锅炉烟道飞灰颗粒电除尘捕获特性研究

王为术， 王 鑫， 张春杰， 王纪宏， 王保文， 姚明宇

(1.华北水利水电大学 热能工程研究中心，郑州 450011；2.大唐林州热电有限责任公司，河南林州 455561；3.西安热工研究院有限公司，西安 710032)

锅炉烟道飞灰颗粒电除尘捕获特性研究

王为术1， 王 鑫1， 张春杰1， 王纪宏2， 王保文1， 姚明宇3

(1.华北水利水电大学 热能工程研究中心，郑州 450011；2.大唐林州热电有限责任公司，河南林州 455561；3.西安热工研究院有限公司，西安 710032)

采用标准k-ε双方程湍流模型对1台连接于锅炉烟道的线板式静电除尘器(ESP)进行三维数值模拟，研究了ESP内烟气流场分布、电晕电场以及飞灰颗粒的荷电特性和运动轨迹，并分析了电场力与湍流作用对烟气流动和飞灰颗粒捕获的影响.结果表明：气流分布板能均化烟气流场,降低电场区入口烟气流速；电场区飞灰颗粒质量浓度沿深度方向逐渐降低，放电极电压的增加使得飞灰颗粒荷电量增加，较强的电场力增强了收尘极板对飞灰颗粒的捕获，提高了收尘效率；在较高的烟气流速下飞灰颗粒所受惯性力增大，克服电场力逃脱收尘极板捕获的能力增强，使得ESP收尘效率降低.

静电除尘器； 飞灰颗粒； 湍流； 收尘效率； 数值模拟

锅炉排烟是大气中可吸入飞灰颗粒的重要污染源，因此对多技术协同高效除尘技术的需求日益迫切[1].静电除尘器(ESP)作为一种高效捕获飞灰颗粒的设备，被广泛应用于工业除尘领域。对于粗飞灰颗粒，ESP的收尘效率达99.9%，但对于可吸入飞灰颗粒，特别是直径小于2.5 μm的超细、超轻飞灰颗粒，则存在逃脱ESP捕获的穿透窗口，因此难以满足日益严格的超低排放标准[2].ESP由放电极和收尘极板组成，通过ESP内电晕电场、烟气流场以及荷电飞灰颗粒动力场间的相互耦合作用，经过气体电离、飞灰颗粒荷电、荷电飞灰颗粒沉积和收尘极板振打清灰等过程可完成对飞灰颗粒的捕获.

为提高ESP内飞灰颗粒的捕获率，特别是针对以亚微米为主的可吸入飞灰颗粒的捕获，国内外学者在ESP的结构优化、荷电特性、飞灰颗粒沉积机理及场力耦合等方面进行了理论、试验和数值研究.1977年，Mcdonald等[3]针对线板式ESP的伏安特性和电晕电场分布提出了计算方法，可用于设计不同几何构型的ESP.Vijapur[4]针对强化悬浮飞灰颗粒捕获的湿法ESP装置进行了优化设计和试验验证.刘继平等[5]针对亚微米飞灰颗粒发明了一种多电晕线三角布置、收尘极板为凸凹型的ESP.Kim等[6]提出了一种装备预充电碳刷、收尘极板覆盖水膜的新型两级湿式ESP.1922年，Deutsch[7]系统研究了带电收尘极板上微细飞灰颗粒的沉降理论，并导出了著名的Deutsch-Anderson 公式.Zhuang等[8]试验研究了ESP内超细飞灰颗粒二次携带的动力学规律.赵汶等[9]通过热态试验研究证明化学团聚作用可促进燃煤烟气中飞灰颗粒的团聚，使其粒径增大4倍，经ESP作用后飞灰颗粒质量浓度降低40%，有效提高了ESP对超细飞灰颗粒的脱除.齐立强等[10]试验研究了燃煤锅炉ESP内飞灰颗粒的物化性质和逃逸机制，分析了飞灰颗粒直径、比电阻和荷电特性对其逃逸的影响.Kallio等[11]采用LDA可视化技术试验研究了线板式ESP内电晕电场和烟气流场的耦合作用，并建立了用于ESP内烟气湍流动能模型电场力的有限元和有限差分的静电模型，模型预测与试验结果一致.龙正伟等[12]试验研究了复合式电袋除尘器的伏安特性，并发展了电场三维算法，且在ESP试验研究的基础上，不断将数值模拟结果应用于ESP结构优化、荷电特性、荷电飞灰颗粒沉积和场力耦合等领域.Nikas等[13]针对ESP的伏安特性和电晕电场分布提出了计算方法，可用于计算ESP的伏安特性、飞灰颗粒横向速度及收尘效率.Guo等[14]提出了一种通用的控制体积模型，并模拟研究了ESP电晕电场和电流密度分布，将其与文献和试验数据进行对比，验证了模型的有效性.龙正伟等[15]模拟了ESP的电晕电场分布、烟气流场分布和飞灰颗粒轨迹，其电晕电场采用非结构有限容积法，飞灰颗粒荷电采用荷电率方程积分法，模拟结果与试验吻合很好.李卓函等[16]针对线板式ESP的RS芒刺电极放电特性进行了试验研究，并用数值模拟方法获得了电极表面电晕电场分布.Luo等[17]采用Fluent软件对ESP模型进行数值模拟，研究了温度对烟气流场、电晕电场、飞灰颗粒荷电及运动轨迹的影响.余志健等[18]模拟研究了ESP内超细飞灰颗粒的运动轨迹和电晕电场分布.实践表明数值研究结果为ESP飞灰颗粒高效捕获技术的应用及ESP优化改造提供了基础.

为实现锅炉机组超净排放，笔者研究了5电场区ESP内锅炉飞灰颗粒的捕获特性，建立了1∶1全电场模型，分析了ESP内烟气流场、电晕电场、飞灰颗粒密度、运动轨迹以及电场力与湍流作用对烟气流动和飞灰颗粒捕获的影响，揭示了烟气流动和飞灰颗粒捕获的规律，为工程实践提供了参考.

1 物理对象与网格模型

模拟对象为1台连接于锅炉烟道的ESP，主要由入口喇叭内的气流分布板、出口喇叭、5个电除尘区以及灰斗等组成.利用Gambit软件对计算区域建模及网格划分，模拟与实际对象比例为1∶1，其几何模型如图1所示.由于结构化网格具有较高的精度与收敛速度，整个计算区域均采用结构化六面体网格，对气流分布板周围网格进行局部加密处理，网格总个数约为3.9×106.

图1 ESP模型及其网格

为对电场区通道内飞灰颗粒的捕获过程进行研究，笔者针对电场区通道单独建模并划分网格.如图 2所示，共划分结构化六面体网格个数为1.5×106，对电极周围网格进行局部加密，且在模拟过程中逐步细化网格，得到近似网格无关解.

图2 ESP电场区通道网格

2 数学模型与方法

2.1 数学模型与求解

Deutsch公式描述了ESP的收尘效率，表明收尘效率是飞灰颗粒质量流量、收尘面积和飞灰颗粒驱进速度的函数，而飞灰颗粒驱进速度正比于ESP峰值电压与平均电压的乘积.烟气流场、飞灰颗粒驱进速度与电晕电场的耦合作用决定了ESP的捕获特性，ESP内烟气中含有大量的气体粒子电荷和飞灰颗粒电荷，流体受到的电场力作用被称为ESP电流场，Kallio等[11]、Liang等[19]和Schemid等[20]的研究表明可采用时均Navier-Stokes方程和雷诺应力标准湍流模型[21]对ESP电流场进行有效求解.

2.1.1 ESP电流场模型

ESP电流场模型的时均Navier-Stokes方程为：

(1)

(2)

式中：xi、ui(i=1，2，3)分别为笛卡尔直角坐标系的x，y，z坐标及其速度分量，单位分别为m、m/s；ρf为流体密度，kg/m3；μ为层流黏性系数，kg/(m·s)；μt为湍流黏性系数，是时间t的函数，kg/(m·s)；p为压力，Pa；Fci为流体受到的电场力，N/m3；gi为重力加速度，m/s2.

湍流模型采用标准k-ε双方程模型，湍流动能κ可表示为：

(3)

式中：κ为湍流动能；σκ为常数，σκ=1.00；K为相对介电常数.

其中G可表示为：

(4)

湍流耗散系数ε为：

(5)

湍流黏性系数μt为：

(6)

式中：Cμ、σε、C1ε、C2ε均为常数，其中Cμ=0.09，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92.

2.1.2 电晕电场模型

忽略飞灰颗粒和气体对电晕电场的影响，将ESP电晕电场控制方程简化为电势泊松方程和电流连续性方程：

▽·(ε0E)=ρs

(7)

E=-▽V

(8)

▽·J=0

(9)

J=ρsμiE-Di▽ρs

(10)

式中：E为电场强度，V/m；J为电流密度，A/m2；V为电压，V；ε0为气体介电常数，ε0=8.85×10-12C2/(N·m2)；μi为离子迁移率，μi=1.60×10-4m2/(V·s)；Di为离子扩散系数，m2·s；ρs为空间电荷密度，C/m3.

采用磁流体MHD模型计算电场强度与空间电势分布，其中烟气流体所受电场力可通过软件接口UDF获得.

2.1.3 飞灰颗粒荷电模型

飞灰颗粒荷电量可由下式计算：

(11)

(12)

(13)

式中：qp为荷电飞灰颗粒瞬时荷电量，C；qs为荷电飞灰颗粒饱和荷电量，C；υm为离子平均运动速度；dp为飞灰颗粒直径；e为电子电荷数，e=1.6×10-19C；Ta为空气温度；θ为飞灰颗粒中心角；θ0为过飞灰颗粒电晕电场等值线的最大中心角，θ0=arccos(qp/qs)；d0为沿飞灰颗粒中心角的直径；b为离子迁移率；k为玻耳兹曼常数；T为ESP内烟气流动温度.

荷电飞灰颗粒饱和荷电量qs、离子平均运动速度υm以及离子迁移率b分别为：

(14)

(15)

(16)

式中：p为ESP内烟气压力；bs为常温T0、压力p0下的离子迁移率.

2.1.4 颗粒运动模型

ESP中放电极电晕电场放电，使得烟气流动中分布大量荷电离子，烟气流体受电晕电场离子风作用，烟气流动偏离原方向，且烟气流动对荷电离子起对流运输作用，荷电离子通过与飞灰颗粒碰撞及扩散的方式使烟气中飞灰颗粒荷电，荷电飞灰颗粒受到流体曳力及电晕电场库仑力的作用，其运动方向改变，朝收尘极板方向运动，实现收尘极板对飞灰颗粒的捕获.

烟气中飞灰颗粒运动方程如下：

gi(1-ρf/ρp)+γi,i=x,y,z

(17)

(18)

式中：Cd为流体曳力系数；γi为施加于飞灰颗粒的电场力；up,i为沿i方向的颗粒运动速度.

γx=(Ex·qp)/mp

(19)

γy=(Ey·qp)/mp

(20)

式中：Ex、Ey分别为x、y方向的电场强度；mp为飞灰颗粒的质量.

ESP进出口气流分布板采用多孔介质模型，近壁区域采用标准壁面函数法，压力耦合采用Simple算法，并基于Fluent6.3进行求解，飞灰颗粒运动采用拉格朗日离散项模型.

2.2 材料属性与边界条件

烟气密度为1 kg/m3，入口设为速度入口边界条件，大小为6.02 m/s，出口设为自由出口边界条件.飞灰颗粒密度为750 kg/m3，比电阻为4.3×1012Ω·cm，飞灰颗粒质量流量为9.7 kg/s.收尘极板的离散相边界条件为trap，进出口设为escape，其他面设为reflect.放电极施加电压为72 kV，收尘极板接地电势为0，同极间距为400 mm.

在ESP距入口分别为2 m、3.495 m和3.8 m竖直方向处共设置3层气流分布板，沿深度方向气流分布板的开孔率分别为44%、35%和35%.

3 结果分析与讨论

3.1 ESP烟气流场分布

在锅炉负荷一定的条件下，炉膛出口过量空气系数、锅炉受热面过量空气系数、烟道漏风、ESP本体漏风等因素均会影响ESP内的烟气流速.一方面，烟气流速决定了飞灰颗粒所受惯性力，另一方面又决定了飞灰颗粒在电场区的停留时间.飞灰颗粒所受惯性力、电场力及其在电场区的停留时间综合决定了ESP对飞灰颗粒的收尘效率.基于此，笔者对ESP内的烟气流场分布进行了数值模拟.

图3为ESP入口中心水平截面的烟气流场分布，x表示沿深度方向的坐标，y表示沿宽度方向的坐标.由图3可知，烟气由ESP入口经3层气流分布板后，进入ESP电场区.由于ESP入口为喇叭口结构，烟气受到惯性力作用，入口到第1层气流分布板之间的烟气流速呈中间高、近壁面处低、梯度大的分布特征.烟气经第1层气流分布板后，烟气流场得到明显均化，近壁面处烟气流速相对较高，最大约为1.29 m/s，中间烟气流速相对较低，约为1 m/s.烟气经过第2层气流分布板后，烟道中间区域烟气流速下降较快，四周区域烟气流速下降较慢.烟气经过第3层气流分布板后，通道内烟气流速降至约0.4 m/s，烟气经过3层气流分布板进入电场区后，烟气流速降低，烟气流场分布均匀.

图3 ESP入口区域z=0 m位置水平截面处的烟气流速分布

ESP沿深度方向的烟气流速分布如图4所示.由图4可知，ESP进出口烟气流速较高，流经5个电场区段的烟气流速较低，在第1电场区入口段烟气流速降至约0.4 m/s，主要是因为烟气流经ESP入口段时，喇叭口本身的几何结构造成烟气流速降低，同时气流分布板对烟气进行均流，也降低了烟气流速.在前3级电场区，烟气流速呈先降低后升高的趋势，由于ESP出口几何结构的影响，进入第4电场区后烟气流速逐渐升高，在第5电场区出口处烟气流速升至约0.47 m/s.在ESP出口喇叭位置处，烟气流速迅速升高，ESP出口最终烟气流速约为6.5 m/s.

图4 ESP沿深度方向的烟气流速分布

图5为第1电场区入口纵截面的烟气流速分布,z表示沿高度方向的坐标.由图5可以看出，电场区入口两侧的烟气流速呈对称分布，中间区域烟气流速较低，四周区域烟气流速较高，其中入口截面4个角处形成高速区域，烟气流速为0.45 m/s；中心位置形成低速区域，最低烟气流速为0.332 m/s，此分布趋势与张颉等[22]的计算及试验结果相符.电场区入口断面处烟气平均流速为0.375 m/s，断面上烟气流速分布的相对均方根σ为0.115，符合ESP性能考核指标(σ≤0.2)[23].

3.2 ESP的伏安特性分布

ESP电场区通道内的伏安特性决定了电场区的电晕电场分布及飞灰颗粒荷电，会影响烟气中飞灰颗粒的捕获，从而影响ESP的收尘效率.为研究ESP电场区内的伏安特性及飞灰颗粒的捕获过程，笔者对电场区单通道进行建模分析.

图5 电场区入口区域x=-14 m位置纵截面处的烟气流速分布

图6为第1电场区收尘极板中心线位置处的电流密度与电场强度分布，其中ESP放电极电压为72 kV，烟气流速为0.375 m/s，飞灰颗粒直径为1 μm.由图6可以看出，在收尘极板上正对放电极位置处的电场强度和电流密度出现峰值，在放电极之间出现较小值.电场强度与电流密度数量级分别为105V/m与10-1mA/m2，电场强度的最大值约为2根电极之间电场强度的1.4倍，而电荷密度的最大值约为2根电极之间电荷密度的1.5倍.

图6 收尘极板中心线位置处的电流密度、电场强度分布

3.3 飞灰颗粒质量浓度场分布

分别对放电极施加72 kV、60 kV和30 kV电压时，沿深度方向的飞灰颗粒质量浓度分布如图7所示.由图7可知，当电场区入口飞灰颗粒质量流量一定时，ESP内飞灰颗粒质量浓度沿深度方向逐渐降低，飞灰颗粒受电场力作用，被收尘极板捕获.在第1、第2电场区飞灰颗粒质量浓度降低幅度较大，进入第3电场区后其质量浓度降低趋势逐渐变缓.沿深度方向ESP对飞灰颗粒的捕获不均匀，放电极电压为30 kV时，第1电场区飞灰颗粒捕获比例达到64 %左右，第2电场区飞灰颗粒质量浓度降至约0.05 kg/m3，飞灰颗粒捕获比例达到82%，表明主要除尘区为第1、第2电场区.由图7还可以看出，随电压的增大，同一位置飞灰颗粒质量浓度呈降低趋势；第2电场区后电压变化对飞灰颗粒质量浓度的影响逐渐减弱，其主要原因是电压增大，飞灰颗粒荷电量增加，且电场区电场强度增强，其综合作用导致飞灰颗粒所受电场力增大，加剧飞灰颗粒向收尘极板的运动，从而飞灰颗粒被收尘极板捕获，收尘效率提高.如表1所示，随着放电极电压的增大，ESP收尘效率提高.

图7 不同放电极施加电压下飞灰颗粒沿深度方向的质量浓度分布

表1 不同放电极施加电压下的收尘效率

ESP对直径小于10 μm飞灰颗粒的捕获特性是影响锅炉机组超低排放的关键因素.图8为在电场区入口处直径为1～4 μm的飞灰颗粒沿深度方向的质量浓度分布.图9为在电场区入口处直径为5～8 μm的飞灰颗粒沿深度方向的质量浓度分布.由图8和图9可以看出，通道内飞灰颗粒质量浓度沿深度方向逐渐降低，随着飞灰颗粒直径的增大，飞灰颗粒质量浓度迅速降低.ESP对直径为6～8 μm飞灰颗粒的捕获大部分在第1电场区完成.进入第2电场区时较大直径的飞灰颗粒质量浓度降至0.01 kg/m3以下；直径为4 μm、5 μm的飞灰颗粒质量浓度降至0.015 kg/m3；直径为1 μm、2 μm 的飞灰颗粒质量浓度降至0.07 kg/m3.可见在第1电场区ESP基本捕获了较大直径的飞灰颗粒.其主要原因是飞灰颗粒直径增大导致飞灰颗粒荷电量增加，飞灰颗粒受到的电场力增大，加剧了飞灰颗粒向收尘极板的运动，导致电场区通道内飞灰颗粒质量浓度降低.

图8 直径为1～4 μm飞灰颗粒沿深度方向的质量浓度分布

图9 直径为5～8 μm飞灰颗粒沿深度方向的质量浓度分布

锅炉燃烧与运行工况的变化会影响ESP的性能，烟气质量流量随锅炉负荷的增加而增加，且电场区烟气流速也会提高，从而导致收尘效率下降，因此笔者对不同湍流强度条件下电场区的收尘效率进行研究.

图10为电场区不同速度入口条件下飞灰颗粒质量浓度沿深度方向的分布规律.由图10可知，随着电场区入口烟气流速的增加，第1电场区入口飞灰颗粒质量浓度逐渐降低.由图10及表2可知，在较低的烟气流速下，第1、第2电场区飞灰颗粒质量浓度下降得更快，ESP的收尘效率反而增加.其主要原因是ESP电场区入口烟气流速较高时，进入ESP电场区入口的飞灰颗粒具有较大惯性，飞灰颗粒受到烟气的裹挟，跟随较高流速的烟气迅速脱离入口位置，导致入口位置高速烟气中飞灰颗粒的质量浓度剧烈下降；进入电场区后，较高烟气流速下飞灰颗粒所受惯性力较大，克服电场力逃脱收尘极板捕获的能力更强，因此飞灰颗粒质量浓度下降缓慢；距离电场区入口3 m位置后，高速烟气中飞灰颗粒质量浓度高于低速烟气中的飞灰颗粒质量浓度，导致在较低入口烟气流速条件下，ESP收尘效率更高.不同入口烟气流速下的收尘效率如表2所示.

图10 不同电场区入口烟气流速下沿深度方向飞灰颗粒质量浓度分布

表2 不同电场区入口烟气流速下的收尘效率

基于以上分析发现，ESP各电场区的收尘比例不均衡，其中第1电场区收尘比例较大，但仍受到入口烟气流速的影响.锅炉燃烧运行时，锅炉负荷、燃料的变化以及炉膛出口过量空气系数等均会对ESP入口烟气质量流量产生影响.当烟气质量流量增加时，针对飞灰颗粒在ESP通道内质量浓度的变化规律，选择合适的ESP气流分布板开孔率，可降低ESP电场区的烟气流速，均化烟气流场，进而提高ESP第1电场区的收尘比例.将靠后的电场区改造为袋式除尘方式，对较低质量浓度的超细飞灰颗粒进行捕获，可提高收尘效率，降低ESP耗电功率，起到高效节能的效果.

4 结 论

(1)在ESP入口合理布置气流分布板，可均化烟气流场、降低电场区入口烟气流速；电场区入口截面中间区域烟气流速较低，四周区域的烟气流速较高，入口截面烟气流速分布符合ESP性能考核指标.

(2)飞灰颗粒受电场力作用，飞灰颗粒质量浓度沿深度方向逐渐降低；ESP的主要除尘区为第1、第2电场区，且随电压的增加，飞灰颗粒质量浓度呈降低趋势；第2电场区后电压变化对飞灰颗粒质量浓度的影响减弱.

(3)在较高烟气流速下，飞灰颗粒受烟气流体的裹挟，惯性力较大，克服电场力逃脱收尘极板捕获的能力增强；在较低入口烟气流速下，ESP收尘效率更高.

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CapturePerformanceofanElectrostaticPrecipitatorforFlyAshParticlesfromBoilerFlueDucts

WANGWeishu1,WANGXin1,ZHANGChunjie1,WANGJihong2,WANGBaowen1,YAOMingyu3
(1.Thermal Engineering Research Center, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China; 2. Datang Linzhou Thermal Power Co., Ltd., Linzhou 455561, Henan Province, China; 3. Xi'an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710032, China)

Three-dimensional numerical simulation was carried out using standardk-εtwo-equation turbulence model on a wire-plate electrostatic precipitator (ESP) installed in boiler flue duct to study the distribution of flue gas flow field, Corona electric field, particle charging and particle motion track within the ESP; besides, the effect of electric field force and turbulence action on the flue gas flow and the capturing of ash particles were analyzed. Results indicate that the gas flow distribution plates can homogenize the flow field and reduce the gas velocity at the entrance of electric field. The concentration of ash particles reduces gradually along the flow direction; the carrying capacity of ash particles increases with the rise of discharge electrode's voltage; stronger electric field force enhances the capturing of ash particles by collection plate, thus improving the dust collection efficiency. When the flue gas velocity increases, the collection efficiency of ESP decreases, due to the enhanced inertia force undertaken by ash particles under higher flue gas velocity, making the particles escape from the electrostatic precipitator more easily by overcoming the electric field force.

electrostatic precipitator (ESP); fly ash particle; turbulence; dust removal efficiency; numerical simulation

2016-09-12

2016-10-31

国家重点研发计划资助项目(2016YFB0601404)

王为术(1972-)，男，重庆开县人，教授，研究生导师，主要从事冶金流程耦合节能测试技术以及多相流和传热问题的理论、实验和数值模拟方面的研究.电话(Tel.)：13733870955；E-mail: wangweishu@ncwu.edu.cn.

1674-7607(2017)12-1007-08

TK221

A

470.10