带电粒子除雾霾装置空气驱动单元的设计外文翻译资料

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挡板对火力发电厂静电除尘器内气流分布的影响

A.S.M. Sayem ^a * M.M.K. Khan ^a , M.G. Rasul ^a ,

M.T.O. Amanullah ^b , N.M.S. Hassan ^a

^a中央昆士兰大学，罗克汉普顿，昆士兰-4702，澳大利亚

^b迪肯大学，墨尔本，昆士兰-4702，澳大利亚

摘要

静电除尘器（ESP）是最可靠的工业用于收集粉尘以减少排放污染的控制装置，收集效率达到99%以上。然而，由于静电除尘器涉及到复杂的流动现象和其本身设计的限制，它捕获有害的亚微颗粒仍然存在很大问题。本文通过计算研究了挡板对静电除尘器内部气流分布的影响。挡板通过增加烟气在装置中的停留时间，进而让更多的粒子附着到收集盘上，因此来提升静电除尘器的收集效率。此外，挡板的布置很可能引起烟气的回旋，因此在离心力和静电力的作用下亚微颗粒向着收集盘移动。因此本文提出，对于静电除尘器的设计，挡板的位置、形状和厚度对收集效率的影响同样重要。文章使用计算流体力学（CFD）软件Fluent对流体流动的分布进行建模，并对仿真结果进行了分析和讨论。结果表明，挡板对流体流动状态和静电除尘器收集效率具有显著影响。

关键词：静电除尘器；流体分布；停留时间；挡板

Abstract

Electrostatic Precipitators (ESP) are the most reliable and industrially used control devices to capture fine particles for reducing exhaust emission. Its efficiency is 99% or more. However, capturing submicron particles which are hazardous is still a problem as it involves complex flow phenomena and ESP design limitations. In this study, the effect of baffles on flow distribution inside the ESP is investigated computationally. Baffles are expected to increase the residence time of flue gas which helps to collect more particles into the collector plates, and hence increase the collection efficiency of an ESP. Besides, the placement of a baffle is likely to cause swirling of flue gas and hence sub-micron particles move towards the collector plate due to eccentric and electrostatic force. Therefore, the effects of position, shape and thickness of the baffles on collection efficiency which are also important for ESP design are reported in this study. The fluid flow distribution has been modelled using computational fluid dynamics (CFD) software Fluent and the result and outcome are presented and discussed. The result shows that baffles have significant influence on fluid flow pattern and the efficiency of ESP.

Keywords : ESP; Flow distribution; Residual time; baffles.

1引言

几十年来，煤炭一直是昆士兰电力发电能源的主要来源，在2010年到2011年间，澳大利亚各地的火力发电厂提供约76%的电能，并且62%的电能供给昆士兰州，其余的电能提供给其他的州^[1]，如图1所示。由于静电除尘器在控制粉尘颗粒排放方面的具有高效和可靠的表现，大部分火力发电厂和加工厂通常都使用静电除尘器。烟气通过静电除尘器捕捉其中的粉尘颗粒后排入环境中，静电除尘器作为清洁装置，其通过产生电场力的作用将灰尘颗粒与烟气分离，它的关键部件是一个具有喇叭形进口和漏斗形出口的长方体收集室，在喇叭形的进口和出口处安装起到分流作用的分流板，在收集室内装有许多放电电极（DE）和收集电极（CE）。图2呈现了静电除尘器的安装结构和一种典型线板式静电除尘器的通道，烟气从装有一组垂直极板的通道中流过，通过在极板间施加电场，实现烟气的分离。本文讨论了挡板对烟气流型的影响，流型对粒子的收集有着显著的影响，同时也是静电除尘器设计和调试的重要参数^[2]。

图1 昆士兰电网燃料类型，2010-11

图2 火电厂中静电除尘器的典型安装方式^[1]

由于受到美国环保局（EPA）严格的规定和限制，颗粒物的排放已经成为电力行业密切关注的问题。微粒进入人类呼吸道内部，会严重影响我们的健康^[3]。性能优化的控制排放装置日渐取代能量回收和保护的方法。尽管静电除尘器有99.5%的粉尘捕获能力，电站总希望通过低成本方法降低粉尘排放。目前，静电除尘器尚未能捕获直径小于2.5微米的粒子，然而在美国环保局新的政策下，这些微粒也会严禁排放到空气中。

近些年，关于静电除尘器中气体的流动问题已有大量的研究^[4]。在Gallimberti等人的综述中，阐述了有必要进一步提升静电除尘器对于小直径颗粒的收集能力和收集效率，其中一种解决办法就是增加粒子在静电除尘器中的停留时间^[5]。本文介绍并研究了在静电除尘器内部安装两列挡板，以此来增加排放烟气在装置内的停留时间。流体流动过程中由挡板产生的气体回旋用计算流体力学（CFD）来进行分析。

2几何建模

在澳大利亚中央昆士兰大学的热力学实验室，为了检测静电除尘器内部的流动特性，Shah等人设计并搭建了一个等比例于工业用静电除尘器的实验室样机模型^[4,6]。此样机模型由长方体收集室和喇叭形的进出口组成。目前研究重点放在进一步提升静电除尘器内部的流动特性上，故在几何建模时将收集室简化为矩形通道，这也是因为烟气的分离和粉尘的收集也主要发生在矩形的通道内。用AutoCad 2014软件建模并导入Fluent中进行网格划分和重新定义。几何的形状和尺寸如图3所示。矩形的挡板条嵌在矩形通道的侧壁上，用ANSYS中的Fluent模块进行数值模拟和流体流动特性的仿真。

本文中提到的静电除尘器简化了收集室，6根矩形挡板条嵌在每侧的通道侧壁上，如图3a所示。挡板条和侧壁分别如图3b和图3c所示。通道的长宽高分别为：175.5cm，60cm和50cm。挡板条平行放置的间隔为20cm，每个挡板条的尺寸为：高50cm，宽5cm长2.5cm。

需要说明的是，挡板对流动影响的结果建立在对仿真结果定量分析的基础上。

3数值模拟方法与编程

前面提到，用Design Modeller生成的网格并导入到ANSYS 中将流体域离散化成为小的体网格或网格并设定合适的边界条件。流体运输的数值计算包含连续方程、动量方程和湍流模型方程。用计算流体力学软件Fluent来求解流动特性和流动方程。

连续方程：

（1）

动量方程：

（2）

方程中，p是静态压力，F_i 为自定义的源项，应力张量由下面的方程决定：

（3）

（4）

（5）

式中u，v，w是气体速度分量，单位m/s，和_t分别代表分子粘度和动力粘度，单位Pa.s；表示流体密度，单位Kg/m³；G_k表示由平均速度梯度产生的湍流能，G_B表示由浮力产生的湍流能；Y_M是在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动；C₁，C₂和C₃为经验常数；和分别为k-equation和ϵ-equation中的紊流普朗特数；S_k和S为自定义源项；C₁，C₂，C₃，，。^[8]

本文选取了可实现的k-湍流模型，它与其他k-模型有两方面的区别。首先，可实现k-ϵ模型涵盖了一种对紊动粘性系数新的提法；其次，在新的运输方程中，对于耗散率（湍流动能耗散率，m²/s³）可以从均方速度波动的运输方程中推导得出^[7]。可实现k-模型中的湍流能k（湍流能，m²/s³）和它的耗散率分别可以从运输方程（4）和方程（5）中解出。

网格划分和边界条件

为了研究流动特性，本文采用了简化的静电除尘器三维模型。用软件ANSYS15.0来建立计算流体域的模型，非结构化网格在调整和完善后最终生成结构化网格。生成的节点和网格数分别为1817424和1759268。空气为流体，默认为匀速，其余的边界条件设为：入口速度设为匀速7m/s，出口边界条件设为压力出口，通道壁面和挡板条的侧面和前面默认设为无滑移边界条件。

采用有限体积法求解离散化模型的偏微分方程，采用SIMPLE算法求解压力速度耦合，考虑精确性和稳定性的要求，采用二阶迎风算法，为了更好的仿真精度，在此认为湍流能k和湍流耗散率为二阶迎风格式。

图4 （a）结构化网格（3D）

说明，仿真结果需要在具备I5因特尔内核2.80GHz处理器和8G缓存的64位计算机上计算。

4结果与分析

仿真结果的速度分布和压力分布组图分别如下。通道的每个侧壁都以气流分布板的形式镶嵌有六个挡板条，仅分析挡板对斜气流的影响。

图5 （a）速度轮廓图（x=150，y=55，z=25）

图像表明，随着气体流动面积的减少，气体的流速在第一对挡板条之间的通道中心迅速增加。然而，在接近两块挡板条之间的通道侧壁时，气体流速逐渐下降。不规则的斜气流流型在入口处的前三个挡板条附近形成，然而这样的流型并不会持续到通道的出口处。烟气的倾斜流动会增加其在通道内的停留时间。以上图像表明，在接近后面挡板处气流的速度很小甚至为零。这就表明，更多的粉尘在通道出口处得到积累和收集。

图5 （b）速度矢量轮廓图

图5（b）和图5（c）是形成烟气的斜气流三维速度矢量图。如图所示，通道后面气流的流动由于受斜气流的影响小而逐渐趋近稳定。

图5 （c）速度与速度矢量轮廓图

图5 （d）静压轮廓图

图5 （e）x轴速度轮廓图

图5（d）表示通道内前两个挡板间产生的真空静压轮廓图，图5（e）表示通道X轴方向上的速度轮廓图。

图5 （f）入口速度分布图

图5 （g）出口速度分布图

图5（f）和图5（g）分别代表通道入口和出口速度分布图。从入口速度分布图中可以看出，入口速度分布均匀，而从出口速度分布图中可以看出，靠近通道侧壁处的速度接近为零。正是由于挡板对气流流动的影响，与入口速度相比，出口速度发生了明显的变化，导致了通道出口速度分布的变化，如图5（g）所示。距离通道侧壁一定距离显示的蓝色区域说明速度越小甚至为零的粉尘颗粒容易沉积在壁面上，同时也便于捕获和收集。

5结论和建议

根据本文CFD初步仿真的结果分析，得出如下结论：

（1）从对流型的定性分析中可知，通道内由于安装的挡板产生的斜气流与挡板间

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