電除塵器中離子風(fēng)對(duì)除塵效果的影響

胡建華，潘洋洋

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電除塵器中離子風(fēng)對(duì)除塵效果的影響

胡建華，潘洋洋

（海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033）

研究電除塵器中離子風(fēng)對(duì)除塵過程的影響。分析電除塵器中離子風(fēng)對(duì)除塵效果的影響，建立完整的顆粒荷電模型，在Fluent軟件平臺(tái)上進(jìn)行計(jì)算。離子風(fēng)在電極線附近呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，正對(duì)電極線位置的離子風(fēng)速度最大，在遠(yuǎn)離電極線的方向上逐漸變小，越靠近電極線，速度下降的梯度越大，對(duì)流場(chǎng)有擾動(dòng)作用，隨流速增加，離子風(fēng)效應(yīng)被逐漸削弱。當(dāng)主流速小于等于0.5 m/s時(shí)，離子風(fēng)體現(xiàn)為增大驅(qū)進(jìn)速度，顆粒更快到達(dá)極板，有利于改善除塵效率。電極線的偏置可以提高除塵效率，當(dāng)電極線置于電場(chǎng)寬度方向1/4處時(shí)，可以獲得最佳除塵效果。

離子風(fēng)；電除塵器；電極線偏置；Fluent

靜電除塵是一種高效的顆粒捕集技術(shù)，也是大氣污染控制的主要手段[1]。隨著國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)電除塵的研究也越來越受到關(guān)注。文中應(yīng)用數(shù)值分析來研究離子風(fēng)對(duì)除塵過程的影響。

離子風(fēng)的本質(zhì)是帶電粒子在電場(chǎng)力作用下對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)。現(xiàn)有研究文獻(xiàn)表明，離子風(fēng)既利于提高驅(qū)進(jìn)速度，也增加了氣流不均勻性，易于引起二次揚(yáng)塵，形態(tài)方面，在電極線周圍呈雙螺旋結(jié)構(gòu)。李慶[2]等人通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到了運(yùn)行電壓與電暈電流、電暈風(fēng)風(fēng)速之間的關(guān)系，分析了場(chǎng)強(qiáng)分布與離子風(fēng)風(fēng)速變化的聯(lián)系，即在由放電極向收塵極的小范圍內(nèi)，風(fēng)速衰減梯度很大，隨后近似于線性減小。沈欣軍[3]等人采用PIV技術(shù)分別比較了正負(fù)電暈放電下的流場(chǎng)變化，發(fā)現(xiàn)示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)明顯受到離子風(fēng)的影響，對(duì)層流有增速作用。隨著電壓的增加，原來的層流變?yōu)榱送牧?，最后出現(xiàn)了對(duì)稱的旋渦，正負(fù)壓下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差異不大，線電極間距增大后，由于干擾變小，旋渦更均勻。Longnan Li[4]等人建立針—管式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停疾炝诉\(yùn)行電壓、極間距、管直徑與離子風(fēng)風(fēng)速的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)電壓越高，風(fēng)速越大；放電尖端到圓管端面存在最佳距離使得離子風(fēng)速最大；管徑越大，風(fēng)速越小。由此，可以考慮優(yōu)化除塵器中電極的布置來抑制離子風(fēng)造成的二次揚(yáng)塵。

目前學(xué)者對(duì)電除塵器流場(chǎng)優(yōu)化研究得比較多[5]，離子風(fēng)也僅局限于本體的研究[6]，顆粒荷電往往采用簡(jiǎn)化模型。因此，文中完全考慮顆粒的電場(chǎng)荷電與擴(kuò)散荷電，建立隨時(shí)間變化的荷電模型，結(jié)合收塵效率來研究離子風(fēng)對(duì)流場(chǎng)、對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。

1 模型描述與數(shù)值分析方法

1.1 模型描述

構(gòu)建線板式單通道幾何模型，基本參數(shù)：收塵極板長(zhǎng)度為600 mm、極板間距為200 mm，電暈極直徑為5 mm。電極線之間相距125 mm，最左側(cè)Inlet為煙塵進(jìn)口，最右側(cè)Outlet為出口，中間兩根電極線通直流高壓，與電極線相對(duì)的是收塵極板，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 幾何模型

1.2 氣相控制方程

實(shí)際的電除塵器內(nèi)部煙塵流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，其主流控制方程如下。

質(zhì)量守恒方程為：

動(dòng)量守恒方程為：

1.3 固相控制方程

在除塵通道中，顆粒的受力情況復(fù)雜，包括電場(chǎng)力、曳力、重力、熱泳力等，文中只考慮最主要的電場(chǎng)力和曳力。顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為：

顆粒的荷電分為電場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電，文中將兩者完全考慮來實(shí)現(xiàn)顆粒的荷電。

1.3.1 電場(chǎng)荷電

顆粒進(jìn)入電場(chǎng)，離子就會(huì)在電場(chǎng)力作用下與顆粒發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)荷電，一定條件下的飽和電量為：

荷電量隨時(shí)間的變化為：

1.3.2 擴(kuò)散荷電

擴(kuò)散荷電源于無序的熱運(yùn)動(dòng)，因?yàn)殡x子熱能在不斷積累，所以擴(kuò)散荷電可以一直進(jìn)行。荷電量隨時(shí)間的變化為：

1.3.3 總荷電量

對(duì)于顆粒的荷電理論，在研究的過程中，很多學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。大顆粒時(shí)考慮電場(chǎng)荷電，忽略擴(kuò)散荷電；細(xì)微顆粒時(shí)考慮擴(kuò)散荷電，忽略電場(chǎng)荷電。M.Robinson提出顆粒一進(jìn)入電場(chǎng)，電場(chǎng)荷電就達(dá)到飽和，再考慮顆粒的擴(kuò)散荷電，建立了綜合荷電模型。文中的研究將顆粒的荷電過程概括為與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)：

1.4 電場(chǎng)控制方程

電場(chǎng)由泊松方程和電流連續(xù)性方程表達(dá)。

1）泊松方程：

如果忽略空間電荷對(duì)電勢(shì)分布的影響，則可以去掉源項(xiàng)，得到：

對(duì)電勢(shì)求梯度得到場(chǎng)強(qiáng)分布：

2）電流連續(xù)性方程：

2 結(jié)果與討論

由半經(jīng)驗(yàn)公式[8]得到電極線表面的離子電荷密度：

在基本工況下，運(yùn)行電壓為60 000 V，入口流速為0時(shí)，考察離子在電場(chǎng)力作用下對(duì)流場(chǎng)的影響。由圖2可知，高電勢(shì)范圍僅分布在電極線附近，電勢(shì)變化的梯度沿徑向越來越小，即空氣電離集中發(fā)生在電極線表面的電暈區(qū)。由圖3可知，因?yàn)殡姌O線左右的場(chǎng)強(qiáng)方向不同，所以分布著的是兩對(duì)反向的旋渦結(jié)構(gòu)，與Leonard[11-12]得到的結(jié)論相同。離子的運(yùn)動(dòng)顯著地改變了原來流線的狀態(tài)，說明離子風(fēng)效應(yīng)的存在增強(qiáng)了流場(chǎng)的湍流效應(yīng)。

圖2 電勢(shì)分布

圖3 離子風(fēng)效應(yīng)

2.1 離子風(fēng)對(duì)流場(chǎng)的影響

流場(chǎng)的分布直接影響除塵效率，不穩(wěn)定的流動(dòng)一般存在高速區(qū)和低速區(qū)。在低速區(qū)里，顆粒的沉積量過大，高速區(qū)則會(huì)將已沉降顆粒重新帶回到電場(chǎng)中，降低除塵效率。不同流速下，離子風(fēng)效應(yīng)的氣流分布情況如圖4所示。針對(duì)湍流擴(kuò)散，參考Gosman等[13]人給出的Random Walk Model；針對(duì)離子風(fēng)，則引用Robinson提出的離子電荷密度與場(chǎng)強(qiáng)之積加載到連續(xù)相的源項(xiàng)。

圖4 氣流分布情況

2.2 離子風(fēng)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

顆粒的運(yùn)動(dòng)主要取決于電場(chǎng)力和曳力的作用，受到離子風(fēng)效應(yīng)的影響。在基本工況下，結(jié)合除塵效率，考察離子風(fēng)效應(yīng)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的干擾情況。不考慮離子風(fēng)作用時(shí)，主流速度為0.2，0.5，0.8 m/s，對(duì)應(yīng)的除塵效率為：100%，30.03%，17.06%；引入離子風(fēng)作用時(shí)，各流速對(duì)應(yīng)的除塵效率為：100%，32.23%，15.00%?？梢园l(fā)現(xiàn)，流速越大，除塵效率越低。流速為0.5 m/s時(shí)，離子風(fēng)效應(yīng)使得除塵效率提高，該流速下的顆粒軌跡如圖5所示?？梢钥闯?，離子風(fēng)促進(jìn)了顆粒向極板靠近，表現(xiàn)為增大了驅(qū)進(jìn)速度。流速為0.8 m/s時(shí)，離子風(fēng)的加入使得除塵效率下降，表現(xiàn)為離子風(fēng)對(duì)顆粒的擾動(dòng)，讓主流帶走更多顆粒。

2.3 電極線偏置對(duì)離子風(fēng)的影響

對(duì)于結(jié)構(gòu)的研究，常見于極間距、電極形狀[14]和氣流均布[15]裝置。在本節(jié)提出電極線偏置的研究點(diǎn)，考察該結(jié)構(gòu)對(duì)離子風(fēng)的影響。在圖3工況的基礎(chǔ)上偏置電極線，分別從中心向下偏離25，50，75 mm，得到在基本工況下，流速為0、無顆粒釋放時(shí)的流線如圖6所示。結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著放電極偏離中心越來越遠(yuǎn)，上半部分的旋渦結(jié)構(gòu)逐漸消失；當(dāng)流速為0.2 m/s，從入口釋放顆粒時(shí)，計(jì)算得到電極線偏置0，25，50，75 mm的除塵效率為：14.09%，15.86%，22.62%，14.59%。電極線偏置50 mm，即位于電場(chǎng)寬度方向1/4處獲得最好的除塵效果。由2.2節(jié)的分析可知，當(dāng)流速小于0.5 m/s時(shí)，離子風(fēng)效應(yīng)有利于促進(jìn)顆粒沉降。當(dāng)電極線過于靠近下極板時(shí)，沿電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)的空氣分子會(huì)帶走極板附近的顆粒，使得顆粒隨主流逃離除塵通道，降低了除塵效率。另一方面，在圖6b的工況下，以點(diǎn)（0，1），（600，1）建立沿底板的直線，提取該直線上的速度分布，如7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，正對(duì)電極線位置的速度最大，在遠(yuǎn)離電極線的方向上逐漸變小，越靠近電極線，速度下降的梯度越大，與李慶[16]等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖5 顆粒軌跡

圖7 壁面速度

3 結(jié)論

1）離子風(fēng)的形態(tài)呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，依附在電極線四周，電壓提高，強(qiáng)化離子風(fēng)效應(yīng)。主流速度對(duì)離子風(fēng)有抑制作用，隨流速增加，旋渦結(jié)構(gòu)慢慢消失。

2）離子風(fēng)的速度分布與李慶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，正對(duì)電極線位置的速度最大，在遠(yuǎn)離電極線的方向上逐漸變小。

3）離子風(fēng)對(duì)顆粒的捕集存在雙面性作用。在該模型中，當(dāng)流速為0.5 m/s時(shí)，表現(xiàn)為提高驅(qū)進(jìn)速度，促進(jìn)顆粒收集；當(dāng)流速為0.8 m/s時(shí)，旋渦擾動(dòng)使更多顆粒被主流帶走。

4）電極線偏置使得幾何上半部分的旋渦消失，流速為0.2 m/s，離子風(fēng)表現(xiàn)為有利于提高除塵效率。當(dāng)電極線偏置到電場(chǎng)寬度方向1/4處時(shí)，效果最好，除塵效率最高。

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Influences of Ion Wind in Electrostatic Precipitator on Dust Removal Effect

HU Jian-huaPAN Yang-yang

(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To study the effect of ionic wind on dust removal process in electrostatic precipitators.Effects of ion wind in the electrostatic precipitator on the dust removal effect were analyzed. A complete particle charge model was established and calculated on the Fluent software platform.The ion wind had a double helix structure near the electrode line. The ion wind velocity at the opposite position of the electrode line was the largest. And it gradually decreased in the direction away from the electrode line. The closer to the electrode line, the greater the gradient of the velocity drop is. The ion wind effect was gradually weakened. When the main velocity was less than or equal to 0.5 m/s, the ion wind body was to increase the drive speed, the particles reached the plate faster. It was conducive to improving the efficiency of dust.Electrode line of the bias can improve the efficiency of dust removal. When the electrode line is in the direction of the electric field width of a quarter, the best dust removal effect could be achieved.

ionic wind; electrostatic precipitator; bias of electrode line; Fluent

X702.1

A

1672-9242(2018)03-0076-05

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.016

2017-10-28；

2017-11-30

胡建華（1990—），男，碩士，主要研究方向?yàn)殪o電除塵技術(shù)。