大型电除尘器气流分布数值模拟与工程应用

西安建筑科技大学基于CFD的660MW电除尘器气流分布数值研究与模型试验验证

关键词
电除尘器, 气流分布, CFD, 流量分配, 行业排放, 运维成本

在当前锅炉烟气治理和大气污染控制的严监管背景下，电除尘器（ESP）气流分布成为决定除尘器实际性能与达标排放能力的关键因素。针对大型锅炉烟气系统中由管道布局、进口扩散器与分配板引起的气流不均问题，西安建筑科技大学环境与市政工程学院的邓晓青、胡洪生、马广达、阎东杰开展了基于CFD的三维数值模拟与1:10模型试验研究，为电除尘器的设计优化提供了可量化的工程依据。

本研究采用Gambit建立包括锅炉再热器出口至电除尘器出口的三维几何模型，针对进口分配板复杂结构采用等效多孔板处理以保持计算精度与工程可解性。网格采用结构化与非结构化混合划分以适配设备内部复杂构件，边界条件以速度进口与压力出口为主，分配板、导流板及集尘极板等设为壁面边界，分布板采用多孔介质模型模拟压损。

流体求解采取稳态不可压缩假定并视为等温过程。考虑到电除尘器内流速通常处于湍流状态，数值模型采用双方程k-ε标准湍流模型并结合壁面函数处理近壁区，控制方程采用有限体积法离散，SIMPLE算法求解压力-速度耦合，求解对流项采用二阶迎风格式，提高数值稳健性与精度。

为评估气流均匀性，论文使用常见的相对均方根RMS指标σ衡量进口截面速度离散（式见原文），模拟结果显示入口首电场截面σ≈0.20，绝大多数点速率集中在1~1.5 m/s区间，99%的测试点速度小于平均速度的1.4倍，满足设计要求。数值模拟同时揭示了管道布置不对称导致两个室间分配不平衡的问题，并据此提出了具体的导流件布置方案。

基于模拟结果，研究提出在进管道内布置三片等距平行导板，以及在分流位置设置倾角为27°、长度150 mm的分流板可有效调节两侧流量，使两室间流量差控制在1%~1.86%范围内。为验证模拟可行性，研究进一步开展了1:10的模型试验，模型在进扩散器处布置若干垂直分布板及可调横向导 vane，通过QDF-2B热球风速计在进口截面480个点位测量，试验得到σ≈0.17，两室流量差约1.7%，与数值结果高度一致，证明CFD方法在电除尘器气流分布设计中具备可靠性与工程实用性。

结合行业应用，该方法对浆纸、钢铁、水泥与化工等高排放行业具有直接指导意义。通过优化气流分布与电场结构，可提高除尘效率、降低背压与能耗，并减少检修频次和运维成本，从而对达标排放、节能降耗与长期运行稳定性产生显著价值。此外，数值模拟还能在早期设计阶段避免多轮模型试验，缩短设计周期并节省成本。

面向未来，国内外装备与服务商（如艾尼科Enelco）在极板、极线与电场优化方面已积累成熟技术。结合CFD数值工具与现场工程经验，能够形成从设计、调试到运行维护的闭环优化能力。对于中国市场，推荐在新建或改造工程中将CFD数值模拟作为标准设计步骤之一，尤其是在大型燃煤锅炉与余热回收系统中优先考虑气流分配优化，以确保电除尘器长期稳定满足排放标准并实现最小能耗。

总之，本项研究表明：通过三维CFD模拟可以精确把握电除尘器内的流场规律和关键设计参数，指导导流板、分流器与分配板的工程布置；模拟结果与1:10模型试验一致，验证了数值方法的工程可靠性；结合行业应用与厂商技术积累，可为我国重点行业提供切实可行的电除尘器性能优化路径，助力排放达标与运行成本控制。

（作者与单位：邓晓青、胡洪生、马广达、阎东杰；西安建筑科技大学环境与市政工程学院）

参考文献
[1] 齐军连. 燃煤电厂电除尘器的主要问题与对策[J]. 热力发电, 2003,(11):13-17.
[2] 李在石. 电除尘器的选型与安装及运行管理[M]. 北京: 中国电力出版社, 2005.
[3] H.J. White. Industrial Electrostatic Precipitation[M]. Wang Chenghan (Trans.). Beijing: Metallurgical Industry Press, 1984.
[4] DL/T461-2004. 燃煤电厂静电除尘器运行与维护标准[S].
[5] DL/T514-2004. 静电除尘器技术规范[S].
[6] A.G. Hein. Electrostatic precipitation, dust movement and gas flow optimization[A]. 8th Int. Conf. on Electrostatic Precipitation[C]. Birmingham, USA, 2001.
[7] 邓晓青, 杨衡, 赵新日. 电除尘器倾向风分配的CFD方法研究[J]. 环境工程, 2005,(5):45-46.
[8] N.F. Nielsen, L. Lind. Numerical Modeling of gas distribution in electrostatic precipitators[A]. 8th Int. Conf. on Electrostatic Precipitation[C]. Birmingham, USA, 2001.
[9] 邓晓青, 袁胜利, 杨春芳. 电除尘器空气分配CFD方法初步研究[J]. 热力发电, 2005,(3):12-14.
[10] 陶文权. 数值传热学[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1999.
[11] 王福军. 计算流体力学分析—CFD软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.