湿式电除尘器流场模拟及优化
（江苏科行环保科技有限公司 江苏盐城224051）
摘要：以某新建煤化工厂湿式电除尘装置为模拟对象，采用CFD流场模拟软件对湿式电除尘装置进行几何建模、网格划分、数值模拟及计算等，分析湿式电除尘装置内的速度分布、温度分布、烟气入射角及压损等，并进行优化，得到最佳结构及内部导流板布置形式。结果表明：优化后设计的湿式电除尘装置内部能达到较好的流场分布，阳极板上游速度CV=98.79%，烟气入射角为6.67°，温度分布绝对偏差小于1℃，能满足各项性能指标要求。
关键词：湿式电除尘，CFD，流场分布
The flow field simulation and optimization of wet electro-static precipitator
LIN Haiyan
(Jiangsu Cohen Environmental Protection of Science and Technology Co.,Ltd,Jiangsu, Yancheng, 224051)
Abstract：Taking wet electro-static precipitator of a newly built coalification smelting factory as simulation object. The CFD flow field simulation software was carried out on wet electro-static precipitator geometry modeling, meshing, numerical simulation and calculation,etc.And we use CFD to anysis velocity distribution,temperature distribution,flue gas incident angle and pressure loss,etc in wet electro-static precipitator and optimize it, thus we got the best reactor structure and internal guide plate layout.Results show that the optimized design wet electro-static precipitator can achieve a better flow field distribution inside the reactor, The velocity CV of anode plate upstream is 98.79%,flue gas incident angle is 6.67°,absolute deviation of temperature deviation is less than 1℃,which can meet the requirements of various performance indicators.
Key words: wet electro-static precipitator,CFD,flow field distribution
1、前言
湿式电除尘器对SO3酸雾、Hg、As、Se等有毒重金属以及PM2.5微细粉尘具有良好的的脱除效果，可解决湿法脱硫带来的石膏雨、蓝烟等问题以及缓解烟囱、烟道腐蚀。湿式电除尘技术以其除尘效率高、压力损失小、操作简单、能耗小、无运动部件、无二次扬尘等优点而在工业上被广泛应用。近年来化工行业粉尘颗粒排放限值日趋严格，要达到颗粒度≤5 mg/Nm3的超低排放标准，湿式电除尘将是首选除尘技术。除尘效率衡量湿式电除尘系统性能的重要指标，而湿式除尘器入口前至阳极板顶层段烟气的分布均匀性是影响这一指标的重要因素。因此，通过CFD流场模拟的方法，掌握烟气及粉尘在除尘器的实际流动情况，并在湿式电除尘器内装设导流板、整流格栅，以保证烟气在除尘器壳体内均匀流动，使各个区域与阳极板、阴极线的接触面积最大化，烟气浓度的分布一致，最终改善湿式电除尘器内部流场均匀性。
相对标准偏差CV为标准偏差与平均数的比值，是反应某数据的离散程度的绝对值，可作为评价湿式电除尘器CFD流场模拟的定量指标，各指标的目标限值如表1所示。本文对湿式电除尘装置内部导流板进行了优化，着重分析湿式电除尘装置蜂窝阳极板上方0.1m截面处的各项指标，以获得良好的流场分布。
2、模拟计算
2.1几何建模及网格划分
按照某化工厂湿式电除尘装置建立1：1比例的三维几何模型，模型中，导流板以的厚度远小于除尘器外形尺度，故都将其厚度忽略。模型如图2-1（a）所示。模型建立之后，需要进行网格划分将模型离散化，即通过有限的网格节点来描述实际的空间连续实体。考虑到模型复杂的内部结构，计算区域需采用结构化和非结构化的混合网格进行划分，整个模型总网格数约170万，如图2-1（b）所示。
为保证流场均匀性及系统阻力等能够达到相关性能指标，湿式电除尘装置中各个转弯处均布置有优化设计的导流板；为了加强均流效果和矫正烟气入射角度，在阳极板上方湿式电除尘器入口处布置有整流格栅。
2.2计算模型选取
湿式电除尘装置内部的流动是一个复杂的湍流流动过程，考虑到数学模型的可靠性和工程应用的可行性，本文选用标准k-双方程模型来模拟湿式电除尘装置内部的烟气流动情况。
2.3初始条件和边界条件
2.3.1烟气参数
以脱硫塔出口工况为考察对象，湿式电除尘器入口烟气参数如表2所示：
2.3.2进出口边界条件
根据烟气体积流量和出入口截面尺寸，可分别计算得到入口及出口的边界条件，计算结果如表3所示：
3、计算结果分析
3.1优化前后流场分析
烟气进行湿法脱硫后，经斜烟道进入垂直反应器，在湿式电除尘装置内部进行除尘，除尘完成的干净气体从湿式电除尘装置出口流出。此时湿式电除尘装置内烟气流场情况如图3（a）所示，由图可见，烟气经弯头转向后，出现严重的分布不均匀，除尘器壳体外侧流速过高，内侧速度较小，除尘器两侧垂直烟道均出现了回流现象。流速分布不均匀将直接导致湿式电除尘装置内烟气分布不均匀，流速过大部位会对阳极板及阴极线造成很大的冲击，加快阳极板和阴极线的磨损。针对此现象，在弯道处增设了导流板，在反应器顶部布置了整流格栅，并对入口管道进行了缩放处理。优化后的流场如图3（b）所示，由图可见，反应器的高速区得到了改善，回流区被消除，整个流场分布较均匀。
3.2优化后流场定量分析
3.2.1流速分析
阳极板上游的速度均匀性是影响脱硝性能的重要指标。根据图3-5，阳极板上游截面烟气流速较均匀，均处于1~3m/s之间，经统计，该截面平均烟气流速约1.98m/s，标准偏差为1.79m/s，相对标准偏差=98.79%，满足设计指标要求。
3.2.2压力分布
图3-6给出了湿式电除尘装置的整个压力分布，主要的压力损失集中在弯道和阳极板层阻力，经计算，总压降约380Pa，满足压力损失要求。
3.2.3烟气流动方向
图3-7~3-8给出了由各方向看去的烟气流线分布，可见，在导流板的合理布置条件下，各段烟道内的烟气均能保证良好的方向均匀性，无回流漩涡发生，可有效避免局部积灰现象。由3-7和3-8可见，除尘器内的烟气垂直性良好，可有效避免阳极板被过度的横向冲刷，为内部构件的使用寿命提供了保障。经计算，蜂窝阳极板上表面的烟气来流平均入射角（即偏离铅锤向下方向）为6.67°。
3.2.4温度分布
图3-9蜂窝阳极板上表面温度分布。可见，该表面温度分布十分均匀，最大温度偏差小于1℃，满足性能要求。
4、结论
采用fluent软件对某化工厂湿式电除尘器进行数值模拟，通过对湿式电除尘装置蜂窝阳极板上方0.1m截面处的各项指标进行分析，得出以下结论：
表4-1显示，由CFD优化确定导流板布置方案能够使湿式电除尘系统各指标均控制在要求范围内，可确定为最优方案。