014-氣流分布、電場風速、供電技術(shù)對小型工業(yè)電除塵器的影響.doc

氣流分布、電場風速、供電技術(shù)對小型工業(yè)電除塵器的影響Influence of gas distribution, field velocity and power supply technique for small scale indus-trial ESPs氣流分布、電場風速、供電技術(shù)對小型工業(yè)電除塵器的影響Dominik STEINER 1,3, Wilhelm HFLINGER 2,4, Manfred LISBERGER 1,51. 澳大利亞Scheuch 股份有限公司2. 維也納科技大學3. d.steinerscheuch.co4. wilhelm.hoeflingertuwien.ac.at5. 摘要：本文研究使用普通變壓器或高頻變壓器時氣流分布和電場風速對除塵器除塵效率的影響。本試驗重點研究介于300 kW 到2 MW生物質(zhì)燃燒發(fā)電廠的小型工業(yè)電除塵。通過在進口端選用不同開孔率的孔板組合的小型工業(yè)電除塵模型來研究當該除塵器選用不同氣流分布系統(tǒng)和改變電場內(nèi)部的氣流速度時，兩種不同形式的電源供電技術(shù)對除塵效率的影響。1引言在過去幾年里，對于除塵器中氣體流動狀態(tài)研究已經(jīng)做了大量的工作；參考文獻1中對此有很好的概述. 新論文，包括關(guān)于CFD(計算流體動力學)模擬的論文，請參閱參考文獻2.為了得到好的除塵效果，按照標準要求，如參考文獻 3中l(wèi)IGCI EP-7標準和參考文獻4中 VDI 3678標準，在除塵器極間的氣流應可能的均勻分布。在一些應用中，不均勻的氣流分布也獲得了良好的收塵效果，那是因為粉塵濃度在電除塵器入口截面處并不均勻，請參閱參考文獻5?？傊?在煙氣通過電除塵器的進口喇叭時，通過導流板、隔板或者孔板來進行分布。當使用孔板時，開孔率會影響氣流分布特性。煙氣流（一次氣流）在電場內(nèi)部還會受到被稱為電風二次氣流的影響。因此，在工業(yè)電除塵器內(nèi)的實際氣流流態(tài)是一次氣流和二次氣流的結(jié)合，它被稱為電流體動力學（EHD）氣流。二次氣流取決于電流強度，而當使用不同的電源時電流強度會發(fā)生變化。對于較小的電除塵器，在電場的頂部和底部區(qū)域的旁路氣流也是很重要的因素?？傊? 要研究小型工業(yè)電除塵器年內(nèi)部的氣體流態(tài)，需要進行以下試驗： l 更改一次氣流速度 l 通過更改氣流分布裝置來改變一次氣流的分布l 密封點除塵器的上下區(qū)域及其灰斗l 用不同供電電源給除塵器供電 2實驗目的2.1 氣流分布的影響當設(shè)計工業(yè)用的電除塵器時，如設(shè)計應用于發(fā)電廠或水泥行業(yè)的電除塵器時，計算流體力學（CFD）模擬如今已作為先進的工具用來優(yōu)化電除塵器內(nèi)和上游的氣流分布。高精度的模擬整個的粉塵收集過程，包括一次氣流和二次氣流的模擬、在電場內(nèi)粉塵遷移特性的模擬、粉塵在陽極板上的沉積以及二次揚塵現(xiàn)象的模擬，即使對于小型工業(yè)用電除塵器來講，也是太復雜了。所以，本次研究只對電除塵器內(nèi)部的一流氣流用CFD來進行模擬，除塵效率通過實驗裝置及測量值來確定。大部分以前的工作都是研究大型除塵器的氣流分布對除塵效率的影響。而電除塵器頂部和陰極之間的頂部區(qū)域與陰極和陽極之間的的底部區(qū)域的影響未被單獨考慮。小型電除塵器的氣流分布對除塵效率的影響的一些研究結(jié)果已經(jīng)在文獻6中有介紹，但是頂部和底部區(qū)域的影響只停留在假設(shè)階段。本文中也討論了頂部和底部區(qū)域的影響，特別是針對較小的電除塵器的應用。2.2 供電的影響從之前的研究工作中可知（參閱參考文獻 7 8），對相同的煙氣條件和極配形式，使用高頻（HF）電源代替普通整流變壓器可得到較高的電壓和電流。因此，當供電方式變化時，在除塵器內(nèi)一次氣流和二次氣流比例也會改變。2.3 研究目的l 現(xiàn)在此次研究的目的是研究以下因素帶來的影響 l 不同開孔率（1 - 5）的孔板組合對一次風速分布的影響l 不同開孔率的孔板組合對除塵器除塵效率的影響l 一次風速的均值對除塵器除塵效率的影響l 頂部和底部區(qū)域?qū)﹄姵龎m除塵效率的影響l 對上述參數(shù)的變化時采用不同供電技術(shù)對電除塵除塵效率的影響3實驗裝置在一個實驗室建立一個小型工業(yè)除塵器模型，如圖4-1所示?？諝庀韧ㄟ^風機，然后再通過加熱系統(tǒng)給氣體加熱，再通過高速噴嘴，通過高速噴嘴把生物燃料灰注入氣流中。然后氣體進入接通開關(guān)電源（簡稱SMPS，即供電方式可為普通電源或高頻電源）的除塵器。然后用一個高壓轉(zhuǎn)換開關(guān)在瞬間改變電除塵器供電。除塵器的之后安裝一個作為備用布袋除塵器，在后面收集殘余在氣流中的粉塵。在整個實驗中，150 m/h的流通氣體是由潔凈空氣代替，空氣經(jīng)過加熱并從噴霧器中吸收水分來保持恒定的氣體濕度。除煙氣流量外，整個試驗中其他過程參數(shù)均為常量，參看表4-1。不同電源的規(guī)格參看表4-2。兩種電源均工作在自動模式；控制參數(shù)設(shè)置為火花率約4 次/分鐘。圖4-1 簡單試驗裝置的主要構(gòu)成圖煙氣溫度100 4K水露點30 1K入口濃度600 mg/m 15%煙氣量2.000, 4.000, 5.000, 6.700, 8.000 m/h 2%表4-1 實驗過程參數(shù)50Hz 常規(guī)電源高頻電源額定電流200 mA250 mA額定電壓額定50 kV，峰值70kV 120 kV開關(guān)頻率50 Hz 20 kHz電壓波動30% 3%表4-2 電源技術(shù)參數(shù)表取30MW機組電廠配套電除塵器收集的生物燃料灰作為試驗粉塵。測得煙氣粉塵粒徑分布參見圖4-2。圖4-2 煙氣粉塵粒徑分布本實驗所用電除塵器是標準的電除塵器，異極距為300毫米，這是典型的異極距，應用于生物燃料電廠1MW機組配套電除塵器。 在進口喇叭處串聯(lián)布置兩排分布板（分布板1和分布板2），用來均布進入除塵器電場的煙氣。由于氣流分布板對與分布板上游氣流的影響較小，因而出口分布板將不做更換，請參閱參考文獻9。在公式4-1中給出了所用孔板開孔率的計算方式。n .孔的數(shù)量 d .孔的直徑 l .開孔板長度 b .開孔板寬度為了改變電除塵器內(nèi)部的氣流速度分布，在進口喇叭處使用了不同孔板的組合，但并未針對此次實驗進行最優(yōu)化設(shè)計。表4-3列出了組合形式。分布板 1分布板 2 1 36/0.4 36/0.3 2 41/0.5 41/0.44 3 41/0.5 47/0.52 4 41/0.5 無 5 擋板47/0.52表 4-3 氣流分布裝置；孔徑mm和開孔率在圖4-3中，三維CFD剖視圖標出了氣流分布孔板位置，同時也標出了氣流分布計算速度值的橫截面的位置。圖4-3 包含主要構(gòu)件的簡單測試裝置為了測定頂部和底部區(qū)域?qū)Τ龎m效率的影響，如圖4-4所示，用密封方式封堵了陽極板以下區(qū)域（陽極封堵）和陰極上方及下方區(qū)域（陰極封堵）。因此，可以研究下列因素的的影響l 氣體流動和在灰斗、灰斗阻流板和收塵區(qū)之間潛在的氣流渦流l 在頂部和底部區(qū)域的氣流（部分旁路氣流）如圖4-4所示。圖4-4 除塵器固定裝置及其底部、頂部封堵位置整體粉塵濃度用SICK FW100激光散射測量系統(tǒng)測定，它根據(jù)參考文獻10第1部分VDI 2066，用重量分析測定值來校準。粒度分布和濃度的測量是用一個散射光懸噴霧分光儀Palas WELAS 2000來測定。所有濃度測量設(shè)在除塵器潔凈氣體側(cè);高電壓過值被視為煙氣濃度。用ANSYS Fluent 12.1軟件（帶有分布板多孔介質(zhì)的k -模型）來進行CFD模擬仿真，并用葉輪速度測量儀和可視的煙霧喇叭驗證。 4結(jié)果和討論4.1 一次氣體速度分布本部分給出了對于孔板組合1-5的一次氣流分布的結(jié)果。利用實驗孔板組合是無法實現(xiàn)在靜電場前沿形成完全一致的氣流速度均布。在電場前沿的速度變化的三種主要傾向：1)平穩(wěn)的中心/頂部分布幾乎均勻氣流速度且無高速峰值，主氣流出現(xiàn)在靜電場中心（2，3）；2)中央/頂部分布主氣流在靜電場中心且?guī)в懈咚俜逯担?，5）；3)平穩(wěn)的底部分布幾乎均勻的氣流速度且無高速峰值，主氣流在靜電場底部（1）。據(jù)IGCI和VDI標準，氣流速度分布應該是：IGCI EP - 7 ，參見參考文獻3 85的速度值必須不大于均值的1.15倍和99的速度必須不大于均值的1.40倍VDI 3678 ，參見參考文獻4 75的速度必須不大于均值的1.15倍和相對標準偏差應不大于25評估速度的橫截面，按IGCI標準，是設(shè)在在第一電場入口下游0.9米處，按照VDI 3678標準，要求設(shè)在在第一電場之前。由于試驗除塵器整個電場長度約為2.5米，并且只有一個電場，如圖4-3所示，評估速度的橫截面設(shè)在電場入口處下游0.4米處。CFD模擬和相關(guān)標準的比較如圖5-1所示?？装褰M合1和2實現(xiàn)了最均勻的速度分布，然而沒有速度分布模型能符合標準要求。對于組合3 - 5是一個相當差的速度分布組合。 圖5-1 除塵器固定裝置及有密封位置的頂部、底部區(qū)域4.2 孔板組合對除塵效率的影響圖5-2顯示了，當改變孔板組合時，5種不同的氣流速度分布，用普通電源和高頻電源供電部分收塵效率均值。圖5-2 孔板組合1 - 5，V = 1米/秒時的部分平均除塵效率5和3的除塵效率較高且比較接近，而1和4的除塵效率在最低;2效率處于中間。當用一次氣流速度分布的標準偏差作為一個參數(shù)來評估電除塵器效率時，1和2本應有最好的電除塵器的性能，這些結(jié)果卻并不相符。4.3 頂部和底部區(qū)域?qū)Τ龎m效率的影響圖5-3顯示了在無密封正常運行狀態(tài)下、陽極板下部區(qū)域密封（CE密封）條件下及陰極上部和下部區(qū)域密封（DE密封）條件下的平均部分除塵效率。圖5-3 正常操作下平均部分除塵效率，陰極和陽極密封，孔板組合2，固定電壓在灰斗、阻流板和收塵區(qū)之間的氣流和潛在的渦流對除塵效率無多大影響，因為這兩個效率曲線在同一范圍內(nèi)。然在頂部和底部區(qū)域卻有明顯的影響，如圖所示5-3，即當封閉區(qū)域后除塵效率確實有增加。4.4一次氣流速度對除塵效率的影響 圖5-4為氣體平均流速在0.3-1.2 m/s 之間時平均部分除塵效率。圖5-4 0.3 1.2 m/s, 孔板組合2時，平均部分除塵效率對于粒徑大于5m的粉塵，隨著氣流速度的增加，除塵效率略有下降。然而對于粒徑較小的粉塵，尤其是在0.3 - 1微米范圍內(nèi)，隨著電場風速的提高，除塵效率會急劇下降。圖5-5給出了針對不同的氣速下兩種供電方式的平均除塵效率。圖5-5 1 - 5 和 0.3 1.2 m/s時，平均的整體除塵效率對于風速下降時，所有的孔板組合的整體除塵效率都可以在圖5-5中找到。 再次表明1，2孔板組合有最低的除塵效率，然而對于其他組合，除塵效率很接近。4.5 不同供電技術(shù)對除塵效率的影響在圖5-6中給出了兩種不同的電源供電時，3種不同粒徑在氣流均速下的除塵效率。圖5-6 常規(guī)電源和高頻電源供電時，粒徑為0.3，2和5微米的除塵效率，孔板組合2兩種供電方式的除塵效率隨著氣體速度增加而下降。對高風速和微小粉塵，使用兩種不同的電源技術(shù)除塵效率有較大差異。 結(jié)論對于較小的工業(yè)電除塵器，如那些與本次研究使用的相類似的除塵器，要達到某些標準所規(guī)定的氣流均布，要付出相當大的努力才有可能。但，氣流速度標準偏差電除塵器性能之間的線性關(guān)系并沒有找到。從部分或整體除塵效率測量值來看，最重要的是擁有廣布的中心氣流及較低的速度峰值。在放電電極的上面和下面部分的氣流旁路對電除塵器效率有很大的影響。頂部和底部區(qū)域的重要性會隨著電場高度的減少而增加，如圖6-1所