李慶，王巧艷，孟姜山，甘罕

（河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 靜電研究所，河北 保定 071002）

學(xué)科綜述

高壓靜電除塵器中的離子風(fēng)與除塵

李慶，王巧艷，孟姜山，甘罕

（河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 靜電研究所，河北 保定 071002）

離子風(fēng)使得高壓靜電除塵器中粒子的運動更加復(fù)雜.它對高壓靜電除塵器中微細顆粒的捕集有很大的影響.在2個多世紀中，國內(nèi)外的學(xué)者對離子風(fēng)進行了大量的理論和實驗上的探索和研究，并取得了一定的成果.本文回顧與總結(jié)了諸多學(xué)者進行的離子風(fēng)與除塵的相關(guān)研究，并提出了建議：在進行除塵器內(nèi)部流場研究時，應(yīng)該針對三維空間進行；考慮除塵空間中離子電荷和顆粒電荷對流場分析的影響.為以后離子風(fēng)的研究工作提供了一定的理論依據(jù).

離子風(fēng)；電流體；電暈放電；除塵

除塵是大氣污染控制的一個重要方面.在現(xiàn)有的除塵設(shè)備中，只有電除塵器才能把作用力直接施加到塵粒本身上，使塵粒與氣流脫離.因此，電除塵器分離塵粒所需的能量要比其他形式的除塵設(shè)備小得多，使其在處理氣體量大、除細塵效率要求高的地方得到廣泛的采用［1］.如廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、燃煤電廠、有色冶金、建材、化學(xué)工業(yè)等.在電除塵器內(nèi)部，除塵效率在很大程度上受電除塵器極配方式、氣流分布等因素的影響.特別是對于微細顆粒的捕集，氣流的運動狀態(tài)對其有很重要的影響.除塵器內(nèi)氣流場為湍流狀態(tài).電場、流體場和顆粒動力場相互耦合形成復(fù)雜的電流體場.由于微細顆粒不易被荷電而附著在極板上，所以收集效率較低.離子風(fēng)對于荷電和非荷電顆粒均有影響，尤其是微細顆粒影響較為突出.離子風(fēng)也稱“電風(fēng)”，它是由于電暈放電過程中產(chǎn)生的高速電子碰撞空氣引起的空氣流動，這種流動會同時產(chǎn)生向電暈極方向的流動進而產(chǎn)生回流，形成螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致放電空間的紊流更為復(fù)雜.從20世紀60年代后期起，眾多研究者對離子風(fēng)進行了一系列的理論和實驗研究.探究離子風(fēng)的產(chǎn)生機制，分析離子風(fēng)對除塵器內(nèi)部流場的影響，并與除塵實際相結(jié)合，研究離子風(fēng)對微細顆粒捕集的影響.本文對國內(nèi)外離子風(fēng)的研究進行了總結(jié)，對離子風(fēng)在除塵器中產(chǎn)生的影響進行了分析，并提出了離子風(fēng)研究中存在的問題及建議.國內(nèi)外對離子風(fēng)的研究基本可以分為理論研究、數(shù)值模擬和實驗研究3方面.數(shù)值模擬由于節(jié)省時間、投入少和研究周期短而得到更廣泛的應(yīng)用.通常研究者用實驗來驗證理論研究和數(shù)值模擬相結(jié)合得到的結(jié)果，或進行實驗研究來指導(dǎo)實際的除塵，取得了一系列的研究成果.

1 離子風(fēng)的理論與數(shù)值模擬研究

在理論方面主要從離子風(fēng)的形成機制和離子風(fēng)對主流場的影響2個方面進行了研究.將數(shù)值模擬與除塵實際相結(jié)合進行分析.

對于離子風(fēng)形成機制方面的研究，Ramadan［2］采用數(shù)值計算的方法對線板除塵器內(nèi)的電流體場進行了計算.在求解過程中使用二維層流Navier-Stokes方程，認為電荷分布是一個常數(shù)，從而對電體積力進行估計，得出離子風(fēng)是從電暈極上發(fā)出的狹窄高速射流，噴射的速度取決于系統(tǒng)的雷諾數(shù)的大小，離子風(fēng)達到引流風(fēng)速的數(shù)倍的結(jié)論.

Cooperman［3］提出了一種新的理論來避免Deutsch公式的缺陷，如果空間存在離子濃度梯度，隨機的粒子運動會導(dǎo)致流動的產(chǎn)生，并用2種方式來描述這種新的理論，在2種方式中分別引入了修正因子.用湍流擴散模型描述較低氣流流速時電場中的粒子運動及沉降行為，認為湍流使得顆粒由高濃度向低濃度擴散.

Yabe［4］使用正電暈線板放電形式，用二維層流N-S方程對電流體場進行數(shù)值計算，采用了渦量-流函數(shù)法，明確指出離子風(fēng)是由于施加在離子上的庫倫力使得離子和中性氣體分子碰撞產(chǎn)生.得出在電暈線附近沿平行于電暈線方向存在2個方向相反的渦的結(jié)論.

Kawamoto等［5］利用有限元法計算庫倫體積力產(chǎn)生的圓柱靜態(tài)放電場，用有限差分法計算離子風(fēng).結(jié)果證實了離子的遷移產(chǎn)生了離子風(fēng)，離子風(fēng)的產(chǎn)生是針電極電暈放電產(chǎn)生的庫倫斥力導(dǎo)致的.

Neimarlija等［6］考慮了氣體流動，顆粒運動和靜電場，利用有限體積法，對靜電除塵器中兩相流動進行了詳細的數(shù)值耦合分析，預(yù)測了電流體的過程.

Hinds［7-8］指出，在電暈線附近，電風(fēng)可高達75m／s，基于此方面，李慶等［9-10］用動力風(fēng)代替離子風(fēng)的方法進行數(shù)值模擬.分析了電暈放電過程中電流體的形成過程及放電空間的流體分布狀態(tài)，提出了離子風(fēng)的雙螺旋結(jié)構(gòu).在特定條件下分析線板電暈放電伏安特性及極板處離子風(fēng)分布變化并確立了離子風(fēng)速與放電電壓之間的關(guān)系式.

對于離子風(fēng)對主流流場影響的研究，Yamamoto［11］基于渦量-流函數(shù)法，在控制方程中考慮了電場與氣流場的耦合作用來研究離子風(fēng)與主流流場的迭加，得出電流體數(shù)大于0.6時，電暈放電產(chǎn)生的二次流不可忽略，當電流體數(shù)大于1.2時，由于誘導(dǎo)循環(huán)單元引起的強烈的二次流對主流產(chǎn)生強烈擾動的結(jié)論.

Kallio和Stock［12］利用電子閃光技術(shù)和激光片技術(shù)研究了線板放電空間的流場情況.結(jié)果顯示：正電暈放電產(chǎn)生穩(wěn)定的二維煙氣流動，當入口風(fēng)速高于0.7m／s時，湍流擴散可忽略，離子風(fēng)對主流不產(chǎn)生擾動；高于該值則離子風(fēng)占主導(dǎo)地位；負電暈放電在入口風(fēng)速低于0.7m／s時產(chǎn)生不穩(wěn)定的三維回流.

Young Nam Chun［13］用Chen-Kim修正的k-ε湍流模型對電流體二次流進行模擬.結(jié)果顯示：即使在低雷諾數(shù)下，在電暈線下游處仍然出現(xiàn)明顯的電流體二次流；二次流可能會給通道流動傳遞動量，使得壓降增加.

徐哲淳［14］等對電場Poisson方程和流場Navier-Stoke方程進行了耦合求解，對二次流進行了定量的描述，認為二次流對主流的影響隨電流體數(shù)的增加而增大，從理論上推導(dǎo)出了求解電流體場的基本方程.

亢燕銘，遲進華［15］模擬并比較了平板和波形電極結(jié)構(gòu)的EHD流動圖譜.結(jié)果顯示：主流對二次流的影響很大，波形電極比平板電極更有利于抑制和減弱二次流對主流的影響，強烈的主流速度會抵消離子風(fēng)效應(yīng).

Niewulis等［16］采用二維PIV技術(shù)測量并比較了4種電極結(jié)構(gòu)下電暈放電的離子風(fēng)分布情況.4種結(jié)構(gòu)分別是在正方形四邊依次加入1～4塊接地極，正方形中心處放置放電線.結(jié)果表明：極配形式對粒子流場形態(tài)有很大影響，前3種極配形式會形成大而規(guī)則的離子風(fēng)漩渦，第4種極配形式產(chǎn)生大而不規(guī)則的漩渦，且可能會對收塵效率產(chǎn)生不同的影響.

在與除塵相結(jié)合方面，Leonard［17］針對理想的管式除塵器，提出靜電傳輸與湍流擴散模型.認為靜電遷移和氣流的渦流擴散綜合作用導(dǎo)致了靜電除塵器中粉塵的沉降，并指出通過提高氣體流動質(zhì)量或減小除塵器本體長度都可以減少湍流擾動.

Soldati［18］利用直接數(shù)值模擬的方法對流場中的粒子進行追蹤來評價電流體場對粒子輸運和捕集的影響，發(fā)現(xiàn)流場對粉塵的運動有很大的影響，但對粒子捕集沒有多大的影響.

王利民，王福成等［19-20］針對工業(yè)電除塵器的工作過程，在線板式電除塵器內(nèi)的流場分布的研究中同時考慮了分子黏性和湍流脈動黏性的影響，建立了湍流和紊流流場雙模型，在N-S方程中引入了體積力，獲得了2方程的通用形式，通過紊流流場的N-S方程的電體積力來描述電場對流場的作用，并通過電流密度與紊流風(fēng)速關(guān)系體現(xiàn)流場對電場的作用.

2 離子風(fēng)的實驗研究與除塵

Podlinski等［21］通過PIV方法，測量7根電暈線在線板靜電除塵器中的顆粒速度場，對正電暈和負電暈放電進行了研究，表明電流體力對主流有很大影響，且在上下游都產(chǎn)生漩渦，認為進行三維速度場的測量很重要.Schmid［22］對電場、湍流和粒子動力學(xué)進行耦合，認為二次流對整個顆粒的收集影響很小，電場對顆粒收集影響很大，尤其是電場的邊界條件對收塵很重要.Niewulis等［23］通過二維和三維的粒子圖像測速技術(shù)（PIV）測量正電暈窄極距放電情況，用干燥空氣中粒徑小于1μm的煙霧做示蹤顆粒對縱向和橫向放置的線電極的流速場進行了研究，但沒有比較2種結(jié)構(gòu)的收集效率.Rickard［24］對針-環(huán)電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)特性進行了研究，認為只有非常低的壓強限制時，離子風(fēng)才可被克服.

吳暢毅［25］搭建自制的電除塵器實驗?zāi)M臺，基于相似理論，利用清水代替煙氣進行氣流分布實驗，并利用PIV技術(shù)對電除塵器內(nèi)煙氣流動情況進行測量和分析.結(jié)果顯示：電除塵器內(nèi)的紊流程度隨入口流速的增加而加重，當流速大到一定程度，會有旋渦流動產(chǎn)生，在工作流速下，除塵器空間氣流分布均勻穩(wěn)定，但靠近上下部板壁部分紊流程度嚴重.

在國內(nèi)，研究者們分別對線板電極、芒刺電極、針板電極、針針電極等做了不同的實驗與分析.

李慶，孫玉榮等［26］簡化了實驗條件，使用對收塵極進行分區(qū)布點的方式，對線板除塵器在空載條件下的離子風(fēng)速進行了測量，得出電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)可以增加除塵器中顆粒物的驅(qū)進速度的結(jié)論.

向曉東等［27-28］對實驗室尺度下的長芒刺ESP與普通的ESP收塵性能作了比較.分別采用了滑石粉、石膏和塑料3種不同材質(zhì)的小球?qū)﹄x子風(fēng)進行測定.他們結(jié)合場強分析力離子風(fēng)效應(yīng)，認為長芒刺產(chǎn)生的強烈離子風(fēng)使其收塵效率高于普通的收塵電極，由于離子風(fēng)效應(yīng)，使得長芒刺的收塵極板上形成了特殊形狀的圓形粉塵餅.

袁均祥等［29］采用PIV進行離子風(fēng)測量，比較了不同電極參數(shù)下尖-板電極空氣中的離子風(fēng)特性.結(jié)果表明尖電極的曲率半徑越小，三維空間的離子風(fēng)速越大，接地極板對于離子風(fēng)的發(fā)展影響很大，當接地電極采用金屬網(wǎng)時，在較低電壓下，極板對離子風(fēng)的影響很小.

楊振興，向曉東等［30］采用較傳統(tǒng)放電極有很大優(yōu)勢新型的雙極電暈放電器，對直流高壓與脈沖高壓下產(chǎn)生的離子風(fēng)進行了實驗研究.結(jié)果顯示：在此裝置中會產(chǎn)生反向的離子風(fēng)，在平均場強約3.4kV／cm條件下用PIV測得的電場內(nèi)正、負離子風(fēng)的核心區(qū)風(fēng)速約2m／s.

3 結(jié)論與建議

國內(nèi)外研究者對離子風(fēng)的大量研究，可以歸納為：1）對離子風(fēng)的形成機理基本達成一致，確定了離子風(fēng)的旋渦狀結(jié)構(gòu).2）利用PIV和激光多普勒測速儀等技術(shù)測量和顯示離子風(fēng)軌跡，使測量結(jié)果更接近實際.然而對于離子風(fēng)的研究仍然存在需要解決的問題：1）大多數(shù)研究者都采用二維的形式簡化計算模型，而實際的除塵空間是三維的；一般采用單相流的簡便方法進行模擬計算，而忽略了實際除塵中顆粒物對空間場強的畸變，從而忽略了顆粒物對流場的影響，與除塵實際存在一定差距.2）研究者大多采用實驗來驗證模擬的正確性，對于模擬不能夠提出一個通用的結(jié)果，所以用模擬來指導(dǎo)實踐還需要進一步加強研究.3）模擬大多針對放電空間流場進行分析，氣流在收塵極處情況較復(fù)雜但對實際收塵影響卻很大，所以缺乏氣流在壁面處的分析.

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Ionic wind and dust removal in electrostatic precipitator

LI Qing，WANG Qiaoyan，MENG Jiangshan，GAN Han
（Electrostatic Research Institute，College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China）

The ionic wind makes the particle motion more complex in the high voltage electrostatic precipitator.It has a great influence on the capture of fine particles in the electrostatic precipitator.Over two centuries，domestic and foreign scholars have done a lot of theoretical and experimental explorations and researches on ionic wind，and they achieved some results.In this article，researches on ionic wind and dust removal are reviewed and summarized.Some recommendations are provided：Three-dimensional space should be used in the research of internal flow field of precipitators；the influence that the ionic charge and particles charge have on the flow field analysis should be considered as well in the dust space.These provide theoretical basis for further study of ionic wind.

ionic wind；electrohydrodynamic；corona discharge；dust removal

X511

A

1000-1565（2012）05-0556-05

2012-03-10

國家自然科學(xué)基金資助項目（10875036；51077035）；河北省自然科學(xué)基金資助項目（A2010000182）；河北省科技支撐項目（09276712D）；河北大學(xué)博士基金資助項目（2009-178）

李慶（1968-），男，河北徐水人，河北大學(xué)研究員，主要從事靜電與大氣污染治理研究.E-mail：liqing＠hbu.cn

孟素蘭）