发电技术

发电技术, 2022, 43(1): 155-159 DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.19179

发电及环境保护

蜂窝管湿式电除尘器内部流动特性研究

戴春喜1, 梁平1, 车德勇2, 刘海婷2

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

Study on Flow Characteristics in Honeycomb Tube Wet Electrostatic Precipitator

DAI Chunxi1, LIANG Ping1, CHE Deyong2, LIU Haiting2

1.Huaneng Yichun Thermal Power Co. , Ltd. , Yichun 153000, Heilongjiang Province, China

2.School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132000, Jilin Province, China

收稿日期: 2021-06-23  

基金资助: 吉林省科技发展计划项目.  20190303025SF

Received: 2021-06-23  

作者简介 About authors

戴春喜(1970)，男，博士，高级工程师，长期从事大型火力发电企业生产经营管理工作，realplay_cn@163.com；

车德勇(1976)，女，博士，教授，主要从事煤的洁净利用技术研究，本文通信作者，chedeyong163@163.com。

摘要

湿式电除尘技术能够有效降低火力发电过程中的烟尘排放浓度。为研究湿式电除尘器在运行过程中喷雾对内部流场的影响，采用计算颗粒流体力学(computational particle fluid dynamics，CPFD)方法对喷嘴位置及喷嘴启用前后除尘器内部流场进行数值模拟，对除尘器内部流场、液滴分布和喷雾轨迹等进行深入分析。结果表明：喷嘴启动时，会提高喷嘴附近烟气流速，同时引起蜂窝管段烟气速度场不均匀；当喷嘴布置在管内时，会加速管内烟气流速，不利于粉尘捕获。研究结果可为实际工程中调整雾化区域提供理论参考依据。

关键词： 火力发电 ; 计算颗粒流体力学(CPFD) ; 湿式电除尘器 ; 两相流 ; 数值模拟 ; 喷雾

Abstract

Wet electrostatic precipitation technology can effectively reduce the concentration of soot emission during thermal power generation. In order to study the effect of spray on the internal flow field of wet electrostatic precipitator during operation, the position of nozzle and the internal flow field of the wet electrostatic precipitator before and after using the nozzle were simulated by using the computational particle fluid dynamics (CPFD) method, the flow field, droplet distribution and spray trajectory were analyzed. The results show that when the nozzle is started, the velocity of flue gas near the nozzle is increased, and the velocity field of flue gas in the honeycomb tube is uneven. When the nozzle is arranged in the tube, it will accelerate the velocity of flue gas in the tube, which is not conducive to dust capture. The research results provide a theoretical reference for the adjustment of atomization region in practical engineering.

Keywords： thermal power generation ; computational particle fluid dynamics (CPFD) ; wet electrostatic precipitator ; two-phase flow ; numerical simulation ; spray

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本文引用格式

戴春喜, 梁平, 车德勇, 刘海婷. 蜂窝管湿式电除尘器内部流动特性研究. 发电技术[J], 2022, 43(1): 155-159 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.19179

DAI Chunxi, LIANG Ping, CHE Deyong, LIU Haiting. Study on Flow Characteristics in Honeycomb Tube Wet Electrostatic Precipitator. Power Generation Technology[J], 2022, 43(1): 155-159 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.19179

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

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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

∂∂t(ρgθg)+∇⋅(ρgθgυg)=Sg
∂∂t(ρgθgυg)+∇⋅(ρgθgυg)=-∇P+∇⋅θgτg+ρgθgg-F

式中：θg为气相占据体积比例；ρg为气体物质密度； υg为气体流动速度； τg为气相应力张量；Sg为气体源项；P为气压；g为重力加速度；F为两相之间的黏性力，表达式为

F=∫∫fm(4.5μgρprp2fb(υg-υp)-∇Pρp)dmdυ

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：

fb=fw,                                          θp≤0.75θcpfw+θp-0.75θcp0.1θcp(fe-fw),0.75θcp<θp<0.85θcpfe,                                           θp≥0.85θcp

式中：θcp为颗粒处于压实状态的体积分数；θp为颗粒在流化过程中的体积分数；fw、fe通过Wen-Yu模型和Ergun模型计算获取。

在计算颗粒碰撞时，所采用的颗粒法向应力表达式为

τp=Psθpγmax[(θcp-θp),ε(1-θp)]

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

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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

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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

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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

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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。

图6

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图6   垂直中心线上的烟气流速变化情况

Fig. 6   Variation of flue gas velocity on vertical centerline


3 结论

采用CPFD方法对喷嘴停用与喷嘴开启时2种典型布置方式下蜂窝管湿式电除尘器内喷雾和烟气流动情况进行了研究分析，主要结论如下：

1）喷嘴开启会影响蜂窝管段的烟气流速均匀性，同时会使管内烟气流速上升。

2）雾化液滴速度离开喷嘴后速度会快速下降，当接触到管壁面后速度下降到最低，这部分液滴会占据烟气空间，使这部分烟气速度较小。

3）当喷嘴布置在蜂窝管内时，内部烟气流速会高于喷嘴布置在蜂窝管上方时的流速，不利于管内粉尘捕获，但两者对应的除尘器下方速度基本一致。

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