蜂窝管湿式电除尘器内部流动特性研究

2022-03-17戴春喜梁平车德勇刘海婷

发电技术 2022年1期

戴春喜，梁平，车德勇，刘海婷

（1. 华能伊春热电有限公司，黑龙江省伊春市 153000；2. 东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省吉林市 132000）

0 引言

随着火力发电烟气排放标准的提高，很多电厂都在进行相关的技术改造工作[1-6]。在降尘处理方面，部分电厂通过在现有除尘方式上增设湿式电除尘器[7-12]来降低颗粒物排放浓度，由于这种除尘方式不需要振打，因此其机械结构简单，维护工作减小。常用的湿式电除尘器主要有管式除尘器和板式除尘器两大类，其中管式除尘器结构紧凑，占地面积小，常用于实际技术改造工程中。湿式电除尘器由于内部存在喷雾过程，其内部流动情况比较复杂，因此很难通过实验对内部流场进行考察。本文以蜂窝管湿式电除尘器为研究对象，基于计算颗粒流体力学(computational particle fluid dynamics，CPFD)方法[13]开发Barracuda 软件，对其内部情况进行数值模拟，研究烟气在除尘器内部的流动情况，以期对技术改造可行性研究提供指导。

1 边界条件与理论方法

蜂窝管湿式电除尘器[14]工作原理是：利用大量细小雾滴在高速运动条件下与粉尘碰撞的概率增加，使得雾滴与粉尘发生凝聚，凝聚后的粉尘在电场力作用下向管壁面移动，最终被捕捉。由于有水雾的存在，管壁面会形成水膜，这些水膜有利于捕捉到的颗粒脱落。为结合后期实验台的搭建，本文所分析的湿式电除尘器阳极端采用蜂窝状的导电玻璃钢，如图1 所示，其六边形内切圆半径为150 mm，管长为4.5 m，计算单元中包含37根管，收尘面积为173 m2。由于计算过程中主要研究烟气流动情况，而阴极线结构细小，对烟气流动影响不大，因此计算模型忽略管中的阴极线结构。入口烟气流速为4 m/s，雾化喷嘴流速为35 m/s，由于喷射速度较大，本文主要研究雾化液滴运动情况，因此不考虑电场力作用。

图1 蜂窝管湿式电除尘器结构Fig.1 Structure of honeycomb tube wet electrostatic precipitator

水在喷嘴作用下雾化成液滴，为了简化计算过程，本文忽略了液滴融合过程，采用CPFD 方法计算除尘器内部的液滴运动情况。CPFD 数值方法最先由Dale M.Snider[15]博士提出，该方法运用欧拉-拉格朗日耦合求解，与其他多相流数值方法不同的是，其求解时采用“颗粒团”的方式将具有同类特征的实际颗粒封装为计算颗粒，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[16]为

式中：f为概率分布函数；m为质量；μg为气相动力黏度；ρp为颗粒相密度；rp为颗粒半径；fb为由曳力模型决定的系数；υp为颗粒相速度。

本文涉及的曳力模型有Wen-Yu/Ergun 模型[16]，这种模型通过Wen-Yu 模型与Ergun 模型进行线性变换得到，因此由曳力模型决定的系数fb可表示如下：

式中：Ps为大于0 的常数；γ为模型的自有系数，取值范围为[1.2,5]；ε为构建的一个小量，用于消除模型中奇异点。

2 结果分析

图2为液滴速度分布情况，其中a、b、c分别为喷嘴停用、喷嘴在蜂窝管内部以及喷嘴在蜂窝管上方对应的喷雾液滴运动情况，可以看出，雾化液滴离开喷嘴时速度极快，随后就快速下降，当接触到壁面后速度下降到最低，有部分雾化液滴从出口排出，大部分液滴在下方水池汇集。

图2 液滴速度分布Fig.2 Velocity distribution of droplets

图3为3种情况下烟气在入口方向垂直平面的烟气速度矢量分布情况，通过对比发现，当喷嘴停用时，烟气在蜂窝管段流向比较稳定，而当喷嘴工作时，由于喷嘴出口流速较大，会使烟气流速增加，从而改变局部位置的流场情况，总体上来看3种情况下烟气流向基本一致。

图3 烟气速度矢量分布Fig.3 Velocity vector distribution of flue gas

图4 为垂直方向上烟气速度场分布情况，可以看出，当喷嘴停用时，烟气在蜂窝管段速度分布比较均匀。当喷嘴开启时，蜂窝管段内部流速会增大，从图2 可以看出，喷雾速度在离开喷嘴很短距离后便会快速下降，因此烟气在这个区域因与液滴速度差异较大而被加速，随后液滴在蜂窝管壁面聚集，占据了部分气流空间，会出现管壁面烟气流速较小、中间区域烟气流速较大的现象，从而造成了b、c中烟气速度分布呈竖条状的情况。

图4 垂直方向上烟气速度场分布Fig.4 Velocity field distribution of flue gas in vertical direction

图5 为水平方向上烟气速度场分布情况，可以看出，在除尘器顶部烟气存在回流现象，烟气从入口进入开放空间后未能均匀扩散，因此进入后受到入口正对位置的壁面阻挡，烟气会沿圆形壁面形成旋涡回流，然后再向下进入蜂窝管。当喷嘴停用时，蜂窝管能够起到均布流场的作用，因此在蜂窝管段越往下，速度分布越均匀；而当喷嘴在蜂窝管内部或在蜂窝管上方工作时，均会使蜂窝管段烟气流速不均。

图5 水平方向上烟气速度场分布Fig.5 Velocity field distribution of flue gas in horizontal direction

图6为3种情况下垂直中心线上烟气流速变化情况，可以看出，当喷嘴停用时，烟气流速会快速下降，这是由于除尘器上方存在回流，使得烟气流速存在高速区域，当进入蜂窝管后烟气快速扩散，速度快速下降。当喷嘴工作时，烟气流速也呈现下降过程，但由于喷雾的加速作用，烟气流速随后会快速上升，当喷嘴在蜂窝管内时，由于单个蜂窝管内空间较狭窄，喷雾释放的动能只加速少量烟气，因此管内流速比喷嘴在蜂窝管上方时要大。但由于喷嘴作用范围较小，喷嘴的位置对烟气离开蜂窝管段时的速度影响不大。