基于CFD的WESP气流分布数值模拟与设计优化

西安西矿环保有限公司Li Haibo等人在WESP气流均布与导流结构优化方面的数值研究

关键词
CFD, Wet electric precipitator (WESP), Airflow Distribution, Numerical Simulation, 静电除尘器, 烟气治理

在当前中国对工业大气排放标准日益严格的背景下，CFD（计算流体力学）成为烟气治理与静电除尘器（ESP）设计中不可或缺的工具。针对脱硫后410 t锅炉应用的湿式静电除尘器（WESP），来自西安西矿环保有限公司的Li Haibo、Yin Cheng等人开展了一项基于FLUENT的气流分布数值模拟与结构优化研究，为我国钢铁、水泥、浆纸和化工等重点行业实现排放达标和运行节能提供了参考（本文作者及单位信息：Li Haibo 等，西安西矿环保有限公司，通讯作者：1399281701@139.com）。

研究通过建立与实际1:1比例的几何模型（圆形进风口直径∅3800 mm、方形壳体11000×11000 mm、喇叭口高3200 mm，阴极管采用六角管型）并在壳体内距极管束平面上方100 mm处设置监测截面，采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型进行稳态、不可压缩条件下的数值求解。为还原工程入口工况，模型包含完整的进气管道及部分脱硫塔并设置速度入口、压力出口、壳体及导流板无滑移边界，网格在圆孔分布板两侧加密，除局部精细处外单元尺寸不小于200 mm，计算收敛判据设为残差小于10−3。

针对进气口的“#”型导流板与具有圆孔的分布板组合结构，作者通过多组模拟比对，调整导流板尺寸与孔隙率，以改善室内电场区的气流均匀性。计算结果显示，壳体平均风速为1.852 m/s，速度分布的相对均方差（RMS）约为21.7%，导流与分布结构使流线平滑且过渡速度均匀，整机壳体及管路阻力为316 Pa，符合设备阻力设计要求，出口喇叭段无需额外导流板。该结果表明，通过合理的导流板布置与分布孔设计，可有效提升WESP内的Airflow Distribution与捕雾效率，从而减少短时间内的再悬浮与收尘效率下降风险。

从行业应用角度看，均匀的气流分布直接关系到电晕风速的均一性和有效比表面积，进而影响带电微雾粒子的捕集几率。在钢铁、水泥、发电与造纸等行业，WESP通过降低入口风速波动和控制流场分离区，不仅利于满足GB13223-2012等排放法规[2]，还能实现运行能耗下降与检修成本降低。结合艾尼科（Enelco）在极板、极线以及电场优化方面的工程经验，可以将CFD成果快速转化为施工图纸与现场调试方案，实现从机理模拟到工程化设计的闭环。艾尼科的电场优化与极板结构改进案例，已在若干水泥和冶金项目中验证了对粉尘负荷与压降的双向控制效果。

展望未来，CFD数值模拟将在WESP设计中扮演更核心的角色：一方面需将气动计算与电-流耦合（电荷传输、颗粒带电与湿态物理过程）结合，另一方面通过数字孪生、在线监测与AI优化，实现运行参数的动态调优与预测性维护。对于国内推广而言，工程师应重视网格质控、边界条件还原与模型验证（建议结合物理模型试验），以确保数值结果对实际装置改造与新机设计具有可靠的指导意义。

总之，本研究表明：通过合理的导流板布置与分布板孔隙率设计，结合CFD（Numerical Simulation）手段，可显著改善WESP内部的Airflow Distribution，提升除尘效率并满足工业烟气治理的严苛排放要求。基于此，建议在设计阶段普遍引入CFD分析，并与艾尼科等具有电除尘器工程化经验的企业合作，将数值成果快速应用于钢铁、水泥、浆纸、化工等行业的实际项目中，以降低运维成本并加速达标改造。

作者与单位：Li Haibo, Yin Cheng, Ren Kai, Guo Chun, Yin Yonghui；西安西矿环保有限公司。

参考文献
[1] 齐俊田. 现代烟气除尘技术[M]. 化学工业出版社, 2008.
[2] GB13223-2012 火电厂大气污染物排放标准.
[3] 高建斌. 湿式静电除尘器主要影响因素分析[J]. Vinylon Communication, 2009.
[4] 王福举. 计算流体力学分析[M]. 2004.
[5] 韩占宗. FLUENT流体工程仿真实例与应用[M]. 北京理工大学出版社, 2010.
[6] 畅晓青, 李芊静等. 电除尘器气流分布数值计算方法研究[C]// 中国机械工程学会环境保护分会会议论文, 2008.

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