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微细粉尘在静电除尘器中的运动状态分析 * 李庆肖振雷李海凤杨振亚欧阳莹 河北大学静电研究所， 河北 保定071002 摘要 为了分析线板静电除尘器中的电流体动力学过程， 利用 FEMLAB 软件对电势泊松方程和电流连续性方程进行 联立耦合求解， 得到线板放电过程中电场强度分布， 估算电晕外区不同粒径粉尘所受到的电场力; 利用 Fluent 软件采 用动力风模拟离子风的方法计算放电通道的流场分布， 得到空间速度分布图， 并分析了气流扰动对颗粒物的运动状态 的影响。结果表明 利用动力风模拟离子风流场的分布符合放电环境下离子风的形成过程， 该方法可以简化复杂的电 流体问题。不同粒径粉尘在电场空间中的运动受到的电场力、 离子风力随粒径大小不同而变化很大。研究结果对静 电除尘器的改造和设计有很重要的指导意义。 关键词 静电除尘器; 电晕放电; 场强分布; 数值模拟; 动力风; 运动状态 THE ANALYSIS OF FINE DUST MOTION IN ELECTROSTATIC PRECIPITATOR Li QingXiao ZhenleiLi HaifengYang ZhenyaOu Yangying Electrostatic Research Institute，Hebei University，Baoding 071002，China AbstractPotential poisson equation and current continuity equation are coupled solution by FEMLAB software，using the distribution of electric field strength in wire-plan discharge space to estimate the electric field force on different size dust outside corona zone;the distribution of air flowing in discharge channel is simulated by Fluent software. In the process of simulating，the ion wind is instead of the dynamic wind. The velocity distribution in space is obtained. to analyze the effect of the air flowing on dust motion. The results show that the simulated conclusion of using dynamic wind is fully consistent with the ation of ion wind in discharge space，which can simplify the complex current body. Electric field force and ion wind force act on different size dust are different，when they are moving in discharge space. This research can provide very important guidance to the transation and the design of ESP. KeywordsESP;corona discharge;field distribution;numerical simulation;dynamical wind; state of motion * 国家自然科学基金项目 10875036、 51077035 ; 河北省自然科学基金 项目 A2010000182 ; 河北省科技支撑项目 09276712D 。 静电除尘器是处理大气颗粒物污染的有效手段， 对于大粒径粉尘收集效率能稳定在 99. 9 ， 而对数 量上占据多数的微细粉尘收集效率却不高。 目前的研究热点集中在提高除尘器对微细粉 尘的收集效率上。根据除尘效率的经典公式 多依奇公式可知， 提高除尘效率的手段， 有多种方 法 ［1- 3］， 对于特定的被处理物来讲， 在得到相同的处 理效率下， 如果我们提高了颗粒物在电场中的驱进 速度， 可以相应的减少收尘极板的板面积， 这就意 味着减少了除尘器的体积， 降低了除尘器的钢材用 量， 也就相应的提高了除尘器的性价比。而颗粒物 在电场中的驱进速度是力作用的结果， 对于微细粉 尘来讲， 形成驱进速度的主要力包括 电场力， 引风 力， 离子风力。 文章以煤粉静电除尘器作为研究对象， 分析离子 风力和电场力对电场空间的气流扰动的影响， 从而对 颗粒物在电场中的运动状态进行讨论。 由于煤粉具有一定的燃爆特性， 除尘器的入口浓 度上限应有所控制。例如20 g/m3， 换算成体积分数 为 0. 01 ， 由于煤粉的占空比很低， 可以将含尘气流 理想化为单相气流 空气 ， 以简化计算过程。 1物理模型 以线板式除尘器为例， 在线板除尘器中， 进入除 尘器的含尘气流经过均风处理后， 垂直于电晕线平面 的气流运动情况， 近似对称， 据此， 可以将三维问题简 化为二维问题， 建立图 1 的放电通道模型。 37 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 图 1放电通道模型 本文对单根电晕线放电的力学效应进行分析， 计 算模型的具体尺寸做如下假设 电晕线直径1. 2 mm， 线板距离15 cm， 通道长度30 cm。 2计算结果分析 文章主要分析带电粉尘沿电晕线指向收尘极板 方向的受力， 即图 1 所示的 y 方向的受力， 该方向上 的主作用力包括电场力、 离子风力、 被动力为黏滞 阻力。 2. 1电场力 2. 1. 1空间电场强度分布 利用 FEMLAB 软件对电除尘器内部的电场分布 进行数值模拟。在求解过程中对电势泊松方程和电 流连续性方程进行联立耦合， 并考虑电场和空间电荷 的相互作用的事实， 使求解结果更接近实际情况。 电除尘器进入正常工作状态， 其空间电势满足泊 松 方 程 Poisson 与 电 流 连 续 性 方 程 见 式 1～ 式 3 ［ 4- 5］  2V x 2  2V y 2 － q ε0 1 Ex － V x ， Ey － V y 2 q2 ε0 V x q x V y q  y ε0D μE  2q x 2  2q y 2 － ε0 μE q x Ux q y U y 3 式中 Ex， Ey分别为场强的 x 和 y 方向分量。 与上述方程组对应的电场边界条件为 1 电晕区 O 处 V V0; 2 AB 线处 V 0; 3 AC， BD 线处 Ex － V x 0; 4 AB， CD 线处 Ey － V y 0。 根据图 1 所示的模型， 利用有限差分法对电场方 程组及边界条件进行离散， 在电晕电压 V0 70 kV 时， 求解得到电场强度分布见图 2。 图 2空间电场强度分布 由图 2 可知在放电过程中， 电晕线附近的电场 强度很大， 产生明流电晕放电， 电场力对电子崩产生 电子的排斥作用， 使之迅速远离电晕极， 使放电极附 近始终保持一个较大的电位梯度， 这也保证了电晕放 电可以持续进行， 在线板这一极不均匀的电场中， 远 离电晕区电场强度将快速下降， 进入弱场强区域的电 子， 电场力作用减弱， 加速度减小， 而且在碰撞阻力和 黏滞阻力的作用下， 其速度将快速趋于定值， 因此该 区域的高浓度电子将使该区域的电场强度更加均匀， 上述过程是一个正反馈过程， 最终使远离电晕线区域 的电场强度达到一个相对稳定的值， 带电离子在电场 力作用下的运动将带动气流流动， 最终在放电空间形 成一定气流结构的电流体。 2. 1. 2估算颗粒物所受电场力 电晕放电过程中， 电场空间形成两个区域， 电晕 区和电晕外区， 在电晕区场强迅速衰减， 而电晕外区 场强分布比较均匀， 2. 1. 1 的计算结果证明了这一 点。电场力的作用方向是沿电力线的切线方向， 其大 小为 F Eq， 与电场强度成正比关系。由于电晕区的 范围相对于整个放电通道来讲尺度较小， 因此， 粉尘 颗粒的荷电、 运动主要发生在电晕外区。 对于 dp≥0. 5 μm 的颗粒， 以电场荷电为主， 饱和 荷电时粉尘荷电量见式 4 ［ 6］ q 3π ε ε 2 ε0E0d 2 P 4 其中 ε 为相对介电常数; ε0为真空介电常数; dp为 粉尘粒径; E0为粉尘所在位置的电场强度。 粉尘所受电场力为式 5 F E0q 3π ε ε 2 ε0E 2 0d 2 p 5 对于 dp≤0. 15μm 的颗粒， 以扩散荷电为主， 饱 47 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 和荷电时粉尘荷电量见式 6 ［ 6］ q e2πε 0kTdp e2 ln 1 e2珔udpN0t 8ε 0 kT 6 其中 k 为波尔兹曼常数， 1. 38 10 － 23 J/K; T 为气体 温度; N0为离子浓度， 个 /m3; e 为电子电量; 珔 u 为气体 离子的平均热运动速度。 粉尘所受的电场力为式 7 F Eq E2πε 0kTdp e ln 1 e2udpN0t 8ε 0 kT 7 2. 2离子风力 离子风力是放电过程特有的现象， 但是测量电场 中某一点风速的大小和方向是困难的， 甚至是不可能 实现的。文章利用 Fluent 软件， 以图 2 所示的数值计 算模型为基础， 采用在电晕线处设置合理的动力风的 方法来模拟放电空间的气流状态。 2. 2. 1建立模型 由于电晕线对上下两个极板的放电情况完全相 同， 因此利用镜像求解法将图 1 再次简化成只分析电 晕线上半部分的气流分布状态， 如图 3 所示。 图 3简化模型 对电除尘器内部流场的分析， 不考虑气流密度的 变化， 视其内部流动为不可压流动。对放电空间离子 风的雷诺数计算可知， 区域内的气流处于湍流状态。 2. 2. 2控制方程 电除尘器内部的湍流问题的求解选用标准的k-ε 双方程模型， 控制方程包括连续性方程， 动量方程， k 方程和 ε 方程。由于除尘器内部流动为不可压， 且不 考虑用户自定义源项， 所以下述 k 方程和 ε 方程均为 简化后的形式 ［ 7- 11］。 连续性方程为式 8  u i x i 0 8 动量方程为式 9  t ρu i  x j ρu iu j － p x i τij x j ρgi Fi 9 k 方程为式 10 ρk t  ρku j x i  x j μ μt σ k k x [] j Gk－ ρε 10 ε 方程为式 11  ρε t  ρεu j x i  x j μ μt σ ε ε x [] j C 1ε ε k μt u j x i Gk－ C 2ε ρ ε 2 k 11 其中 ρ 为流体密度; k 为湍动能; ε 为湍动能耗散率; p 为时均压力; μ 为层流动力黏性系数; μt为湍流动 力黏性系数。 2. 2. 3计算结果及分析 根据国内外对离子风的研究现状 ［ 12- 13］， 文章中 在电晕线处设置75 m/s的动力风速。为了提高计算 速度并达到更好的收敛效果， 在求解计算中将上述方 程中的 k 和 ε 均设置为 100， 而且松弛因子 Pressure， Density，Body force，Momentum， Turbulence kinetic Energy， TurbulenceDissipayionRate， Turbulence viscosity 分别设置为 0. 2， 0. 8， 0. 8， 0. 5， 0. 3， 0. 6， 0. 8。得到离子风在电场中的速度矢量分布如图 4 所示。 图 4空间速度矢量分布 当射流入射到壁面时就形成了冲击射流， 其影响 因素有狭缝宽度， 入射面形状， 以及是否受限 即在 出口是否有与入射面平行的平面 等， 该射流的一般 结构分为三个区域 1 自由射流区; 2 滞止区; 3 壁 面射流区 ［ 14- 15］。 在滞止区内， 气流运动由轴向迅速转为径向， 产 生很大的逆压力梯度。在该压力梯度的驱动下， 气流 经壁面射流区， 迅速向外流出。所以在电晕线的两侧 形成了如图 4 所示的两个方向相反的双螺旋漩涡， 螺 旋漩涡将对沿电力线方向运动的荷电颗粒产生扰动， 并对到达收尘极板上的颗粒进行冲刷， 该现象与除尘 57 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 过程中出现二次扬尘的事实相吻合。 为了进一步认识电晕线正对极板方向上速度的 分布情况， 在计算结果中定义 x 0 即从电晕线指向 极板方向的一条线， 观察风速在 y 轴上的变化， 如 图 5所示。 图 5 x 0 方向上的速度分布 从图 5 发现风速在电晕极附近短距离内迅速衰 减， 然后缓慢衰减。 离子风是电子崩形成过程中， 由于电子 离子 对中性分子的碰撞， 摩擦等原因而产生的， 因此其大 小和离子 电子 的运动速度相关， 而离子 电子 的 运动速度又和电场强度相关。由以上的计算可知 放 电空间内部场强迅速衰减并趋于一个稳定的值， 当电 场强度很大时， 空气分子大量离子化， 随之形成的离 子风速也很大， 稳定以后， 无法实现中性分子的离子 化， 空间电子数不再增加， 而是与空气分子碰撞结合 向极板方向运动。所以， 离子风速在短距离内迅速衰 减， 然后在距电晕线3 cm的范围内维持10 m/s的速度 之后以线性关系下降直到收尘极板， 图 5 所示的速度 变化趋势与电场分布趋势相似， 证明， 动力风模拟离 子风的方法是可行的。 2. 2. 4离子风力估算 由流体力学伯努利方程可知 ［ 16］， 流体的运动速 度与该处的动压有如下的关系见式 12 p 0. 5ρv2 12 粉尘颗粒所受的离子风力见式 13 F ps 0. 5ρv 2 1 4 πd 2 p 1 8 πρv2d2 p 13 其中 p 是指风压， N/m2; s 为粉尘颗粒垂直于气流方 向的截面积; ρ 为空气密度; v 指风速， m/s。 2. 3粉尘运动状态分析 粉尘颗粒在除尘器本体结构中的运动轨迹取决 于其受力的大小和方向。本文主要分析了电场力和 离子风力和黏滞阻力， 因黏滞阻力不影响颗粒的运动 轨迹， 所以分析电场力和离子风力两种力的作用下颗 粒的运动轨迹。在电场力的作用下， 荷电粉尘沿电晕 线指向极板方向的电力线运动， 而在离子风的作用 下， 荷电粉尘沿气流方向做如图 4 所示的双螺旋运 动。由于不同粒径的粉尘在电场中的荷电方式不同， 其所受的电场力大小也不同， 所以对两种粒径粉尘的 受力和运动轨迹分别进行分析和讨论。 对于 dp≥0. 5 μm 的颗粒， 由公式 4 可得， 荷电 量与电场强度成正比， 所以受力与电场强度的平方成 正比如式 5 。所受到离子风力的大小由式 13 得 出与速度的平方成正比。由计算可得颗粒所受电场 力和离子风力的比值为常数。即两种力的作用在同 一数量级 1 ～ 10 。颗粒沿气流方向的双螺旋运动 被破坏， 变为沿电晕线指向极板方向被拉伸的螺旋运 动。如图 5 所示， 速度逐渐衰减， 即所受离子风力不 断减小， 同时， 电场强度也缓慢衰减， 二者的趋势近似 相同， 荷电粉尘一直作被拉伸的螺旋运动， 直至到达 收尘极板。 对于 dp≤0. 15 μm 的颗粒， 以扩散荷电为主， 由 式 7 可得， 所受电场力与电场强度成正比， 所受到 离子风力的大小由式 13 得出与速度的平方成正 比。由计算可得， 离子风力是电场力的 10 倍 ～ 100 倍， 所以荷电粉尘主要在离子风的作用下沿气流方向 作双螺旋运动， 直至到达收尘极板。 dp≥0. 5 μm 的荷电颗粒在电场力和离子风力的 共同作用下， 以较大的气流旋度向收尘极板运动， 最 终被收尘极板收集而达到净化的目的。在该运动过 程中， 荷电颗粒从荷电到被收集的整个过程中， 其运 动距离基本没有变化， 离子风气流的指向趋势也是由 放电极到达收尘极， 离子风力的作用也加速了荷电颗 粒或者是非荷电颗粒的驱进速度， 其旋转特性只是改 变了颗粒在收尘极板上的附着位置， 电场力和离子风 力的共同作用加大了荷电颗粒的驱进速度， 因此只依 据电场荷电量来计算大颗粒粉尘的驱进速度值小于 真实值， 这也就是除尘器对大颗粒粉尘的收集效率高 的原因。 dp≤0. 15 μm 的荷电粉尘由于电场力远小于离 子风力， 因此该粒径范围内的粉尘主要随离子风的气 流轨迹运动， 在电场中特殊的双螺旋气流结构， 使微 细粉尘很难到达收尘极板， 也就是很难被收集， 其运 67 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 动过程应该是在电场中随离子风气流运动， 并在电场 中与其 他 颗 粒 进 行 凝 并 形 成 大 颗 粒 以 后 再 按 照 dp≥0. 5 μm的颗粒运动方式被收集， 在电场中存留 时间较长， 因此其收集效率低。 以上从理论上计算和分析了粉尘颗粒在放电空 间的受力和运动轨迹， 与电除尘器的实际情况相吻 合 对微细粉尘的收集效率低， 提高微细粉尘的凝 并率而使之成为较大颗粒是提高除尘器收集效率的 主要研究方向。 3结论 1 利用 FEMLAB 软件对放电空间电场强度分布 的计算， 表明在电晕区电场强度很大， 在电晕外区以 近似线性关系迅速衰减。 2 离子风在电场中形成的流场为冲击射流模 式， 流场分布为对称双螺旋结构。受扩散荷电影响较 大的微细粉尘将随电流场作螺旋运动， 该现象将严重 影响电场对微细粉尘的收集， 进而降低静电除尘器的 整体除尘效率。 3 本文对电场力和离子风力的计算及结合荷电 粉尘在电场空间运动轨迹的分析方法为静电除尘器 改造与设计提供了一种新的思路。 参考文献 ［1 ］ 胡满银， 雷应奇， 尹琦， 等. 电除尘器提效节能除尘效率公式的 研究［J］ . 环境工程， 2009， 27 3 90-93. ［2 ］ 舒服华. 提高电除尘器除尘效率的途径［J］ . 冶金设备， 2008 特刊 2 40- 44. ［3 ］ 王艳琴. 影响高压静电除尘器除尘效率的因素［J］ . 电子科技， 2008， 21 12 86-88. ［4 ］ Tassiker O J. 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