板型對電除塵器內(nèi)部流場和除塵效率的影響

王佳豪，黃 超，楊振民，耿婉婷，王美艷

(河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401)

0 引言

根據(jù)世界能源統(tǒng)計年鑒，在2019年我國一次能源的消耗量達(dá)到了141.7 EJ，可以占到全球總消耗量的24.3%，是世界第一。而煤炭是我國的第一大能源，2019年我國對于煤炭的消耗在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中可以占到57.7%。而火力發(fā)電是我國主要的發(fā)電方式，據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2019年我國的總發(fā)電量為75 034.28億千瓦時，火力發(fā)電量達(dá)到52 201.48億千瓦時，而火力發(fā)電量占我國總發(fā)電量的比例為69.6%。靜電除塵器是我國燃煤電廠廣泛使用的燃煤煙氣處理設(shè)施，占比能夠達(dá)到90%～95%，它具有能耗低、煙氣處理量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

在近年來人們對于靜電除塵器的流場和提高除塵效率的因素進(jìn)行了研究，而在靜電除塵器中會產(chǎn)生離子風(fēng)，它會對電除塵器中流場和顆粒物運(yùn)動規(guī)律產(chǎn)生一定的影響。離子風(fēng)(Ionic wind)也稱為電風(fēng)或電暈風(fēng)(Corona wind)，它是指在電暈放電的過程中由電暈放電產(chǎn)生的離子推動離子周圍的氣流而產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。對于離子風(fēng)的研究最早可以追溯到十八世紀(jì)，1709年，Hauksbee發(fā)現(xiàn)把帶電的圓管靠近臉就會感受到輕微的風(fēng)[2-4]；1922 年，Deutsch[5]在不考慮離子風(fēng)引起粒子驅(qū)進(jìn)速度變化的情況下，提出了著名的多依奇公式，這個公式表明：電除塵效率與粒子驅(qū)進(jìn)速度和收塵極板的面積成正比，與氣流量成反比。而在近年來國內(nèi)外在離子風(fēng)方面取得了很多成果，Shimamoto[6]在2004年發(fā)現(xiàn)電除塵器中離子風(fēng)增強(qiáng)了湍流強(qiáng)度，而且離子風(fēng)在氣流速度低的時候作用明顯；Chun 等人[7]使用 SIMPLEST 算法研究了線板 ESP 中 k-?湍流模型的二維電流體動力學(xué)流動(EHD)模式；Feng 等[8]采用有限元與有限體積混合方法(FEM-FVM)分析了電除塵器中渦流對EHD流的影響，并且驗證了幾種經(jīng)典的EHD模型。近年來國內(nèi)外很多學(xué)者利用數(shù)值模擬軟件對電除塵器進(jìn)行了數(shù)值模擬，王曉華[9]對不同直徑的電暈線進(jìn)行了數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隨著電暈線直徑的減小收塵板處的電荷密度和電場強(qiáng)度增大，電暈線處的空間電荷密度增大；沈恒[10]對星形線進(jìn)行了數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)星形線電除塵通道內(nèi)二次流動對流動形態(tài)和粒子濃度分布存在顯著作用；裴藝凱[11]利用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)主流速度的增大減弱了EHD流對電除塵器內(nèi)流場的干擾；張哲[12]當(dāng)電場斷面風(fēng)速越小、粒徑越大、施加電壓越大時,除塵效率越高,對粒徑為6.9 μm的粉塵最大捕集效率可以達(dá)到99.4%；高韜深[13]對濕式電除塵器進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)與干式狀態(tài)相對比,得出以下結(jié)論:濕式工作狀態(tài)下粒子的分段濃度減少率、沿程沉積效率、除塵總效率的變化趨勢與干式時相同,但數(shù)值上更大,除塵效果更好；劉凱[14]對濕式電除塵器進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)添加氣流均布板有利于電除塵器內(nèi)部流場分布的優(yōu)化。但是國內(nèi)外學(xué)者們對收塵極板的研究很少。

本文利用COMSOL Multiphysics數(shù)值軟件模擬了不同板型電除塵器模型在不同風(fēng)速、不同電壓、不同粒徑和不同溫度下的電勢分布、流場分布和除塵效率，旨在探究板型對離子風(fēng)和電除塵器性能的影響因素，優(yōu)化電除塵器的配置。

1 數(shù)值模型

高壓靜電除塵過程是電場、流場、顆粒荷電及運(yùn)動場的多物理耦合過程。

1.1 靜電場模型

電場模型所涉及到的參數(shù)主要包括電勢與空間電荷密度等。其中電場分布由泊松方程和電流連續(xù)方程共同控制，已在文獻(xiàn)[15]有了充分介紹。

1.2 氣流流動模型

本文用k-ε模型來描述湍流場，在有限元分析軟件COMSOL Mulitiphysics中進(jìn)行求解。其中Navier-Stokes方程[15]中的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程求解流速u和壓力p，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[15]求解湍動能和耗散率。

1.3 粒子荷電模型

粒子的荷電方式有兩種分為電場荷電和擴(kuò)散荷電對于直徑大于1 μm的顆粒，電場荷電通常大于擴(kuò)散荷電。粒子荷電量與粒子直徑、電場強(qiáng)度等因素有關(guān)，粒子荷電方程由文獻(xiàn)[15]給出。

1.4 幾何模型

本文建立了四種收塵極板板型的除塵器并對其進(jìn)行了二維數(shù)值計算，其幾何尺寸如圖1 所示。圖 1(a)、(b)、(c)、(d)分別為平行板收塵極板(后續(xù)簡稱 P 型板)、BE型板、M型板、CW型板幾種電除塵器幾何模型。三種模型尺寸均為500 mm×100 mm，電極線采用半徑2 mm的圓柱形電極，均為三線式布置。三根電極線在圖中坐標(biāo)(X，Y)分別為：(83.3 mm，0)、(250 mm，0)、(416.6 mm，0)。相較于平行板，其它類型的極板的板面場強(qiáng)分布和板面電流分布比較均勻，能夠在流場內(nèi)使氣流緊縮和氣流擴(kuò)大，進(jìn)而影響離子風(fēng)渦旋對流場擾動的強(qiáng)弱，同時其它極板內(nèi)的凹槽較P型板更容易捕集一些沿氣流方向運(yùn)動的粉塵，從而提高電除塵器的除塵效率。本文數(shù)值計算選取的的參數(shù)值為：空氣粘度μ=1.789×10-5kg/(m·s)；空氣中離子遷移率K=2.2×10-4m2/(v·s)；離子擴(kuò)散系數(shù)D=5.3×10-5m2/s。

2 模擬結(jié)果

不同收塵極板與電極線構(gòu)成了多種形式極配，收塵極板形狀對離子風(fēng)渦旋和除塵器內(nèi)流場具有不同的作用，進(jìn)而對顆粒物的捕獲有著不同的影響。本章建立了二維線板電除塵器的數(shù)值模型，引入BE型板、CW型板和M型板與P型板對比，詳細(xì)研究了在三種板型下除塵器內(nèi)部的靜電場分布和離子風(fēng)湍流場及顆粒物荷電的規(guī)律，進(jìn)一步探尋在電流體動力作用下顆粒運(yùn)動及捕獲過程。

2.1 電勢分布

圖2電壓50 kV時，三種板型電除塵器內(nèi)的電勢分布，通過在從電極線位置開始Y方向Y=0、10、20、30、40 mm提取數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制分布圖。在圖2中可以看出，除塵器內(nèi)部電勢分布不均勻，但三種板型下的等勢線均以電極線為中心呈橢圓狀向外擴(kuò)散，電勢向收塵極板方向變化速度更大。在入口到出口過程中電勢分布在電極線處達(dá)到峰值，電極線與電極線之間有一低谷。由于收塵極板形狀不同，內(nèi)部電勢分布略有差異；由圖2可以看出電勢波動變化最為明顯的是BE型板，然后是CW型板、M型板和P型板。因為不均勻的電場分布更有利于除塵效率的提高，而由圖4可以對不同極板不均勻程度作比較，可以看出BE板>CW型板>M型板>P型板。電勢分布有差異說明了收塵極板形狀對電勢分布有影響，但隨著趨近電極線，不同收塵極板板型對電勢分布的影響減弱。

2.2 湍流場分布

靜電除塵器的離子風(fēng)作用于流場產(chǎn)生更復(fù)雜的湍流，會影響到荷電顆粒的捕集，離子風(fēng)對提高顆粒收集效率方面起著重要的作用。

以P 型板電除塵器為例進(jìn)行分析。由圖 3(a)可以看到電力線是以電極線為中心指向收塵極板并垂直于電勢等值線(電勢等值線以電極為中心呈橢圓狀向外延展)。電力線與電力線之間并不會相交，所以可以看到在相鄰電極線之間存在著一由電力線之間相互隔離出來的隱形壁面，離子風(fēng)的產(chǎn)生原因是離子與空氣分子碰撞的動量傳遞，進(jìn)而帶動空氣流動。

把空氣中的分子或離子、單個細(xì)顆粒假設(shè)為一個小球體，在無主氣流流動時，流體中與電極線極性相同的帶電離子或荷電細(xì)顆粒物，在電極線附近受到X方向和垂直指向收塵極板Y方向的電場力Fx和Fy，不同的力協(xié)同作用下產(chǎn)生位移進(jìn)而帶動空氣分子運(yùn)動。在電極線前X方向球體運(yùn)動與主氣流流動方向相反，在電極線后X方向球體運(yùn)動與主氣流流動方向相同，而Y方向受到的力使其撞擊到收塵極板面，由于空氣流體不可壓縮，最終在Fx和Fy和壁面共同作用下在電極線前(面向入口)產(chǎn)生逆時針渦旋，電極線后(面向出口)產(chǎn)生順時針渦旋。隨著主氣流速度不斷的增大，流動氣體相對運(yùn)動阻力Fd會逐漸抵消部分與氣流方向相反的力，在電極線后的Fx、Fy與Fd形成向上向前的合力，最終導(dǎo)致離子風(fēng)渦旋的逐漸減弱。這也說明主氣流風(fēng)速決定了離子風(fēng)減弱速度，更高的風(fēng)速有更強(qiáng)的流體阻力，渦旋減弱越快。

圖3(b)繪制了假設(shè)球點(diǎn)的受力運(yùn)動軌跡與離子風(fēng)渦旋形成與消散示意圖，圖3(c)為在電壓 20 kV，入口風(fēng)速 0.05 m/s 時P型板電除塵器內(nèi)湍流流線圖，并標(biāo)出了渦旋流線方向，以旋轉(zhuǎn)箭頭表示。

線板式靜電除塵器中一定數(shù)量的收塵極板相互之間排列組成除塵通道，板型的變化會對通道離子風(fēng)渦旋產(chǎn)生影響。圖4是P型板、BE型板、M型板、CW型板幾種板型下電除塵器在電壓為50 kV，粒子直徑為2.5 μm，風(fēng)速為0、0.2和0.5 m/s流速下的湍流場的流線圖。由圖4可以看出，在風(fēng)速為0時，大部分除塵器流場內(nèi)以除塵器中心線為中心分布著12個渦旋，每個電極線周圍分布著4個渦旋，而且上下分布的渦旋流線方向相反，最中心電極產(chǎn)生的離子風(fēng)對兩邊電極有一定的抑制作用；而BE型板則只有11個渦旋，M型板和CW板的離子風(fēng)旋渦分布不規(guī)則，這說明除塵器板型對于除塵器內(nèi)流場分布有著很大的影響，同時電勢分布的不均勻?qū)Τ龎m器湍流場也造成了影響。隨著風(fēng)速的增大，當(dāng)主氣流風(fēng)速為0.2 m/s時，由于流體相對運(yùn)動阻力增大，渦旋與主氣流相互作用逐漸消失，一部分渦旋消失。由圖4可以看出，這五個除塵器模型的湍流場流線分布比較類似，由于主氣流風(fēng)速的影響，流場中靠近進(jìn)口處的電極線右側(cè)的兩個渦旋被主氣流沖散，而且其它渦旋也都因為主氣流的作用形狀和面積發(fā)生了改變。當(dāng)主氣流風(fēng)速達(dá)到0.5 m/s時，主氣流在流場中起主要作用，所有板型的除塵器模型流場中的渦旋都被主氣流沖散。

圖5為相同條件下，四種板型在Y=0 mm處沿X方向的速度分布對比。由圖5可以看出，在Y=0 mm，主氣流速度為0.2 m/s時沿氣流方向從入口到出口過程中四種板型除塵器內(nèi)速度變化幅度規(guī)律基本相似，速度變化均呈波浪狀曲線分布，在兩根電極線之間存在速度低谷。而各極板速度的峰值都在極線處，四種極板在電極線附近最大值分布的規(guī)律是：第一根>第二根>第三根?？梢钥闯鏊俣却笮‰SX軸波動變化大小的排序是：BE型板>CW型板>M型板>P型板，另外三種板型波動大于P型板的原因是，它們的形狀不規(guī)則，有些地方通道窄，有些地方通道寬，這樣更有利于顆粒物的捕集。由圖中第二根和第三根極線之間的波動和第三根后的波動可以看出，這兩個波動的最高點(diǎn)都是處于上下兩個離子風(fēng)旋渦的交匯處，波動大小總體上BE板>CW型板>M型板>P型板，這也代表了離子風(fēng)的強(qiáng)弱，波動大的板型離子風(fēng)效應(yīng)更強(qiáng)，主氣流對其的影響更弱。

2.3 除塵效率

除塵效率是判斷一個電除塵器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)，電除塵器的顆粒物捕集效率受到很多因素的影響。圖6是利用數(shù)值軟件COMSOL Multiphysics和控制變量法模擬的P型板、BE型板、CW型板和M型板在不同一次風(fēng)速、不同電壓、不同粒徑和不同溫度下的除塵效率的對比。

圖6表明不同極板隨著一次風(fēng)速的降低、放電極電壓的升高、顆粒物粒徑的增大和溫度的降低，它們的除塵效率隨之升高，同時它們的增長率也是隨之升高。不同工況下不同極板的除塵效率作比較：BE型板>CW型板>M 型板>P型板，根據(jù)前文總結(jié)，這是因為不均勻的電場分布、速度大小隨X軸波動變化大以及較強(qiáng)的離子風(fēng)渦旋更有利于粒子的捕集。

3 結(jié)論

本文對三種板型的靜電除塵器進(jìn)行數(shù)值計算，對不同板型條件下除塵器內(nèi)離子風(fēng)產(chǎn)生的湍流場和顆粒物的荷電與捕獲過程及其顆粒運(yùn)動軌跡進(jìn)行了研究，并給出了通過改善離子風(fēng)提高對顆粒捕獲的理論分析，主要結(jié)論如下：

收塵極板板型的研究一直以來受到國內(nèi)外學(xué)者的青睞，研究者發(fā)現(xiàn)通過極板形狀的改變可以提高電除塵器的除塵效率。所以本文分析比較了P型版、BE型板、CW型板和M型板在有EHD流情況下的電勢分布、流場分布和除塵效率，來探究板型對除塵器性能的影響。由不同板型除塵器的電勢分布可以看出，收塵極板形狀對電勢分布有影響，電勢不均勻程度：BE型板>CW型板>M型板>P型板，且隨著趨近電極線，不同極板板型對電勢分布的影響減弱；而從湍流場可以看出，流場內(nèi)的主氣流決定了離子風(fēng)的減弱速度，更高的流速有更強(qiáng)的流體阻力，渦旋減弱的更快，同時當(dāng)主氣流風(fēng)速為0時，最中心電極產(chǎn)生的離子風(fēng)對兩邊電極有一定的抑制作用，當(dāng)主氣流速度為0.2 m/s 時，速度大小隨著X軸波動變化大小的排序是：BE板>CW型板>M型板>P型板，不均勻的電場會產(chǎn)生更強(qiáng)的離子風(fēng)，波動大的離子風(fēng)效應(yīng)更強(qiáng)，主氣流對其的影響更弱。最后對不同板型除塵器的除塵效率進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)不同極板隨著一次風(fēng)速的降低，放電極電壓的升高、顆粒物粒徑的增大和溫度的降低其除塵效率隨之升高，而在不同工況下除塵效率：BE板>CW型板>M型板>P型板。從不同板型電勢不均勻程度、湍流場速度分布、沿X軸速度大小和除塵效率的比較可以發(fā)現(xiàn)，不均勻的電勢分布會產(chǎn)生更強(qiáng)的離子風(fēng)，而更強(qiáng)的離子風(fēng)會使除塵器的除塵效率提高。