胡建華，潘洋洋

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電除塵器中離子風對除塵效果的影響

胡建華，潘洋洋

（海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033）

研究電除塵器中離子風對除塵過程的影響。分析電除塵器中離子風對除塵效果的影響，建立完整的顆粒荷電模型，在Fluent軟件平臺上進行計算。離子風在電極線附近呈雙螺旋結構，正對電極線位置的離子風速度最大，在遠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，對流場有擾動作用，隨流速增加，離子風效應被逐漸削弱。當主流速小于等于0.5 m/s時，離子風體現為增大驅進速度，顆粒更快到達極板，有利于改善除塵效率。電極線的偏置可以提高除塵效率，當電極線置于電場寬度方向1/4處時，可以獲得最佳除塵效果。

離子風；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，也是大氣污染控制的主要手段[1]。隨著國家排放標準的提高，對電除塵的研究也越來越受到關注。文中應用數值分析來研究離子風對除塵過程的影響。

離子風的本質是帶電粒子在電場力作用下對流場的擾動。現有研究文獻表明，離子風既利于提高驅進速度，也增加了氣流不均勻性，易于引起二次揚塵，形態(tài)方面，在電極線周圍呈雙螺旋結構。李慶[2]等人通過實驗和數值模擬得到了運行電壓與電暈電流、電暈風風速之間的關系，分析了場強分布與離子風風速變化的聯(lián)系，即在由放電極向收塵極的小范圍內，風速衰減梯度很大，隨后近似于線性減小。沈欣軍[3]等人采用PIV技術分別比較了正負電暈放電下的流場變化，發(fā)現示蹤粒子的運動明顯受到離子風的影響，對層流有增速作用。隨著電壓的增加，原來的層流變?yōu)榱送牧?，最后出現了對稱的旋渦，正負壓下的運動狀態(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—管式實驗模型，考察了運行電壓、極間距、管直徑與離子風風速的相關性，發(fā)現電壓越高，風速越大；放電尖端到圓管端面存在最佳距離使得離子風速最大；管徑越大，風速越小。由此，可以考慮優(yōu)化除塵器中電極的布置來抑制離子風造成的二次揚塵。

目前學者對電除塵器流場優(yōu)化研究得比較多[5]，離子風也僅局限于本體的研究[6]，顆粒荷電往往采用簡化模型。因此，文中完全考慮顆粒的電場荷電與擴散荷電，建立隨時間變化的荷電模型，結合收塵效率來研究離子風對流場、對顆粒運動的影響。

1 模型描述與數值分析方法

1.1 模型描述

構建線板式單通道幾何模型，基本參數：收塵極板長度為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Inlet為煙塵進口，最右側Outlet為出口，中間兩根電極線通直流高壓，與電極線相對的是收塵極板，結構如圖1所示。

圖1 幾何模型

1.2 氣相控制方程

實際的電除塵器內部煙塵流動處于紊流狀態(tài)，其主流控制方程如下。

質量守恒方程為：

動量守恒方程為：

1.3 固相控制方程

在除塵通道中，顆粒的受力情況復雜，包括電場力、曳力、重力、熱泳力等，文中只考慮最主要的電場力和曳力。顆粒的運動方程為：

顆粒的荷電分為電場荷電和擴散荷電，文中將兩者完全考慮來實現顆粒的荷電。

1.3.1 電場荷電

顆粒進入電場，離子就會在電場力作用下與顆粒發(fā)生碰撞，實現荷電，一定條件下的飽和電量為：

荷電量隨時間的變化為：

1.3.2 擴散荷電

擴散荷電源于無序的熱運動，因為離子熱能在不斷積累，所以擴散荷電可以一直進行。荷電量隨時間的變化為：

1.3.3 總荷電量

對于顆粒的荷電理論，在研究的過程中，很多學者都對其進行了簡化處理。大顆粒時考慮電場荷電，忽略擴散荷電；細微顆粒時考慮擴散荷電，忽略電場荷電。M.Robinson提出顆粒一進入電場，電場荷電就達到飽和，再考慮顆粒的擴散荷電，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間相關的函數：

1.4 電場控制方程

電場由泊松方程和電流連續(xù)性方程表達。

1）泊松方程：

如果忽略空間電荷對電勢分布的影響，則可以去掉源項，得到：

對電勢求梯度得到場強分布：

2）電流連續(xù)性方程：

2 結果與討論

由半經驗公式[8]得到電極線表面的離子電荷密度：

在基本工況下，運行電壓為60 000 V，入口流速為0時，考察離子在電場力作用下對流場的影響。由圖2可知，高電勢范圍僅分布在電極線附近，電勢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，因為電極線左右的場強方向不同，所以分布著的是兩對反向的旋渦結構，與Leonard[11-12]得到的結論相同。離子的運動顯著地改變了原來流線的狀態(tài)，說明離子風效應的存在增強了流場的湍流效應。

圖2 電勢分布

圖3 離子風效應

2.1 離子風對流場的影響

流場的分布直接影響除塵效率，不穩(wěn)定的流動一般存在高速區(qū)和低速區(qū)。在低速區(qū)里，顆粒的沉積量過大，高速區(qū)則會將已沉降顆粒重新帶回到電場中，降低除塵效率。不同流速下，離子風效應的氣流分布情況如圖4所示。針對湍流擴散，參考Gosman等[13]人給出的Random Walk Model；針對離子風，則引用Robinson提出的離子電荷密度與場強之積加載到連續(xù)相的源項。

圖4 氣流分布情況

2.2 離子風對顆粒運動的影響

顆粒的運動主要取決于電場力和曳力的作用，受到離子風效應的影響。在基本工況下，結合除塵效率，考察離子風效應對顆粒運動的干擾情況。不考慮離子風作用時，主流速度為0.2，0.5，0.8 m/s，對應的除塵效率為：100%，30.03%，17.06%；引入離子風作用時，各流速對應的除塵效率為：100%，32.23%，15.00%?？梢园l(fā)現，流速越大，除塵效率越低。流速為0.5 m/s時，離子風效應使得除塵效率提高，該流速下的顆粒軌跡如圖5所示?？梢钥闯?，離子風促進了顆粒向極板靠近，表現為增大了驅進速度。流速為0.8 m/s時，離子風的加入使得除塵效率下降，表現為離子風對顆粒的擾動，讓主流帶走更多顆粒。

2.3 電極線偏置對離子風的影響

對于結構的研究，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，考察該結構對離子風的影響。在圖3工況的基礎上偏置電極線，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、無顆粒釋放時的流線如圖6所示。結合圖3可以發(fā)現，隨著放電極偏離中心越來越遠，上半部分的旋渦結構逐漸消失；當流速為0.2 m/s，從入口釋放顆粒時，計算得到電極線偏置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，當流速小于0.5 m/s時，離子風效應有利于促進顆粒沉降。當電極線過于靠近下極板時，沿電場線運動的空氣分子會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（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，正對電極線位置的速度最大，在遠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]等人的實驗結果一致。

圖5 顆粒軌跡

圖7 壁面速度

3 結論

1）離子風的形態(tài)呈雙螺旋結構，依附在電極線四周，電壓提高，強化離子風效應。主流速度對離子風有抑制作用，隨流速增加，旋渦結構慢慢消失。

2）離子風的速度分布與李慶的實驗結果一致，正對電極線位置的速度最大，在遠離電極線的方向上逐漸變小。

3）離子風對顆粒的捕集存在雙面性作用。在該模型中，當流速為0.5 m/s時，表現為提高驅進速度，促進顆粒收集；當流速為0.8 m/s時，旋渦擾動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，離子風表現為有利于提高除塵效率。當電極線偏置到電場寬度方向1/4處時，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，主要研究方向為靜電除塵技術。