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摘 要：电除尘器振打清灰过程中产生的粉尘二次飞扬损失，是导致其运行性能下降的主要因素之一，二次飞扬损失的大小与电场内部气流流动状态有关。采用气固两相流的数值模拟方法，对电除尘器内部气流流动和粉尘浓度分布状态进行研究，以出口排放浓度最低为目的，对除尘器内部气流组织进行优化。模拟得出最佳出口排放浓度较低的较佳斜气流流型，研究其对微细粒子捕集效率提高的能力。
关键词：电除尘器；CFD；斜气流；气-固两相流；数值模拟
中图分类号：X701.2 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0068-01
1 引 言
电除尘器具有除尘效率高、设备阻力小、运行稳定可靠、处理烟气量大及能处理高温烟气等优点，在工业烟尘中占有重要地位，是燃煤电厂主要的除尘设备之一，随着2012年起实施的《火电厂大气污染物排放标准》提出，对电除尘器提出了更高的要求[1]。
电除尘器的工作原理包括气体电离、悬浮粒子荷电、荷电粒子在电场中的沉降和捕集粒子的清除四个过程。振打清灰过程中产生的粉尘二次飞扬损失，是导致除尘器运行性能下降的主要原因之一，二次飞扬损失的大小与电厂内部气流流动状态有关。电场内粉尘颗粒的运动对粒子荷电，粒子沉降和二次扬尘也有着重要影响。因此对电除尘器内气固两相流进行数值模拟试验研究，更直接地反映流场调节对电除尘器除尘效率的影响，通过改善电场内气流分布来提高除尘效率、降低粉尘排放浓度，为电除尘器的设计和改造提供依据。
2 斜气流技术
2.1 斜气流技术机理
长期以来的观点一直认为，如果电除尘器电场内部气流分布均匀，其运行效果就可以达到最佳。这种观点主要是以数学分析为理论依据，即假设沿粉尘沉降方向横截面上各点的粉尘浓度值是一个恒定不变的常数，也可以说粉尘在沉降方向上的濃度分布是均匀的，如图1所示，但实际情况并非如此，电场中粉尘的沉降会受到重力、电场力、二次扬尘以及气流惯性等因素的影响，因此，实际测出的结果发现，粉尘浓度呈现出不均匀分布现象，如图2所示的颗粒浓度分布状态，即粉尘浓度顶部比底部小，电场内后面浓度高于前面颗粒浓度的分布状态。因此，当气流以标准的均匀流速分布时，可能会出现电场内某些区域利用率低，而有些区域处于过载状态，所以，气流采用均匀分布未必是完全可取的。
2.2 较佳斜气流流型的提出
众所周知，气流分布对电除尘器除尘效率的影响是举足轻重的，我们通常认为电除尘器能达到最佳运行效果即除尘效率最高的必要条件之一是使得电场内部各个断面的气流速度分布均匀。这个观点的提出是基于多依奇的横向混合模型，该模型的假设条件是：粉尘在通过电场时得到了完全混合，电除尘器沿气流流方向的任一横截面上，粉尘浓度保持均匀分布，进入电除尘器的粉尘粒子立即荷电，且忽略了二次扬尘等影响因素。事实上这种理想的模型只有在没有返流损失和旁路等不利因素的高湍流区才能近似满足。而在实际运行的电除尘器内，返流损失和旁路的影响是不容忽视的，再加上湍流扩散有限性的作用，电除尘器各电场断面的粉尘浓度是分布不均匀的。
本文通过不断改变气流分布板的局部开孔率，对同一条件下的粉尘进行气-固两相流的数值模拟研究，最终得出第一电场入口断面速度分布从上到下不断增大，末端电场出口断面从上到下不断减小，在电场区域平滑过渡，且排放浓度较低的接近理想的斜气流流型。满足上述条件的斜气流流型即为本文所确定的较佳斜气流流型。
3 斜气流的数值模拟
3.1 几何模型及网格划分
论文采用Fluent软件的前处理软件Gambit，按照1：1的比例建立电除尘器几何模型，数值模拟试验区域包括进口管道、进口喇叭、电除尘器本体（包括电场区域和灰斗）、出口喇叭以及出口管道，建立电除尘器几何模型图。
3.2 计算模型和边界条件
计算模型选用标准k-ε方程模型，控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能k方程及耗散率ε方程。模拟电除尘器内气流流动状态时，连续相边界条件设定速度进口边界条件，压力出口边界条件，气流分布板采用多孔介质边界条件；导流板、导流片、灰斗挡风板以及电除尘器壳体设置为墙；离散相边界条件设定进口、出口、气流分布板均为逃逸，极板和灰斗为捕集。
3.3 模拟结果与讨论
沿气流流动方向第一层气流分布板的开孔率设置为60%，首先使气流均匀的进入电场区域，然后要使气流倾斜向上流动，将第二层气流分布板分为均等的四小块，设置不同的开孔率，由上至下逐渐增大，第三层气流分布板分成均等的六小块，开孔率由上至下逐渐增大，由于在底部区域要给气流一个迫使其向上运动的力，所以底部的小块气流分布板的开孔率应设置小一些。但是如果最底部的气流分布板开孔率突然减小，即阻力系数突然增大，会来不及缓冲，故底部倒数第二块气流分布板的开孔率就应该适当减小，底部第一块的开孔率最小。出口气流分布板分为三小块，开孔率由上至下逐渐减小，顶部分布板的开孔率大一些也可以引导气流向上倾斜流动。
4 结 论
通过对斜气流进行两相流的数值模拟，得到出口排放浓度较低的斜气流流型，模拟试验分析了斜气流对不同粒径粒子捕集效率的影响，结果表明斜气流在一定程度上能提高对粒子的捕集效率，对10μm以上粒子捕集效率提高的幅度较明显，而10μm以下的微细粒子捕集效率的提高是有限的。
参考文献
[1]张建宇，潘 荔，杨 帆，刘 嘉.中国燃煤电厂大气污染物控制现状分析[J].环境工程技术学报，2011，1（3）：185～196.
[2]张德轩，贺国燕，孔春林.新环保要求下火电厂除尘设备的选型[C].第11届全国电除尘学术会议论文集，2005：102～112.
[3]胡满银，赵俊起，韩 祥，等.电除尘器斜气流分布的实验研究.华北电力技术，2005（1）：11～12.
收稿日期：2018-3-25
关键词：电除尘器；CFD；斜气流；气-固两相流；数值模拟
中图分类号：X701.2 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0068-01
1 引 言
电除尘器具有除尘效率高、设备阻力小、运行稳定可靠、处理烟气量大及能处理高温烟气等优点，在工业烟尘中占有重要地位，是燃煤电厂主要的除尘设备之一，随着2012年起实施的《火电厂大气污染物排放标准》提出，对电除尘器提出了更高的要求[1]。
电除尘器的工作原理包括气体电离、悬浮粒子荷电、荷电粒子在电场中的沉降和捕集粒子的清除四个过程。振打清灰过程中产生的粉尘二次飞扬损失，是导致除尘器运行性能下降的主要原因之一，二次飞扬损失的大小与电厂内部气流流动状态有关。电场内粉尘颗粒的运动对粒子荷电，粒子沉降和二次扬尘也有着重要影响。因此对电除尘器内气固两相流进行数值模拟试验研究，更直接地反映流场调节对电除尘器除尘效率的影响，通过改善电场内气流分布来提高除尘效率、降低粉尘排放浓度，为电除尘器的设计和改造提供依据。
2 斜气流技术
2.1 斜气流技术机理
长期以来的观点一直认为，如果电除尘器电场内部气流分布均匀，其运行效果就可以达到最佳。这种观点主要是以数学分析为理论依据，即假设沿粉尘沉降方向横截面上各点的粉尘浓度值是一个恒定不变的常数，也可以说粉尘在沉降方向上的濃度分布是均匀的，如图1所示，但实际情况并非如此，电场中粉尘的沉降会受到重力、电场力、二次扬尘以及气流惯性等因素的影响，因此，实际测出的结果发现，粉尘浓度呈现出不均匀分布现象，如图2所示的颗粒浓度分布状态，即粉尘浓度顶部比底部小，电场内后面浓度高于前面颗粒浓度的分布状态。因此，当气流以标准的均匀流速分布时，可能会出现电场内某些区域利用率低，而有些区域处于过载状态，所以，气流采用均匀分布未必是完全可取的。
2.2 较佳斜气流流型的提出
众所周知，气流分布对电除尘器除尘效率的影响是举足轻重的，我们通常认为电除尘器能达到最佳运行效果即除尘效率最高的必要条件之一是使得电场内部各个断面的气流速度分布均匀。这个观点的提出是基于多依奇的横向混合模型，该模型的假设条件是：粉尘在通过电场时得到了完全混合，电除尘器沿气流流方向的任一横截面上，粉尘浓度保持均匀分布，进入电除尘器的粉尘粒子立即荷电，且忽略了二次扬尘等影响因素。事实上这种理想的模型只有在没有返流损失和旁路等不利因素的高湍流区才能近似满足。而在实际运行的电除尘器内，返流损失和旁路的影响是不容忽视的，再加上湍流扩散有限性的作用，电除尘器各电场断面的粉尘浓度是分布不均匀的。
本文通过不断改变气流分布板的局部开孔率，对同一条件下的粉尘进行气-固两相流的数值模拟研究，最终得出第一电场入口断面速度分布从上到下不断增大，末端电场出口断面从上到下不断减小，在电场区域平滑过渡，且排放浓度较低的接近理想的斜气流流型。满足上述条件的斜气流流型即为本文所确定的较佳斜气流流型。
3 斜气流的数值模拟
3.1 几何模型及网格划分
论文采用Fluent软件的前处理软件Gambit，按照1：1的比例建立电除尘器几何模型，数值模拟试验区域包括进口管道、进口喇叭、电除尘器本体（包括电场区域和灰斗）、出口喇叭以及出口管道，建立电除尘器几何模型图。
3.2 计算模型和边界条件
计算模型选用标准k-ε方程模型，控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能k方程及耗散率ε方程。模拟电除尘器内气流流动状态时，连续相边界条件设定速度进口边界条件，压力出口边界条件，气流分布板采用多孔介质边界条件；导流板、导流片、灰斗挡风板以及电除尘器壳体设置为墙；离散相边界条件设定进口、出口、气流分布板均为逃逸，极板和灰斗为捕集。
3.3 模拟结果与讨论
沿气流流动方向第一层气流分布板的开孔率设置为60%，首先使气流均匀的进入电场区域，然后要使气流倾斜向上流动，将第二层气流分布板分为均等的四小块，设置不同的开孔率，由上至下逐渐增大，第三层气流分布板分成均等的六小块，开孔率由上至下逐渐增大，由于在底部区域要给气流一个迫使其向上运动的力，所以底部的小块气流分布板的开孔率应设置小一些。但是如果最底部的气流分布板开孔率突然减小，即阻力系数突然增大，会来不及缓冲，故底部倒数第二块气流分布板的开孔率就应该适当减小，底部第一块的开孔率最小。出口气流分布板分为三小块，开孔率由上至下逐渐减小，顶部分布板的开孔率大一些也可以引导气流向上倾斜流动。
4 结 论
通过对斜气流进行两相流的数值模拟，得到出口排放浓度较低的斜气流流型，模拟试验分析了斜气流对不同粒径粒子捕集效率的影响，结果表明斜气流在一定程度上能提高对粒子的捕集效率，对10μm以上粒子捕集效率提高的幅度较明显，而10μm以下的微细粒子捕集效率的提高是有限的。
参考文献
[1]张建宇，潘 荔，杨 帆，刘 嘉.中国燃煤电厂大气污染物控制现状分析[J].环境工程技术学报，2011，1（3）：185～196.
[2]张德轩，贺国燕，孔春林.新环保要求下火电厂除尘设备的选型[C].第11届全国电除尘学术会议论文集，2005：102～112.
[3]胡满银，赵俊起，韩 祥，等.电除尘器斜气流分布的实验研究.华北电力技术，2005（1）：11～12.
收稿日期：2018-3-25