磁場作用下煙氣流速對靜電旋風除塵器收集微粒影響的模擬研究*

張建平 江澤馨 車 鵬 劉 銀

(1. 上海理工大學機械工程學院，上海 200093；2.上海電力大學能源與機械工程學院，上海 200090)

旋風除塵器是一種被廣泛應用的除塵設備，其結構簡單，制造容易，能用于高溫、高壓的環境中，對大顆粒粉塵有較高的除塵效率[1]。2017年5月，我國發布了《電除塵器性能試驗方法》(GB/T 13931—2017)以滿足當前燃煤電廠顆粒物排放控制的需要以及除塵設備改造升級的需求。可見，傳統的旋風除塵器已逐漸無法適應煙塵排放控制的新要求[2]。因此，提高旋風除塵器的除塵效率，對除塵領域的發展將具有重要意義。

靜電旋風除塵器(ECP)最早誕生于美國，通過在旋風除塵器排氣管中心添設一根放電極來抑制粉塵隨氣流的逸出[3]，適合在高溫、高顆粒濃度環境下實現氣體和固體顆粒分離[4]。ECP中電暈電極的數量和位置會影響靜電場的強化效果，從而影響旋風除塵器的除塵效率[5-6]。杜勝男等[7]通過實驗比較了接地極霧化電暈放電旋風除塵器和傳統旋風除塵器的性能，發現接地極霧化電暈放電旋風除塵器的分級效率比傳統旋風除塵器提高15%。此外，DIETZ等[8]發現逆流式ECP內的靜電力隨氣體流速的降低而增大。BOERICKE等[9]證明了當ECP內氣流速度較低時，粉塵在其中的滯留時間增加，此時靜電力發揮主導性作用，除塵效率得到大幅提高。LI等[10]建立了ECP單相準三維湍流的k-ε模型，得出了一定條件下ECP內三維速度數值模擬結果并經過了實驗驗證，為ECP設備的深入研究提供了理論支持。CAI等[11]利用五孔球形探針系統對直筒式ECP模型的三維流場進行了測定與分析，得知供電電壓的大小對流場分布形狀影響較小，但對3個方向氣流速度的影響較明顯，驗證了入口風速、供電電壓、筒體直徑變化時ECP內氣流速度的增減趨勢。資新運等[12]在總結前人研究成果基礎上設計了電暈式ECP，發現該ECP對低速、小粒徑顆粒物的除塵效果比高速、大粒徑顆粒物更好。

磁控電除塵技術是利用磁場對攜帶電荷的運動顆粒產生洛倫茲力來控制其運動方向，將這一原理運用于ECP的設計和改造，會成為除塵領域的一個突破口。MOON等[13]發現采用電磁場進行的磁約束電暈放電方式能有效脫除有害氣體。WANG等[14]通過分析磁場對帶電顆粒的影響，證明了在一定范圍的磁場感應強度下洛倫茲力對顆粒的運動起主導作用。胡毅飛[15]利用洛倫茲力改變帶電粒子運動軌跡的原理，提出了可行的電磁除塵器結構模型。ZHANG等[16]通過數值模擬驗證了磁場可以提升靜電除塵器的捕集性能。

綜上所述，ECP在理論和實驗研究方面已經取得了一定的進展，但是通過引入磁場來分析外渦型ECP的除塵機理，并對有無磁場環境中除塵效率隨煙氣流速的變化規律進行對比分析的研究鮮有開展。因此，本研究對外加磁場環境下ECP的除塵機理進行了探索，建立了磁場環境下氣體流場、電場和微粒動力場的多場耦合理論模型，模擬和分析了不同煙氣流速下外渦型ECP的除塵效率。

1 磁場作用機理與物理模型

粉塵微粒進入ECP后，首先在荷電區荷電，然后具有初速度的荷電微粒在電場力的作用下沿拋物線軌跡向收塵極運行，最終被吸附于收塵極上，但是部分微粒由于初速度過大會從集塵區逸出。引入磁場后，粉塵微粒在電場力和洛倫茲力的聯合作用下做螺旋運動，大大延長了微粒在ECP中停留的時間，改變了微粒撞擊收塵極的運動方向，使其更容易被收塵極捕集，從而抑制微粒的逃逸，達到提高除塵效率的目的[17]。

三維外渦型ECP的結構參數見表1，物理模型如圖1所示。在ECP電暈極線上施加負高壓，電場力方向指向器壁，電子向器壁運動使微粒帶負電，外加磁場使微粒受力發生變化，沿收塵壁方向螺旋運動下行，將較大的顆粒物甩到壁面上并滑向底部排塵口，這時煙氣運動到ECP底部轉為內圈旋轉上行，至頂部排氣口排出。

表1 ECP結構參數

圖1 磁場作用下ECP物理模型Fig.1 Schematic diagram of ECP physical model under magnetic field

2 數學模型

ECP內的煙氣流動滿足質量守恒方程(連續性方程)和動量守恒方程(Navier-Stokes方程)，假定模型中煙氣不可壓縮，并用空氣動力學拖曳力和電體積力之和來替代Navier-Stokes方程中的廣義源項[18]。

在電暈穩定放電情況下，ECP的電場可由Poisson方程和電流連續性方程電場分布進行描述，數學模型如下：

(1)

(2)

運動電荷周圍同時存在著電場和磁場，本研究假設引入的磁場在ECP空間內均勻分布，且大小和方向均不隨時間變化，因此不涉及麥克斯韋方程組的求解計算。

此外，在分析ECP內的微粒受力時，由于微粒質量較小，重力可以被忽略，因此只考慮電場力、磁場力以及拖曳力的聯合作用，微粒的動量守恒方程如下：

(3)

Fm=QupB

(4)

Fe=QE

(5)

(6)

式中：mp為微粒質量，kg；up為微粒速度，m/s；t為運動時間，s；Fm、Fe、FDj分別為離子受到的磁場力、電場力和拖曳力，N；Q為帶電微粒的荷電量，由電場荷電量和擴散荷電量兩部分組成，C；B為外加磁感應強度，T；Ap為微粒的迎流面積，m2；ρg為煙氣密度，kg/m3；CD為氣流和微粒間的阻力系數；uj為煙氣速度，m/s。

3 數值求解

3.1 假設條件

為了便于計算，首先對微粒性質進行假定。根據燃煤電廠中的可吸入顆粒物特點，假定微粒為球狀物，密度為1 800 kg/m3，粒徑范圍為0.5～2.5 μm。入射微粒的參數設置詳見表2。對煙氣性質進行假定，將煙氣視為不可壓縮流體，所以在Fluent軟件中，設定氣-固兩相流中氣相物質為連續介質，由于煙氣與粉塵幾乎不發生化學反應，故可將煙氣簡化為空氣，煙氣壓力視為大氣壓。

表2 入射顆粒的物性參數

3.2 邊界條件

ECP需要的求解域邊界包括：煙氣入口邊界、煙氣出口邊界、排灰口、電暈線表面及電暈線所在軸線。對于排灰口表面，采用無滑移邊界條件，壁面粗糙度采用默認值。在近壁面處，黏性作用增強，湍流擴散作用減弱，因而采用標準壁面函數法。ECP入口與出口處的離散相邊界條件設為逃逸；將電暈線所在對稱軸線定義為Symmetry，不做離散相邊界條件的設置，而電暈線表面為反射；排灰口離散相邊界條件為捕捉。空間電荷密度為常數，則進口、出口和電暈線表面邊界條件設置為ρ=0。ECP的邊界條件如表3所示。

3.3 網格無關性驗證

為了保證數值模擬的精度，需對ECP的網格進行無關性驗證來確定最優網格數。表4顯示了不同網格單元數下1 μm微粒的除塵效率及其相對誤差。可以看出，隨著網格數的增大，除塵效率的相對誤差逐漸減小。當網格單元數達到128 357時，相對誤差僅為1.55%，可保證計算的精度和速度，因此本研究中網格單元數取128 357。

表3 靜電旋風除塵器邊界條件1)

表4 ECP網格無關性驗證

3.4 可靠性驗證

為了保證ECP計算結果的可靠性，選取參考文獻[19]中的工況數據進行數值模擬，將模擬結果與文獻中的實驗數據進行對比驗證，得到除塵效率隨煙氣流速變化的對比曲線如圖2所示。可以發現，本研究的數值模擬結果與文獻數據吻合較好，這說明根據ECP理論和數值模型可以真實地模擬ECP的除塵性能。

圖2 ECP可靠性驗證Fig.2 Reliability verification of ECP

4 模擬結果與分析

將劃分好的網格文件和用戶自定義(UDF)程序導入Fluent軟件，數值模擬有無磁場環境中不同煙氣流速下微粒的除塵效率，將仿真結果進行對比分析，得到除塵性能變化規律。設定工作電壓為50 kV、溫度為200 ℃，計算煙氣流速分別為2、4、6 m/s，磁場感應強度為0、0.125、0.250、0.375、0.500 T時ECP的分級逃逸率，結果如圖3所示。

圖3 不同煙氣流速下ECP內微粒分級逃逸率Fig.3 Grade escape rate at different gas velocities in ECP

由圖3可知，隨著微粒粒徑的增大，ECP分級逃逸率上升速度先快后慢，直至趨于平緩；同一粒徑下，隨著磁感應強度的增大，微粒的分級逃逸率不斷減小，表明外加磁場可有效促進ECP對微粒的除塵效果。整體看來，煙氣流速越大，ECP的分級逃逸率越高。

圖4給出了不同煙氣流速下ECP內顆粒綜合逃逸率隨磁感應強度的變化。可以看出，微粒的綜合逃逸率均隨著煙氣流速的等幅提高不斷增大，說明煙氣流速的提高削弱了ECP的除塵效率，低煙氣流速有利于ECP內微粒的捕集；同一煙氣流速下，磁約束作用的微粒綜合逃逸率相比于無磁約束作用時更小，且隨著磁感應強度的增大，磁場對降低微粒綜合逃逸率的相對貢獻逐步減小，外加磁場在一定程度上促進了ECP對微粒的捕集；相同磁感應強度下，微粒綜合逃逸率隨著煙氣流速的升高而不斷升高，低煙氣流速下ECP捕集性能更佳。

圖4 ECP內微粒綜合逃逸率Fig.4 Overall escape rate of fine particals in ECP

5 結 論

外加磁場可明顯提高ECP對微粒的捕集性能，在同一煙氣流速下，隨著磁感應強度的增大，磁場對微粒捕集的促進作用逐漸增大，但增大幅度逐步減小。同一磁感應強度下，微粒綜合逃逸率隨煙氣流速升高而不斷增大，說明ECP除塵性能在低煙氣流速下更為優越。