侧出湿式静电除尘器流场优化研究

吴一帆，郭 涵，张竣清，隋洪波，于跃海

（北京博奇电力科技有限公司，北京 100022）

0 引言

湿式静电除尘器是目前电力、焦化、烧结、水泥等行业进行烟气综合治理、实现节能环保的主要设备[1-6]。除尘器的除尘效率与多种因素相关，如除尘器内部烟气流场均匀性、烟气流动速度、表面活性剂的添加、烟气温度、极板形式、放电极形式、电场特性、粉尘特性等。科学调整除尘器的结构参数、优化流场均匀性，能够从根本上提高烟气中颗粒物的脱除效率[7-10]。赵亮等[11]研究了烟气流速对PM10脱除率的影响，结果表明，除尘器入口烟气流速由16.1 m/s降低至8.8 m/s时，可吸入颗粒PM10的脱除率由80.4%提高到88.4%。杨振民等[12]就表面活性剂对除尘器除尘性能的影响进行了研究，结果表明，加入十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基苯磺酸钠与羧甲基纤维素钠（SDBS-CMC）的混合物等，能够增强除尘极液膜的导电能力，从而提高除尘效率。闫东杰等[13]就烟气温度对除尘器工作特性的影响进行了研究，结果表明，除尘效率随烟气温度的上升而提高。此外，学者们普遍认为除尘器内部流场分布均匀性是影响除尘效率的重要因素[14-17]。例如，熊远南等对烟气在阳极板的流场分布进行了模拟，结果表明，提升除尘器流场分布均匀性能够提高除尘效率[18]。目前，调控除尘器流场分布，改善烟气流场均匀性已成为超低排放改造工程中提高除尘效率的常用手段[19-22]。除尘器进出口烟道结构是影响内部流场分布均匀性的主要因素[23-27]，实际工程中，除尘器出口位置采用侧面引出烟道的方式时，出口烟道结构对上游烟气流场分布均匀性的影响较大，存在阳极管束入口截面烟气速度分布偏差大，流场分布不均匀的问题，将显著影响除尘器的运行性能，降低除尘效率。“双碳”目标下，机组调峰过程中负荷范围扩大，与机组常规运行状态相比更容易出现烟气偏流的现象[28]。尽管已有学者对除尘器的影响因素进行了较为全面的探索，但由于当前新增湿式静电除尘装置的项目多为改造项目，场地空间有限，给除尘器的布置和结构优化带来了许多新的问题[29-30]。

本文基于湿式静电除尘器流场优化改造及导流设计经验，以某电厂300 MW 机组侧出湿式静电除尘器为研究对象，利用Ansys fluent软件对除尘器进行了数值模拟分析，重点针对烟气流场分布不均以及烟气偏流等问题进行了优化改进，提出了偏置均流板和在常规圆环形均流板上方铺设板条进行封堵两种优化方案，并从提高流场分布均匀性、减少系统压力损失变化和可实施性等角度进行了分析。结果表明，两种方案均能提高除尘器阳极管束区域烟气流场分布的均匀性。

1 侧出湿式静电除尘器简介

本文的研究对象为某电厂侧出湿式静电除尘器设备，该除尘器为管式除尘器，设计尺寸及参数如表1所示。除尘器安装在二级脱硫塔竖直烟道出口位置，脱硫塔与除尘器之间设置有常规圆环形均流板，二级脱硫塔内设置有两层喷淋层及两层除雾器，除尘器出口位置设有侧出烟道。

表1 设备设计参数Tab.1 Design parameters of the equipment

2 模型构建与优化评价

2.1 模型简化

根据实际运行环境，在满足工程要求的条件下，为便于模拟计算，做出如下假设和简化：均流板厚度对烟气流场分布影响较小，假设均流板厚度为0 mm，呈片体结构；建模过程中忽略内撑杆、支撑梁等结构件对流场的影响；实际工程中系统漏风量较少，因此不考虑系统漏风量，系统进出口烟气量守恒；烟气中灰浓度很低，灰尘颗粒所占的体积分数很小，因此忽略灰尘颗粒的影响；烟气的流动是定常流动，系统内任意一点烟气的密度和压力不随时间变化；烟气为不可压缩理想气体；除雾器简化为多孔介质，假设除雾器的黏性阻力特性在x、y、z三个方向上有所差异。

2.2 模型选择

除尘器内部烟气流场的控制方程可表示为：

式中：ϕ为通用变量；ρ为气体密度，kg/m3；u为气相速度，m/s；Γ为广义扩散系数；为瞬态项；t为时间，s；div(ρuϕ)为对流项；div(Γgradϕ)为扩散项；S为源项。

根据除尘器内烟气流动情况，采用Realizable k-epsilon 湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动。采用分离求解器进行计算，压力速度耦合方式采用SIMPLEC算法求解，动量离散采用二阶迎风差分格式。

将除雾器视为多孔介质，对该位置的压力损失进行模拟，公式见式（2）：

峰9的准分子离子峰为m/z 515［M－H］-，与异绿原酸C一致，二级质谱显示主要碎片离子为353［M‐C9H6O3‐H］-、191［M‐C9H6O3‐C9H6O3‐H］-，且出峰时间优先于异绿原酸C，与文献报道［16］一致，故推断为异绿原酸A。

式中：Si为i方向上动量源项，Pa/m；μ为流动动力粘度，Pa·s；α为介质渗透性，m/d；vi为i方向上的速度分量，m/s；C2为内部阻力因子，1/m；g为重力加速度。

湿法脱硫浆液液滴流动的控制方程可表示为：

式中：u为气相速度，m/s；up为液滴速度，m/s；ρp为液滴密度，kg/m3；FD()u-up为液滴单位质量曳力，N；Fi为附加质量力，N。

2.3 网格划分

完成除尘器模型构建后，对除尘器系统各设备及连接管道进行整体网格划分，如图1 所示。整体采用结构化和非结构化网格相结合的方式进行划分，均流板及喷淋管位置的网格采用size function进行局部加密处理。为使模拟结果更接近实际情况，未将阳极管束区域简化为多孔介质，而是按分区方式对其进行模拟。采用分块划分法将模型分为脱硫塔、中间导流装置、除尘器三部分，网格数量约为1200 万个。为保证系统入口（脱硫塔部分）烟气流场分布的一致性、减少网格变化带来的影响，优化过程中只对除尘器入口处的网格进行调整，除尘器其他区域及脱硫塔部分的网格保持不变。

图1 湿式静电除尘器网格划分示意图Fig.1 Schematic diagram of grid division of wet electrostatic precipitator

2.4 边界条件设置

模型边界条件根据项目方提供的运行参数进行设置。本文选择一级吸收塔除雾器出口作为模型入口，烟气入口边界条件为速度入口（Velocity Inlet），假设入口处烟气组分为单一组分，入口截面速度均匀分布。出口边界条件设置为压力出口（Pressure Outlet），出口压力为1 个大气压。模型近壁面选用标准壁面函数。当离散相较难收敛时，通过调节动量亚松弛因子来保证收敛性。液滴模拟采用离散向模型（Discrete Phase Model，DPM）中的injection 射入系统，液滴接触壁面并沿壁面流下或降落至浆液池液面时认为逃逸，处理为escape；液滴触及喷淋层壁面时认为反弹，处理为reflect，液滴反弹后法向动能减半，切向动能降为0 J。

2.5 评价指标

为定量评价速度分布均匀性，用速度标准偏差定义了速度分布偏差系数。所谓速度分布偏差系数，就是除尘器内某截面上的速度偏差偏离标准平均值的百分量，计算方法见式（4）：

式中：CV为速度分布偏差系数；σ为标准偏差；xˉ为速度平均值。其中，标准偏差σ和速度平均值xˉ的计算公式见式（5）和式（6）：

式中：n为样本数；xi为样本速度，m/s。

3 结果与讨论

3.1 烟气偏流原因分析

图2 阳极管束入口上游0.5 m处横截面速度分布矢量图及云图Fig.2 Velocity distribution vector diagram and cloud diagram of the cross section at 0.5 m upstream of the anode tube bundle entrance

图3给出了设置常规圆环形均流板方案下系统气液两相的流场分布。从图中可以看出，布置两层喷淋层较为合理，覆盖面较广，有利于气液充分接触，配合除雾器能够对烟气起到较好的均流作用。从除雾器出来的烟气分布较为均匀，没有明显的涡流、旋流现象，为烟气进入除尘器创造了良好的条件。由此可见，系统内烟气涡流、旋流现象及脱硫塔入口烟道结构等不是导致除尘器阳极管束区域烟气偏流的主要因素。此外，由于烟气先经过一级脱硫塔，再进入二级脱硫塔，所以二级脱硫塔入口处烟气温度相对较低，约为54 ℃。同时，二级脱硫塔内烟气换热量及温度梯度变化较小，因此可以排除烟气温度分布不均匀对除尘器阳极管束区域烟气均匀性的影响。

图3 系统气液两相流场分布Fig.3 Gas-liquid two-phase flow field distribution of the system

图4 给出了常规圆环形均流板设置方案下各截面的速度分布。观察中心纵截面速度分布情况可知，脱硫部分烟气分布相对较为均匀，经过除雾器后，烟气速度分布也无明显偏差，但经过除尘器入口渐扩段后，烟气开始向出口侧偏流，导致出口侧（区域A）烟气流速加快。烟气分布矢量图中也显示出口侧烟气流速较高。图中还给出了沿除尘器径向方向的烟气速度分布曲线，出口侧烟气速度高达3.5 m/s，而另一侧速度约为1.8 m/s，两侧速度偏差较为明显。由此可知，除尘器侧出烟道结构不对称，对上游烟气产生的压力不平衡，是导致除尘器阳极管束区域出现烟气偏流现象的主要原因，常规圆环形均流板无法消除烟气偏流现象，需要进一步优化均流板或整流形式，改善烟气偏流现象。

3.2 优化方案流场分析

根据侧出湿式静电除尘器内部流场分布特点及工程改造经验设计了两组优化方案，与常规圆环形均流板方案进行对比分析，如图5 所示。方案A采用常规圆环形均流板；方案B 是在除尘器入口设置背向出口方向倾斜的均流板组，倾斜的均流板组能够对烟气起到引流作用，随着偏转角度的减小，除尘器出口侧高流速烟气将被引流至低流速区域，偏流现象得到改善；方案C 是在常规圆环形均流板上方铺设板条进行封堵，该方案通过控制封堵密度来调节除尘器入口截面不同区域的局部阻力，对出口侧烟气高流速区域进行高密度封堵，对低流速区域进行低密度封堵，通过产生压力梯度来控制除尘器入口截面处的风量分配，提升除尘器阳极管束进风均匀性。方案设计过程中，已对均流板尺寸、偏转角度及板条封堵率进行了反复调试，计算时发现过多地减小均流板偏转角度或板条封堵率过高会产生较大的额外系统压力损失，增加风机负担。因此，在提高除尘器速度分布均匀性且不过多增加系统压力损失的前提下，对方案B 和方案C 的布置形式进行了优化。方案B 中，均流板尺寸为500 mm，均流板组与水平面的最优倾斜角度为55°。方案C是以侧出式烟气出口位置为参照，向塔内依次有序地铺设板条，出口侧1/3位置、中间1/3位置、出口对侧1/3 位置的板条对流通空间的封堵率依次为0.6、0.4、0.2。

对三种方案下的流场分布进行计算，结果如图6所示。从图中可以看出，方案B和方案C的截面速度分布均匀性优于方案A，出口侧烟气偏流形成的高流速区域面积大幅缩减。计算结果表明，调整均流板形式、大小及角度可以改善烟气流场分布均匀性，添加封堵板，改变均流板上方的流通面积和阻力也有助于实现烟气的均匀分布。

对三种方案下除尘器阳极管束入口截面速度分布均匀性和系统压力损失进行分析计算，结果如表2所示。从表中可以看出，方案B和方案C均满足烟气速度分布偏差系数CV小于0.2 的技术要求，说明两种优化方案均能有效提高除尘器入口烟气分布均匀性。相比于方案A，方案B 的系统压力损失略有减少，方案C 的系统压力损失则增加了12 Pa。总体来说，两种优化方案对系统压力损失影响较小，不会使风机背压余过大，均具有较高的可实施性。

表2 三种方案计算结果对比Tab.2 Comparison of calculation results of three schemes

综上所述，两种优化方案在保证不过多影响系统压力损失的前提下均能有效改善烟气偏流现象，提升除尘器阳极管束区域烟气分布均匀性。在实际工程中，方案B适用于新建项目的流场优化设计，方案C的工程改造量小，施工周期短，施工方式较为灵活，适用于改造项目。对现有除尘器进行设备改造时，添加封堵板条更为方便快捷。

板条封堵方案目前已在诸多项目中得到有效应用，如魏桥脱硫湿除一体化项目、晨星湿式静电除尘项目、王晁一期湿除及日钢若干机组烟气治理项目等。现场应用结果显示，优化改造后各电厂除尘器运行稳定、除尘效率显著提高，说明封堵方案可有效实现烟气流场的均匀分布。

3.3 工程案例

本文采用方案C对某除尘器除尘效率未达标的项目进行了升级改造，采用风速仪测试了改造前后除尘器阳极管束入口上游截面速度分布情况，对计算机仿真结果的准确性和方案C的实际应用效果进行了验证。测点位置及烟气速度分布测试数据如图7所示，改造前后实测系统压降和除尘效率如表3所示。结果显示，采用分区封堵优化方案对除尘器进行改造后，除尘器入口截面流场分布均匀性有明显改善，系统压降仅增加15 Pa的情况下，速度分布偏差系数CV由0.31 降低至0.18，除尘效率由86.2%提高至92.4%。

图7 改造前后测点位置及速度分布测试结果Fig.7 Test results of measuring point position and velocity distribution before and after the transformation

表3 改造前后实测数据对比Tab.3 Comparison of measured data before and after transformation

4 结论

本文以某电厂300 MW机组侧出湿式静电除尘器为研究对象，通过模拟除尘器内部烟气流场分布情况对烟气偏流现象进行了分析，提出了对除尘器入口导流装置进行结构调整的优化方案，并通过实际工程案例进行了验证，主要结论如下。

（1）对于侧出湿式静电除尘器，出口烟道的不对称结构会导致烟气偏流，内置常规圆环形均流板的方案不再适用。

（2）在除尘器入口设置背向出口方向倾斜的均流板组和在常规圆环形均流板上方铺设板条进行封堵两种优化方案的速度分布偏差系数CV均低于0.2，且对系统压力损失影响较小，说明两种方案均能够有效改善烟气偏流现象，提升除尘器内部烟气分布的均匀性。

（3）将方案C 应用于实际工程时，以侧出式烟气出口位置为参照，依次铺设板条，出口侧1/3 位置、中间1/3 位置、出口对侧1/3 位置的板条对流通空间的封堵率依次为0.6、0.4、0.2。现场实测结果显示，阳极管束入口区域速度分布偏差系数CV由0.31降低至0.18，除尘效率由86.2%提高至92.4%，方案有效性得到了验证。