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1、气流分布、电场风速、供电技术对小型工业电除尘器的影响Influence of gas distribution, field velocity and power supply technique for small scale indus-trial ESPs气流分布、电场风速、供电技术对小型工业电除尘器的影响Dominik STEINER 1,3, Wilhelm HFLINGER 2,4, Manfred LISBERGER 1,51. 澳大利亚Scheuch 股份有限公司2. 维也纳科技大学3. d.steinerscheuch.co4. wilhelm.hoeflingertuwie
2、n.ac.at5. 摘要：本文研究使用普通变压器或高频变压器时气流分布和电场风速对除尘器除尘效率的影响。本试验重点研究介于300 kW 到2 MW生物质燃烧发电厂的小型工业电除尘。通过在进口端选用不同开孔率的孔板组合的小型工业电除尘模型来研究当该除尘器选用不同气流分布系统和改变电场内部的气流速度时，两种不同形式的电源供电技术对除尘效率的影响。1引言在过去几年里，对于除尘器中气体流动状态研究已经做了大量的工作；参考文献1中对此有很好的概述. 新论文，包括关于CFD(计算流体动力学)模拟的论文，请参阅参考文献2.为了得到好的除尘效果，按照标准要求，如参考文献 3中lIGCI EP-7标准和参考文献
3、4中 VDI 3678标准，在除尘器极间的气流应可能的均匀分布。在一些应用中，不均匀的气流分布也获得了良好的收尘效果，那是因为粉尘浓度在电除尘器入口截面处并不均匀，请参阅参考文献5。总之,在烟气通过电除尘器的进口喇叭时，通过导流板、隔板或者孔板来进行分布。当使用孔板时，开孔率会影响气流分布特性。烟气流（一次气流）在电场内部还会受到被称为电风二次气流的影响。因此，在工业电除尘器内的实际气流流态是一次气流和二次气流的结合，它被称为电流体动力学（EHD）气流。二次气流取决于电流强度，而当使用不同的电源时电流强度会发生变化。对于较小的电除尘器，在电场的顶部和底部区域的旁路气流也是很重要的因素。总之,
4、要研究小型工业电除尘器年内部的气体流态，需要进行以下试验： l 更改一次气流速度 l 通过更改气流分布装置来改变一次气流的分布l 密封点除尘器的上下区域及其灰斗l 用不同供电电源给除尘器供电 2实验目的2.1 气流分布的影响当设计工业用的电除尘器时，如设计应用于发电厂或水泥行业的电除尘器时，计算流体力学（CFD）模拟如今已作为先进的工具用来优化电除尘器内和上游的气流分布。高精度的模拟整个的粉尘收集过程，包括一次气流和二次气流的模拟、在电场内粉尘迁移特性的模拟、粉尘在阳极板上的沉积以及二次扬尘现象的模拟，即使对于小型工业用电除尘器来讲，也是太复杂了。所以，本次研究只对电除尘器内部的一流气流用CF
5、D来进行模拟，除尘效率通过实验装置及测量值来确定。大部分以前的工作都是研究大型除尘器的气流分布对除尘效率的影响。而电除尘器顶部和阴极之间的顶部区域与阴极和阳极之间的的底部区域的影响未被单独考虑。小型电除尘器的气流分布对除尘效率的影响的一些研究结果已经在文献6中有介绍，但是顶部和底部区域的影响只停留在假设阶段。本文中也讨论了顶部和底部区域的影响，特别是针对较小的电除尘器的应用。2.2 供电的影响从之前的研究工作中可知（参阅参考文献 7 8），对相同的烟气条件和极配形式，使用高频（HF）电源代替普通整流变压器可得到较高的电压和电流。因此，当供电方式变化时，在除尘器内一次气流和二次气流比例也会改变。
6、2.3 研究目的l 现在此次研究的目的是研究以下因素带来的影响 l 不同开孔率（1 - 5）的孔板组合对一次风速分布的影响l 不同开孔率的孔板组合对除尘器除尘效率的影响l 一次风速的均值对除尘器除尘效率的影响l 顶部和底部区域对电除尘除尘效率的影响l 对上述参数的变化时采用不同供电技术对电除尘除尘效率的影响3实验装置在一个实验室建立一个小型工业除尘器模型，如图4-1所示。空气先通过风机，然后再通过加热系统给气体加热，再通过高速喷嘴，通过高速喷嘴把生物燃料灰注入气流中。然后气体进入接通开关电源（简称SMPS，即供电方式可为普通电源或高频电源）的除尘器。然后用一个高压转换开关在瞬间改变电除尘器供电
7、。除尘器的之后安装一个作为备用布袋除尘器，在后面收集残余在气流中的粉尘。在整个实验中，150 m/h的流通气体是由洁净空气代替，空气经过加热并从喷雾器中吸收水分来保持恒定的气体湿度。除烟气流量外，整个试验中其他过程参数均为常量，参看表4-1。不同电源的规格参看表4-2。两种电源均工作在自动模式；控制参数设置为火花率约4 次/分钟。图4-1 简单试验装置的主要构成图烟气温度100 4K水露点30 1K入口浓度600 mg/m 15%烟气量2.000, 4.000, 5.000, 6.700, 8.000 m/h 2%表4-1 实验过程参数50Hz 常规电源高频电源额定电流200 mA250 mA
8、额定电压额定50 kV，峰值70kV 120 kV开关频率50 Hz 20 kHz电压波动30% 3%表4-2 电源技术参数表取30MW机组电厂配套电除尘器收集的生物燃料灰作为试验粉尘。测得烟气粉尘粒径分布参见图4-2。图4-2 烟气粉尘粒径分布本实验所用电除尘器是标准的电除尘器，异极距为300毫米，这是典型的异极距，应用于生物燃料电厂1MW机组配套电除尘器。 在进口喇叭处串联布置两排分布板（分布板1和分布板2），用来均布进入除尘器电场的烟气。由于气流分布板对与分布板上游气流的影响较小，因而出口分布板将不做更换，请参阅参考文献9。在公式4-1中给出了所用孔板开孔率的计算方式。n .孔的数量 d
9、 .孔的直径 l .开孔板长度 b .开孔板宽度为了改变电除尘器内部的气流速度分布，在进口喇叭处使用了不同孔板的组合，但并未针对此次实验进行最优化设计。表4-3列出了组合形式。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 无 5 挡板47/0.52表 4-3 气流分布装置；孔径mm和开孔率在图4-3中，三维CFD剖视图标出了气流分布孔板位置，同时也标出了气流分布计算速度值的横截面的位置。图4-3 包含主要构件的简单测试装置为了测定顶部和底部区域对除尘效率的影响，如图4-4所示，用密封方式封堵了阳极板以
10、下区域（阳极封堵）和阴极上方及下方区域（阴极封堵）。因此，可以研究下列因素的的影响l 气体流动和在灰斗、灰斗阻流板和收尘区之间潜在的气流涡流l 在顶部和底部区域的气流（部分旁路气流）如图4-4所示。图4-4 除尘器固定装置及其底部、顶部封堵位置整体粉尘浓度用SICK FW100激光散射测量系统测定，它根据参考文献10第1部分VDI 2066，用重量分析测定值来校准。粒度分布和浓度的测量是用一个散射光悬喷雾分光仪Palas WELAS 2000来测定。所有浓度测量设在除尘器洁净气体侧;高电压过值被视为烟气浓度。用ANSYS Fluent 12.1软件（带有分布板多孔介质的k -模型）来进行CFD
11、模拟仿真，并用叶轮速度测量仪和可视的烟雾喇叭验证。 4结果和讨论4.1 一次气体速度分布本部分给出了对于孔板组合1-5的一次气流分布的结果。利用实验孔板组合是无法实现在静电场前沿形成完全一致的气流速度均布。在电场前沿的速度变化的三种主要倾向：1)平稳的中心/顶部分布几乎均匀气流速度且无高速峰值，主气流出现在静电场中心（2，3）；2)中央/顶部分布主气流在静电场中心且带有高速峰值（4，5）；3)平稳的底部分布几乎均匀的气流速度且无高速峰值，主气流在静电场底部（1）。据IGCI和VDI标准，气流速度分布应该是：IGCI EP - 7 ，参见参考文献3 85的速度值必须不大于均值的1.15倍和99的
12、速度必须不大于均值的1.40倍VDI 3678 ，参见参考文献4 75的速度必须不大于均值的1.15倍和相对标准偏差应不大于25评估速度的横截面，按IGCI标准，是设在在第一电场入口下游0.9米处，按照VDI 3678标准，要求设在在第一电场之前。由于试验除尘器整个电场长度约为2.5米，并且只有一个电场，如图4-3所示，评估速度的横截面设在电场入口处下游0.4米处。CFD模拟和相关标准的比较如图5-1所示。孔板组合1和2实现了最均匀的速度分布，然而没有速度分布模型能符合标准要求。对于组合3 - 5是一个相当差的速度分布组合。 图5-1 除尘器固定装置及有密封位置的顶部、底部区域4.2 孔板组合
13、对除尘效率的影响图5-2显示了，当改变孔板组合时，5种不同的气流速度分布，用普通电源和高频电源供电部分收尘效率均值。图5-2 孔板组合1 - 5，V = 1米/秒时的部分平均除尘效率5和3的除尘效率较高且比较接近，而1和4的除尘效率在最低;2效率处于中间。当用一次气流速度分布的标准偏差作为一个参数来评估电除尘器效率时，1和2本应有最好的电除尘器的性能，这些结果却并不相符。4.3 顶部和底部区域对除尘效率的影响图5-3显示了在无密封正常运行状态下、阳极板下部区域密封（CE密封）条件下及阴极上部和下部区域密封（DE密封）条件下的平均部分除尘效率。图5-3 正常操作下平均部分除尘效率，阴极和阳极密封
14、，孔板组合2，固定电压在灰斗、阻流板和收尘区之间的气流和潜在的涡流对除尘效率无多大影响，因为这两个效率曲线在同一范围内。然在顶部和底部区域却有明显的影响，如图所示5-3，即当封闭区域后除尘效率确实有增加。4.4一次气流速度对除尘效率的影响 图5-4为气体平均流速在0.3-1.2 m/s 之间时平均部分除尘效率。图5-4 0.3 1.2 m/s, 孔板组合2时，平均部分除尘效率对于粒径大于5m的粉尘，随着气流速度的增加，除尘效率略有下降。然而对于粒径较小的粉尘，尤其是在0.3 - 1微米范围内，随着电场风速的提高，除尘效率会急剧下降。图5-5给出了针对不同的气速下两种供电方式的平均除尘效率。图5
15、-5 1 - 5 和 0.3 1.2 m/s时，平均的整体除尘效率对于风速下降时，所有的孔板组合的整体除尘效率都可以在图5-5中找到。 再次表明1，2孔板组合有最低的除尘效率，然而对于其他组合，除尘效率很接近。4.5 不同供电技术对除尘效率的影响在图5-6中给出了两种不同的电源供电时，3种不同粒径在气流均速下的除尘效率。图5-6 常规电源和高频电源供电时，粒径为0.3，2和5微米的除尘效率，孔板组合2两种供电方式的除尘效率随着气体速度增加而下降。对高风速和微小粉尘，使用两种不同的电源技术除尘效率有较大差异。 结论对于较小的工业电除尘器，如那些与本次研究使用的相类似的除尘器，要达到某些标准所规定的气流均布，要付出相当大的努力才有可能。但，气流速度标准偏
