均板面电流密度值分别为0.971, 0.728, 0.452, 0.367, 0.261mA/m2,呈下降趋势,但其电流密度分布的均匀性逐渐增加.

图6 不同烟气温度下极板中心线的板电流密度分布

3.3 烟气温度对离子风的影响

图7 质量流量相同时,不同烟气温度下Y=0平面的主流流线

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃; e. 400℃

从图7a中可以看到在放电极附近有明显的漩涡.但随着烟气温度的升高,漩涡逐渐消失且气流流线向极板附近的偏转幅度也越来越小;在图7e中气流流线基本顺直.由公式(6)中项(ρ+ρ)E代表离子风对流场的影响也可知,因为离子电荷密度ρ靠近电极处最大,且低温比高温的场强大,所以20℃时极线附近的涡旋最明显.此外,烟气温度增加,烟气量增大,主流速度也增大.当主流速度足够高时,如300和400℃时的情况,离子风效应不明显,流场中没有明显的波动,流动主要受主流场控制.

3.4 烟气温度对除尘效率的影响

烟气温度对电场特性和流场特性的影响最终将作用在电除尘器的除尘特性上.图8为体积流量相同(入口流速为1m/s)时,d=2.5μm的颗粒在不同烟气温度下的运动轨迹.烟气温度会通过影响颗粒的运动轨迹来影响颗粒的除尘效率.从图中可以看出,常温时颗粒在经过第一根放电极后,大部分的颗粒偏转到收尘板上并被捕集.随着烟气温度的升高,颗粒的运动轨迹线拉长,越来越多的颗粒逃逸出来.当烟气温度到达400℃时,只有少量颗粒能够被捕集.这可能是由于高温的气体黏度较大,颗粒更紧密地跟随气流流动,而且驱动颗粒向收尘板运动的电场力也随烟气温度的升高而减小,从而导致除尘效率下降.

图8 不同烟气温度下颗粒的运动轨迹

a. 20℃; b. 90℃; c. 150℃; d. 300℃; e. 400℃

从图9中可以看出,不同颗粒粒径在常温(20℃)时对应的除尘效率最高.当烟气温度从300℃到400℃时,粒径为5μm的颗粒除尘效率下降了18.4%,粒径为0.5μm的颗粒粒径除尘效率只下降了5.6%.从中可以看出,高温阶段(300℃以上),大颗粒物的除尘效率比小颗粒物的下降幅度高.总体来说,随着烟气温度的升高,所有粒径颗粒的除尘效率都减小,所以降低烟气温度可以有效提高除尘效率.实测数据主要为不同粒径的分级除尘效率,许希[23]得到电除尘器对飞灰颗粒的捕集效率:当烟气温度从300K升高到700K时,PM2.5<d<10和PM1<d<2.5的除尘效率分别从97%和90%降至90%和65%,其中1<d<2.5的粉尘效率下降了约25%.郭俊等[24]测试了实验室以及工程条件下低低温电除尘器的粉尘比电阻、分级除尘效率和荷电量;当烟气温度从90℃升到130℃时,0.5, 1, 2.5和5μm颗粒的分级除尘效率分别下降了12%、7%、8%和6%,与本文研究结果相接近,由图9可得,烟气温度从90℃升高到150℃时,0.5, 1, 2.5和5μm颗粒的脱除效率分别降低了12%、11%、12%和8%.

从以下几个方面分析其原因:(1)低温时电除尘器的运行电压范围大.在相同条件下,运行电压值越大除尘效率越高.(2)低温时气体黏度小,颗粒与气流的跟随性差,不易跟随流体从静电除尘器逃逸出去,有利于颗粒捕集.(3)高温使场强减小从而导致电场荷电减少,扩散荷电增加.对于大颗粒(以电场荷电为主)而言,两种荷电机制的综合作用下颗粒能够获得的荷电量减小,这是高温导致大颗粒除尘效率降低更快的可能原因.

图9 不同烟气温度下各粒径颗粒的除尘效率

4 结论

4.1 气体密度随着烟气温度的升高而减小,相反地,气体黏度随着烟气温度的升高而增大.在入口质量流率相同时,温度低流速小,平均湍流强度更大.

4.2 当烟气温度从20℃增加到400℃时,电除尘器电场区平均场强从4.9´105V/m减小到1.4´105V/m,平均板电流密度从0.971mA/m2降至0.261mA/m2,但电流密度的分布随着烟气温度的升高更加均匀.

4.3 烟气温度会改变离子风的形态.从整体上看,随着烟气温度的升高,离子风对主流的影响越来越小.

4.4 在体积流量相同时,烟气温度降低,运行电压高、颗粒荷电量大、气体黏度小、颗粒与气体之间相互作用低等都会导致除尘效率的增大;高温对大颗粒的捕集效率的抑制作用比小颗粒的强,当烟气温度从300℃上升到400℃,粒径为5μm的颗粒除尘效率下降了18.4%,粒径为0.5μm的颗粒仅下降了5.6%.

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Numerical simulation of the effect of temperature on the performance of electrostatic precipitator.

YAN Dong-jie*, ZHUANG Qian, YU Ya, DING Liu, ZHANG Zi-ang

(Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering, College of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)., 2021,41(6)：2577～2585

To elucidate the effect of flue gas temperature on the performance of the electrostatic precipitator, a three-dimensional numerical simulation study of the electrostatic precipitator was conducted through commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software. The overall coupling of electric field, flow field, particle field, and temperature were successfully created through a User Defined Functions (UDF). The results showed that the average turbulence intensity could be reduced with the increase of the flue gas temperature that ranged from 20℃ to 400℃ under the same inlet mass. In addition, it was explored that the average field strength would decrease from 4.9×105V/m to 1.4×105V/m, and 0.971mA/m2to 0.261mA/m2for the average plate current density under the same condition, and the ion wind effect was decreased as well. However, the uniformity of the plate current density distribution gradually improved with the temperature increase. More importantly, the particle trajectory line was elongated with the increased temperature under the same volume flow, but the overall particle capture efficiency was decreased. It can be summarized that the decreased temperature could effectively improve the dust removal efficiency of the electrostatic precipitator.

temperature；electrostatic precipitator；numerical simulation；dust removal efficiency

X51

A

1000-6923(2021)06-2577-09

2020-10-22

国家重点研发计划(2018YFC0705300);国家自然科学基金资助项目(51408455)

* 责任作者, 副教授, yandongjie_2000@163.com

闫东杰(1981-),男,山西大同人,博士,副教授,主要从事颗粒物控制理论与技术、气态污染物催化净化技术方面的研究.发表论文40余篇.