过滤速度对200MW机组电袋复合除尘器流场分布影响的数值对比
- 2018/12/11 10:34:00
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- 来源：电力行业节能环保公众服务平台 张立栋
- 关键词:电袋复合除尘器废气处理设备
在袋除尘下部区域、袋除尘区域及净气室区域选取有代表的截面进行流场均匀性检验，得出速度为0.8m/min时的不均匀性波动小，且在袋除尘区随着速度增大流场不均匀性也增大，但同时随着高度的增高整体都呈现下降的趋势。
根据《电力发展“十三五”规划》的分析，洁净煤发电技术仍将是“十三五”燃煤发电机技术发展的核心。工业污染源排放出的粉尘颗粒是悬浮在大气中的，当它超过一定浓度时就会对环境产生有害影响，引起灰霾，同时危害人体健康。作为细颗粒物的生成来源，人为源主要包含固定源及流动源，固定源包括各种燃料燃烧源，如燃煤过程可产生大量的人体可吸入颗粒物。因此，火电厂的环保治理正在从控制端的浓度控制到质量控制的技术转变。
电袋复合除尘技术除尘率一般大于99.5%，普通电袋复合除尘器出口颗粒物浓度可控制在20mg/m3以下。电袋复合式除尘器经过优化整合，使其中粉尘通过电场带电，利用荷电粉尘的气溶胶效应提高滤袋过滤效率，同时减少布袋的损耗，延长了布袋使用寿命。
文献对实际生产过程中燃煤电厂的电除尘器、袋除尘器、电袋复合除尘器对PM10及PM2.5进行捕集效率对比试验，通过对比得出了以出口排放总质量浓度和PM10和PM2.5分级的质量浓度为指标，除尘效果好的为电袋复合除尘器、其次为袋式除尘器。文献通过对3种除尘器对比实验及现场数据，得出电袋复合除尘器具有较高的PM2.5脱除效率。
文献对我国6个燃煤电厂细颗粒物排放量进行实际测量并与美国及加拿大的相应排放水平进行对比，显示这6个代表性电厂的PM10及PM2.5的排放因子远大于美国和加拿大的水平。文献在不同过滤速度下对PM10除尘效果在电袋复合除尘器进行工业试验，得出除尘器的压降与过滤速度之间存在着线性关系。
文献对电袋复合除尘器中的静电区与布袋区之间的结合部分及气流分布板的开孔率进行详尽的实验研究。文献分析了7种开孔率及孔板的布置对电袋复合除尘器中孔板对颗粒物脱除的影响规律，不同孔板对电袋复合除尘器内的电场及流场均有一定的影响。
文献通过实验证明电袋复合除尘器对PM2.5粒子的收集效率随粒子尺寸的减小而降低，但对于0.03-0.2μm的粒子收集效率会再次提高。文献对660MW机组配套的电袋复合除尘器进行脱除多污染物的效果研究，结果表明其对Hg、SO2、SO3的脱除效果良好。
数值模拟方面，文献对电袋复合除尘器中除尘器的流量不均等情况进行数值模拟；文献对电袋复合除尘器的气流入口流速及电凝并区前水平管道长度进行数值研究；文献对150MW机组电袋复合除尘器的气流分布进行数值研究；文献对1000MW机组的电袋复合除尘器内烟气量、压降以及粉尘比电阻3个因素进行数值研究，得出佳除尘效率对应的压降范围及温度范围。
从文献模型中看，以上数值研究电袋复合除尘器时，都未对灰斗的影响进行研究，本文研究了不同过滤速度下除尘器内流场区别，同时也分析了灰斗产生的二次扬尘现象。
通过以上分析，虽然除尘器的压降与过滤速度存在线性关系，但除尘器内部流动空间较大，电极及布袋的布置位置都会对流动的不均匀产生较大影响，因此本文通过研究不同过滤速度下的电袋结合除尘器中流动速度不均匀性。
1 模型建立及评价指标
1.1仿真模型数值模拟参数
该机组烟气气流从进口进入除尘器，携带灰尘颗粒的烟气依次通过2个电场除尘室和3个袋式除尘室。含尘烟气流经过电除尘区的2个电场除去烟气中颗粒较大的粉尘，含较小粉尘颗粒的气体再进入袋除尘区经过滤袋的过滤进入净气室，得到洁净的气体经由除尘器出口离开电袋复合除尘器，经过简化后的模型如图1所示。
图1 电袋复合除尘器物理模型
电袋复合除尘器模型基本几何参数。电除尘区：长10400mm、宽13100mm、高14800mm；一个袋除尘室长为15600mm，宽5800mm，高14800mm，滤袋直径300mm、长8000mm，滤袋为12排12列，间距是400mmx400mm，共432个滤袋；净气室长15600mm，宽5800mm，高4200mm，除尘器总过滤面积21200m2。
采用计算流体力学的方法对电袋复合除尘器的流场进行了模拟计算，通用控制方程的离散采用有限容积法，对流项差分格式采用二阶迎风格式，流体压力-速度耦合基于SIMPLE算法。
采用分区划分网格的方法，对电袋复合除尘器的不同区域进行前处理。划分出了4种不同网格数量，经过计算得出1100万网格与实际出口压力值做比较接近，出口负压为2850Pa，湍流强度I和水力直径d分别见公式(1)和公式(2)。各壁面均设为无滑移壁面，空气密度ρ为1.225kg/m3，黏度μ为2.425x10-5kg/m3；滤料的厚度△m=2mm，渗透率k见公式(3)，内部阻力系数C'见公式(4)。
1.2流场测定理论评价指标
由于袋除尘区内部截面各点的气流速度不同，以相对均方根公式(5)作为评价指标，其特点是对速度场的不均匀值反应比较灵敏，其均方根越大，不均匀度越高。
2 模拟结果及分析
2.1不同过滤速度对内部流场影响
通过比较在不同过滤风速电袋复合除尘器中的速度云图(图2)和流线图(图3)，分析不同过滤风速的影响程度。
均匀烟气流进入袋除尘区后，由于袋式除尘器的滤袋区对气流的阻挡作用，使得均匀烟气下行加速，在滤袋与灰斗间的区域形成速度变化梯度较大的不稳定空间。图2(a)是速度为0.8m/min，在Z=2450mm平面区域中滤袋与灰斗间的区域，可以看到烟气的“高速区”。
此区域主要出现在前2个布袋除尘单元以及后一个单元的前半个区域，后期由于烟气向后输运过程中遇到了除尘室墙面的阻挡作用，形成上升气流，与之前的高速气流叠加，造成了“高速区”的上扬。由于气流速度变化缓慢，滤袋区烟气速度分布均匀，即烟气量较均匀。滤袋底部“高速区”大气流速度为7.5m/min；滤袋区大气流速度在后墙上部滤袋处，为5.3m/min，小气流速度在滤袋区前端1.3m/min。
图2(b)是速度为1.2m/min的云图，电袋复合除尘器内部气流速度等值区出现了明显的分区状态，电除尘区的低速气流区(b-a区)与后部的高速气流区(b-b区)分界明显，并且在后墙上部滤袋处出现了狭长的高速气流区(b-c区)，这将增大滤袋负荷的不均匀度，降低高速区滤袋使用寿命。本工况，滤袋底部空间大气流速度11m/min，滤袋区的大气流速度同样在后墙上部滤袋处，为8.3m/min，小气流速度在滤袋区的前端为0.8m/min。速度差较大。
图2(c)是速度为1.6m/min的云图，在此工况下，滤袋下部空间的“高速区”呈带状斜向上延伸至滤袋区后墙出口。在此区域内，气流速度大，气流量大，本工况，滤袋底部空间大气流速度为15m/min，滤袋区的大气流速度在后墙中部滤袋处，为10.3m/min，小气流速度在滤袋区的前端下部，为0.4m/s。速度差值进一步增大。
图2 不同速度Z=2450mm截面速度云图对比
速度为2.0m/min的云图如图2(d)所示，在此工况下电除尘区风速不均匀，出现了下部风速大，上部风速小的情况，这主要是由于随着过滤风速的提高，电除尘区入口风速也相应地提高，导流板及滤袋区的阻力作用显著增加，导致大量烟气流受阻下行的结果。在滤袋区的下部空间依旧形成了“高速区”，高速度18m/min，且高速区域面积较其他速度相比都大，滤袋底部气流如此高的水平流速将造成滤袋底部损坏。在滤袋区，除袋除尘单元中部气流速度较小外，小速度为0.7m/s，其他部分速度均较高，尤以第二及第三单元为甚，其中大气流速度出现在靠近后墙的中部，为13m/min。
速度为2.4m/min的云图如图2(e)所示，在此工况下紧贴滤袋区后墙及后墙出口处出现了2块狭长的高速气流等值区，其中滤袋下部空间的大气流速度达20m/min。由以上分析可以看出，当过滤风速为0.8m/min时，流场分布比较均匀，袋式除尘区内高速度与低速度差值小。
且在布袋出口区域流速分布均匀，没有出现流速前后分化情况，布袋所承受负荷较小，有利于延长布袋的使用寿命。在过滤风速为1.2、1.6、2.0及2.4m/min的4种工况内，均在滤袋区内出现不同程度的高速气流区，其中尤以2.4m/min工况为甚。说明过滤风速越小，袋式除尘区域的除尘效率越高。而过高的过滤风速，不仅会造成除尘效率低下，还可能因为风速过大，对布袋造成很大冲击，影响布袋的使用寿命。
图3为截面流线图，从图3可以更加清晰地看到烟气在除尘器中的流动状况。可以看到电除尘区以及袋除尘区的前2个单元流线分布较为均匀，除尘效果较好，而布袋除尘区的后一个除尘单元，在上扬的“高速区”和灰斗间存在一个影响范围较大的涡旋区域，在这种涡旋结构的作用下，烟气流将对灰斗造成严重的冲刷作用，使部分已经沉积于灰斗的灰重新被烟气流卷起，造成二次扬尘，增大了滤袋的过滤负荷，增加滤袋的磨损几率，影响除尘器的效率。
图3 不同速度Z=2450mm截面流线图对比
2.2袋除尘区各部分的流场均匀性分析
检测截面的选取应具有代表性，能够正确地反应布袋除尘区各部分的流场均匀性。在袋除尘区，检测面(布袋下部空间、布袋区和净气室)是沿y轴方向依次布置8个面，其中布袋下部空间3个面分别为y1=1500mm，y2=3540mm，y3=5540mm；布袋区4个面分别为y4=7140mm，y5=9750mm，y6=11340mm，y7=13000mm；净气室1个面为y8=16570mm。
图4是各个检测面的相对均方根值对比。由图4可以看出，滤袋与灰斗间区域(y1-y3)，各工况在y1处相对均方根值??相差不多，沿除尘器从底部升高，呈现越接近滤袋区不均匀度越低，这说明滤袋区对气流的阻碍作用明显，可使气流均匀的进入滤袋空间；在滤袋区(y4-y7)，0.8m/min工况的相对均方根值明显优于其他工况，并且随着过滤风速的增大，相对均方根值σ逐渐增加；
在净气室(y8)，各工况的相对均方根值基本相同。从图4还可以看出，过滤速度为0.8m/min时，整体袋除尘区的不均匀度波动幅度小。过滤风速越小，气流的速度越小；大的过滤风速会降低滤袋的过滤的效果，而小的过滤风速能提高滤袋的除尘效率，对滤袋的磨损也将减小。
图4不同速度各个检测面的相对均方根值对比
3 结论
本文研究了200MW机组的电袋复合除尘器中5种不同过滤速度对袋除尘器内流场分布及流场均匀性进行了数值研究，得到以下结论：
1)电袋复合除尘器内部气流速度出现了明显的分区状态，在于电除尘结合的袋除尘区出现了明显的高速区，速度为1.6m/min时的高速区小，且随着速度的增加在袋除尘区靠近出口的后墙上部滤袋处出现了狭长的气流聚集区，这将增大滤袋负荷的不均匀度。
2)通过流线图可以看出，在灰斗区产生一定量的漩涡，对已经脱除下来的灰产生二次扬尘，增大袋除尘的负荷。
3)在袋除尘下部区域、袋除尘区域及净气室区域选取有代表的截面进行流场均匀性检验，得出速度为0.8m/min时的不均匀性波动小，且在袋除尘区随着速度增大流场不均匀性也增大，但同时随着高度的增高整体都呈现下降的趋势。
原标题：【技术汇】过滤速度对200MW机组电袋复合除尘器流场分布影响的数值对比
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