耿婉婷，賀曉揚(yáng)，楊振民，黃 超，劉一瑋

(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

隨著《燃煤電廠大氣污染物超低排放技術(shù)驗(yàn)證評(píng)價(jià)規(guī)范》(T/CSES 09-2020)正式發(fā)布[1]，該標(biāo)準(zhǔn)為電除塵技術(shù)作為燃煤電廠超低排放標(biāo)配技術(shù)提供了評(píng)價(jià)依據(jù)，對(duì)促進(jìn)火電行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展、工業(yè)爐窯和燃煤鍋爐的治理以及推進(jìn)鋼鐵行業(yè)超低排放的改造具有重要意義[2]；進(jìn)一步改進(jìn)和研究除塵器性能，以減少工業(yè)廢氣造成的環(huán)境污染成為大勢(shì)所趨。目前靜電除塵器在燃煤電廠中得到廣泛應(yīng)用，能高效處理燃煤煙氣中10 μm以上大顆粒，但對(duì)于PM10以下顆粒物的收塵效率不高，其原因有粒徑在0.5～2 μm的顆粒同時(shí)存在擴(kuò)散荷電和電場(chǎng)荷電，荷電過(guò)程復(fù)雜且細(xì)顆粒物易受到氣流擾動(dòng)的影響；其次由于電暈放電過(guò)程中，高壓放電電離出的離子在電場(chǎng)的作用下被庫(kù)侖力加速，對(duì)極板間氣流起擾動(dòng)作用并形成離子風(fēng)，影響了電除塵器內(nèi)流場(chǎng)及顆粒物運(yùn)動(dòng)規(guī)律[3-4]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于離子風(fēng)的研究主要是實(shí)驗(yàn)和理論兩方面：Seishu[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察了除塵器內(nèi)的電暈電流和流場(chǎng)分布，認(rèn)為流向接地電極的空間電流對(duì)離子風(fēng)有影響，影響放電區(qū)周圍的氣流，且放電區(qū)周圍的流場(chǎng)在主氣流流速較低的情況下，離子風(fēng)會(huì)加強(qiáng)氣流的湍流強(qiáng)度；Moreau[6]等人則通過(guò)優(yōu)化電極，采用針網(wǎng)極配方式，分析了在直流放電電暈下產(chǎn)生的離子風(fēng)特性；杜云鵬[7]從提高電極放電強(qiáng)度和減弱離子風(fēng)兩種角度出發(fā)，在前期研究線-孔板的基礎(chǔ)下，設(shè)計(jì)與孔板配合的間斷電極和芒刺電極，提高了對(duì)PM2.5的收集效率；還有部分研究者通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究離子風(fēng)：Zhu Y[8]等人研究了波紋板靜電除塵器和平行板靜電除塵器中細(xì)顆粒的捕集過(guò)程，波紋收塵極板具有更強(qiáng)的電壓-電流特性，平均電場(chǎng)強(qiáng)度和空間電荷密度更高，理論上EHD流動(dòng)更強(qiáng)，而波紋板由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，可以更快地消除EHD流動(dòng)的影響； Hyc A[9]研究了不同波紋波長(zhǎng)、振幅和單位高度體積流量下波紋板的粒子荷電和輸運(yùn)特性；李慶[10]等人設(shè)計(jì)孔板解決了靜電除塵器對(duì)PM2.5收集效率低的問(wèn)題，離子風(fēng)在孔板前被分流，渦旋結(jié)構(gòu)減小，則微細(xì)粉塵受流場(chǎng)干擾作用小于傳統(tǒng)板。

本文在上述研究者基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型波紋-孔板對(duì)其三維數(shù)值研究并與其他三種經(jīng)典板型進(jìn)行比較。相較于經(jīng)典板型，該新型波紋-孔板板型結(jié)合了波紋型板和孔板的優(yōu)勢(shì)，波紋型能在主氣流風(fēng)速較高的情況下，對(duì)主氣流風(fēng)速形成阻力，對(duì)極板附近的氣流產(chǎn)生抑制的作用，回流形成較弱渦旋，減弱顆粒隨氣流逃逸，且板面打孔能減小離子風(fēng)在收塵極板附近形成的渦旋結(jié)構(gòu)，使得電暈線和孔之間形成更加不均勻的場(chǎng)強(qiáng)[3]，進(jìn)而促進(jìn)微細(xì)顆粒物的收集。

1 數(shù)值模型建立

1.1 控制方程

一些研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)除塵器特性進(jìn)行分析，并取得重要結(jié)論。本文建立了除塵器三維模型，計(jì)算基于COMSOL Multiphysics有限元方法模擬得到靜電場(chǎng)、湍流場(chǎng)和顆粒物運(yùn)動(dòng)軌跡的相關(guān)特性，討論離子風(fēng)現(xiàn)象及顆粒在收塵極板附近再夾帶效應(yīng)的影響。用于計(jì)算的各物理場(chǎng)方程及耦合過(guò)程見(jiàn)表1。

表1

1.2 幾何模型及邊界條件

幾何模型及邊界條件，如圖1所示。

數(shù)值模擬時(shí)，其邊界條件見(jiàn)表2，求解區(qū)域邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口為進(jìn)口邊界條件和壓力出口為出口為邊界條件。電暈放電過(guò)程中，定義直流高壓電壓為40 kV，接地電壓為零，其他邊界條件設(shè)置為零通量。

圖1 電除塵器幾何模型

表2 邊界條件匯總

2 數(shù)值模型驗(yàn)證

本文建立的電場(chǎng)求解數(shù)值模擬模型的可靠性通過(guò)與Penny和Matick[13]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，顆粒物速度與Parasram[14]數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，除塵效率與 Kihm[15]數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，結(jié)果均吻合良好。

圖2

3 結(jié)果分析

3.1 電場(chǎng)分布

圖3為電壓40 kV時(shí)，四種板型除塵器內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，選取整個(gè)空間三維截點(diǎn)15×30×15個(gè)，繪制空間電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。

由圖3知，四種板型結(jié)構(gòu)下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布均是電極線附近較強(qiáng)，由于電暈線之間抑制效應(yīng)使得該區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)接近除塵器進(jìn)口和出口處場(chǎng)強(qiáng)值；P型板和O型板由于外部均勻性較好場(chǎng)強(qiáng)分布叫規(guī)則，但O型極板正對(duì)電極方向的場(chǎng)強(qiáng)高于P板，這是因?yàn)殚_(kāi)孔結(jié)構(gòu)使得相同電壓下其電場(chǎng)分布更加不均勻，顆粒物在開(kāi)孔處電流密度大，受電場(chǎng)力作用較強(qiáng)；M-O型板利用開(kāi)孔優(yōu)勢(shì)，使得電場(chǎng)在波谷至波峰有很好的連續(xù)性；綜上可知M-O型板在電場(chǎng)強(qiáng)度分布上影響較大。

圖3

3.2 湍流場(chǎng)分布

在電暈放電過(guò)程中，氣體分子電離成離子，通過(guò)荷電作用使得顆粒物帶上電荷，帶電粒子在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中又與其他空氣分子相互作用，使得空氣氣流擾動(dòng)，這種離子風(fēng)現(xiàn)象[8]使得除塵器內(nèi)流場(chǎng)變化更為復(fù)雜。圖4探究了四種板型在施加40 kV負(fù)高壓、風(fēng)速為0、0.3、0.5 m/s下離子風(fēng)渦旋的變化：

圖4為施加電壓40 kV時(shí)，不同入口風(fēng)速下四種板型電除塵器內(nèi)部湍流場(chǎng)流線圖。當(dāng)入口風(fēng)速為0 m/s時(shí)，二次流影響顯著，四種板型除塵器內(nèi)的渦旋以三根電極線為中心分布12個(gè)渦旋，可以明顯看出四種板型下渦旋的對(duì)稱性存在差異，P型板板面平整且光滑，渦旋范圍較大；波紋M型板，其結(jié)構(gòu)使氣流隨著極板形狀升降，其產(chǎn)生的渦旋較于P型板更小更緊密；而兩種打孔板O型和M-O型板在電極正對(duì)孔區(qū)域受到的電場(chǎng)力作用更強(qiáng)，顆粒物在靠近收塵極板過(guò)程中速度更大，相較于另一邊平板結(jié)構(gòu)，渦旋呈擠壓式排布。隨著主氣流風(fēng)速增加至0.1 m/s時(shí)，流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力增加，氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)渦旋起消除作用，P型板離子風(fēng)渦旋被主氣流擠壓推向收塵極板表面，易導(dǎo)致極板附近離子風(fēng)渦旋速度占據(jù)主導(dǎo)作用，易引起二次揚(yáng)塵；波紋型M型板和M-O型板主氣流經(jīng)過(guò)波紋板頂部后，沿波紋面開(kāi)始下降，其前進(jìn)速度大于沿平行面前進(jìn)的速度,此時(shí)渦旋在向極板方向傾斜，呈一定渦旋角度[12]；打孔O型板能使電極之間被擠壓向收塵極板偏離的離子風(fēng)渦旋消失；一般來(lái)說(shuō)，粒子捕獲可以從以下兩個(gè)方面定性估計(jì):一方面，靠近收塵板的流速越低，顆粒越容易沉積[16-18]，其次帶電粒子的遷移速度也是影響粒子沉積的主要因素之一，圖4(d)M-O型板則利用其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，利用波紋板的漸縮漸擴(kuò)，使得主氣流靠近收塵極板附近區(qū)域阻力增大，電極間離子風(fēng)渦旋壓縮，受力面積減小，不易受主氣流影響，顆粒在此過(guò)程能夠充分荷電，而開(kāi)孔結(jié)構(gòu)使得圓孔周圍仍存在突變電場(chǎng)，電極線和板型之間形成的不均勻場(chǎng)強(qiáng)使得電暈放電劇烈[2]，增強(qiáng)了粒子遷移速度。當(dāng)風(fēng)速增加至0.3 m/s時(shí)，流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力增大，渦旋與主氣流相互作用力逐漸消失；由圖4(a)、(b)看出，P型和M型屬于規(guī)則對(duì)稱的板型渦旋成對(duì)存在同時(shí)也成對(duì)消失；而內(nèi)置打孔結(jié)構(gòu)的O型和M-O型板，在較高流速下合適的開(kāi)孔率使得孔截面處的流速減小，顆粒運(yùn)動(dòng)速度變小，慣性降低，更容易在高風(fēng)速下，在孔板低風(fēng)速區(qū)收集[19]，M-O型板由于波紋結(jié)構(gòu)使得高風(fēng)速情況下，主氣流經(jīng)過(guò)收塵區(qū)域時(shí)阻力大，二次流渦旋坍縮形成于第一與第二根電極線對(duì)應(yīng)極板的孔洞間，在此處增加顆粒物停留時(shí)間，促進(jìn)收塵，待到第三根電極線對(duì)應(yīng)極板附近，渦旋才消失，但流體運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)于其他板型稍有波動(dòng)，這也很好的防止出口處形成二次揚(yáng)塵。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到0.5 m/s時(shí)，四種極板的離子風(fēng)渦旋都被主氣流沖散，M-O型收塵極板附近氣流速度降低的最明顯。

圖4 不同板型不同風(fēng)速下湍流場(chǎng)流線圖

由前文分析可知，離子風(fēng)的強(qiáng)弱和電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，M-O型板內(nèi)離子風(fēng)作用最強(qiáng)，但其利用幾何構(gòu)型，在低風(fēng)速下能夠很好的削弱離子風(fēng)的作用，在高風(fēng)速下利用波紋板產(chǎn)生回流渦旋，增大主氣流速度的阻力，使得顆粒物運(yùn)動(dòng)向著有利于收集的方向發(fā)展。

3.3 粒子軌跡及除塵效率

圖5為M-O型板除塵器內(nèi)顆粒物粒徑10 μm、電壓40 kV、溫度 293.15 K，風(fēng)速為0.3、0.8、1 m/s下顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。M-O型板整體上板型優(yōu)勢(shì)，顆粒向收塵極偏轉(zhuǎn)最強(qiáng)，更快的的達(dá)到其表面，且到達(dá)收塵極板表面處的速度降低，避免孔板處形成二次揚(yáng)塵。

圖5 不同風(fēng)速下M-O型板內(nèi)粒子軌跡

圖6左圖對(duì)比了四種板型在不同主流風(fēng)速下四種板型下顆粒物除塵效率。以P型板除塵效率為基礎(chǔ)，將M型板、O型板、M-O型板與之做比較：低風(fēng)速下，M-O型板的優(yōu)勢(shì)不明顯，但實(shí)際工業(yè)除塵，風(fēng)速控制在0.5 m/s～2 m/s之間，當(dāng)風(fēng)速提高，M-O型板的優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)，其板型能增大主氣流的流動(dòng)阻力，其收塵不僅局限于電極線與極板正面，極板背面面也受到電場(chǎng)力作用，使得顆粒在極板背面也能收集。右圖為風(fēng)速較高時(shí)(1 m/s)，粒徑小于2 μm和大于5 μm時(shí)，M-O型板除塵效率高于其他板型5%～10%；粒徑在2 μm～5 μm時(shí)，M-O型板高于其他板型12%～18%；可見(jiàn)在不同粒徑范圍下，M-O型板的除塵效率均高于其他板型。

圖6 四種板在不同風(fēng)速、不同粒徑下的除塵效率

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了新型波紋-孔板板型的靜電除塵器數(shù)值模型，并與三種經(jīng)典板型的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。對(duì)不同板型條件下離子風(fēng)產(chǎn)生的湍流場(chǎng)、顆粒物的荷電與運(yùn)動(dòng)軌跡及捕集過(guò)程進(jìn)行研究，得出波紋-孔板能有效改善離子風(fēng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及提高了顆粒物收塵效率的結(jié)論。具體分析內(nèi)容如下：

(1)通過(guò)比較經(jīng)典平板(P型)、波紋板(M型)、孔板(O型)的靜電場(chǎng)、湍流場(chǎng)分布、粒子輸運(yùn)軌跡和除塵效率規(guī)律，得出了波紋-孔板(M-O型)在電場(chǎng)分布上與其他三種相較差別并不明顯，在此工況下討論板型的湍流場(chǎng)和顆粒物運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響更具準(zhǔn)確性；

(2)由湍流場(chǎng)流線分布圖知：板型對(duì)流體流動(dòng)存在影響，M-O型板漸縮漸擴(kuò)波紋型，使得主氣流靠近收塵極板附近區(qū)域阻力增大，顆粒物能充分荷電，較高流速下合適的開(kāi)孔率使得孔截面處的流速減小，顆粒運(yùn)動(dòng)速度變小，慣性降低，在高風(fēng)速下粉塵可穿過(guò)孔板在低風(fēng)速區(qū)收集；

(3)由除塵效率圖分析可得：粒徑較大時(shí)，低風(fēng)速情況下M-O型板的優(yōu)勢(shì)并不明顯但隨之主流風(fēng)速的提高，M-O型板的收塵效率沒(méi)有大幅的下降，這是其最大的優(yōu)勢(shì)所在；M-O型板在高風(fēng)速不同粒徑下的除塵效率也明顯高于其他板型。