新型波紋-孔板對電除塵器性能影響的研究

耿婉婷，賀曉揚，楊振民，黃 超，劉一瑋

(河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401)

0 引 言

隨著《燃煤電廠大氣污染物超低排放技術驗證評價規范》(T/CSES 09-2020)正式發布[1]，該標準為電除塵技術作為燃煤電廠超低排放標配技術提供了評價依據，對促進火電行業技術進步、產業綠色發展、工業爐窯和燃煤鍋爐的治理以及推進鋼鐵行業超低排放的改造具有重要意義[2]；進一步改進和研究除塵器性能，以減少工業廢氣造成的環境污染成為大勢所趨。目前靜電除塵器在燃煤電廠中得到廣泛應用，能高效處理燃煤煙氣中10 μm以上大顆粒，但對于PM10以下顆粒物的收塵效率不高，其原因有粒徑在0.5～2 μm的顆粒同時存在擴散荷電和電場荷電，荷電過程復雜且細顆粒物易受到氣流擾動的影響；其次由于電暈放電過程中，高壓放電電離出的離子在電場的作用下被庫侖力加速，對極板間氣流起擾動作用并形成離子風，影響了電除塵器內流場及顆粒物運動規律[3-4]。

國內外關于離子風的研究主要是實驗和理論兩方面：Seishu[5]通過實驗觀察了除塵器內的電暈電流和流場分布，認為流向接地電極的空間電流對離子風有影響，影響放電區周圍的氣流，且放電區周圍的流場在主氣流流速較低的情況下，離子風會加強氣流的湍流強度；Moreau[6]等人則通過優化電極，采用針網極配方式，分析了在直流放電電暈下產生的離子風特性；杜云鵬[7]從提高電極放電強度和減弱離子風兩種角度出發，在前期研究線-孔板的基礎下，設計與孔板配合的間斷電極和芒刺電極，提高了對PM2.5的收集效率；還有部分研究者通過數值模擬的方法研究離子風：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顆粒的捕集過程，波紋收塵極板具有更強的電壓-電流特性，平均電場強度和空間電荷密度更高，理論上EHD流動更強，而波紋板由于其獨特的結構優勢，可以更快地消除EHD流動的影響； Hyc A[9]研究了不同波紋波長、振幅和單位高度體積流量下波紋板的粒子荷電和輸運特性；李慶[10]等人設計孔板解決了靜電除塵器對PM2.5收集效率低的問題，離子風在孔板前被分流，渦旋結構減小，則微細粉塵受流場干擾作用小于傳統板。

本文在上述研究者基礎上設計了一種新型波紋-孔板對其三維數值研究并與其他三種經典板型進行比較。相較于經典板型，該新型波紋-孔板板型結合了波紋型板和孔板的優勢，波紋型能在主氣流風速較高的情況下，對主氣流風速形成阻力，對極板附近的氣流產生抑制的作用，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在收塵極板附近形成的渦旋結構，使得電暈線和孔之間形成更加不均勻的場強[3]，進而促進微細顆粒物的收集。

1 數值模型建立

1.1 控制方程

一些研究者通過實驗的方法對除塵器特性進行分析，并取得重要結論。本文建立了除塵器三維模型，計算基于COMSOL Multiphysics有限元方法模擬得到靜電場、湍流場和顆粒物運動軌跡的相關特性，討論離子風現象及顆粒在收塵極板附近再夾帶效應的影響。用于計算的各物理場方程及耦合過程見表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。

數值模擬時，其邊界條件見表2，求解區域邊界條件設置為速度進口為進口邊界條件和壓力出口為出口為邊界條件。電暈放電過程中，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 數值模型驗證

本文建立的電場求解數值模擬模型的可靠性通過與Penny和Matick[13]的實驗數據相互驗證，顆粒物速度與Parasram[14]數據相互驗證，除塵效率與 Kihm[15]數據相互驗證，結果均吻合良好。

圖2

3 結果分析

3.1 電場分布

圖3為電壓40 kV時，四種板型除塵器內的電場強度分布，選取整個空間三維截點15×30×15個，繪制空間電場強度分布圖。

由圖3知，四種板型結構下的電場強度分布均是電極線附近較強，由于電暈線之間抑制效應使得該區域場強接近除塵器進口和出口處場強值；P型板和O型板由于外部均勻性較好場強分布叫規則，但O型極板正對電極方向的場強高于P板，這是因為開孔結構使得相同電壓下其電場分布更加不均勻，顆粒物在開孔處電流密度大，受電場力作用較強；M-O型板利用開孔優勢，使得電場在波谷至波峰有很好的連續性；綜上可知M-O型板在電場強度分布上影響較大。

圖3

3.2 湍流場分布

在電暈放電過程中，氣體分子電離成離子，通過荷電作用使得顆粒物帶上電荷，帶電粒子在電場力的作用下發生遷移運動，在此過程中又與其他空氣分子相互作用，使得空氣氣流擾動，這種離子風現象[8]使得除塵器內流場變化更為復雜。圖4探究了四種板型在施加40 kV負高壓、風速為0、0.3、0.5 m/s下離子風渦旋的變化：

圖4為施加電壓40 kV時，不同入口風速下四種板型電除塵器內部湍流場流線圖。當入口風速為0 m/s時，二次流影響顯著，四種板型除塵器內的渦旋以三根電極線為中心分布12個渦旋，可以明顯看出四種板型下渦旋的對稱性存在差異，P型板板面平整且光滑，渦旋范圍較大；波紋M型板，其結構使氣流隨著極板形狀升降，其產生的渦旋較于P型板更小更緊密；而兩種打孔板O型和M-O型板在電極正對孔區域受到的電場力作用更強，顆粒物在靠近收塵極板過程中速度更大，相較于另一邊平板結構，渦旋呈擠壓式排布。隨著主氣流風速增加至0.1 m/s時，流體相對運動阻力增加，氣流運動對渦旋起消除作用，P型板離子風渦旋被主氣流擠壓推向收塵極板表面，易導致極板附近離子風渦旋速度占據主導作用，易引起二次揚塵；波紋型M型板和M-O型板主氣流經過波紋板頂部后，沿波紋面開始下降，其前進速度大于沿平行面前進的速度,此時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渦旋消失；一般來說，粒子捕獲可以從以下兩個方面定性估計: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型板則利用其設計優勢，利用波紋板的漸縮漸擴，使得主氣流靠近收塵極板附近區域阻力增大，電極間離子風渦旋壓縮，受力面積減小，不易受主氣流影響，顆粒在此過程能夠充分荷電，而開孔結構使得圓孔周圍仍存在突變電場，電極線和板型之間形成的不均勻場強使得電暈放電劇烈[2]，增強了粒子遷移速度。當風速增加至0.3 m/s時，流體相對運動阻力增大，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型屬于規則對稱的板型渦旋成對存在同時也成對消失；而內置打孔結構的O型和M-O型板，在較高流速下合適的開孔率使得孔截面處的流速減小，顆粒運動速度變小，慣性降低，更容易在高風速下，在孔板低風速區收集[19]，M-O型板由于波紋結構使得高風速情況下，主氣流經過收塵區域時阻力大，二次流渦旋坍縮形成于第一與第二根電極線對應極板的孔洞間，在此處增加顆粒物停留時間，促進收塵，待到第三根電極線對應極板附近，渦旋才消失，但流體運動速度相對于其他板型稍有波動，這也很好的防止出口處形成二次揚塵。當風速達到0.5 m/s時，四種極板的離子風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 不同板型不同風速下湍流場流線圖

由前文分析可知，離子風的強弱和電場強度有關，M-O型板內離子風作用最強，但其利用幾何構型，在低風速下能夠很好的削弱離子風的作用，在高風速下利用波紋板產生回流渦旋，增大主氣流速度的阻力，使得顆粒物運動向著有利于收集的方向發展。

3.3 粒子軌跡及除塵效率

圖5為M-O型板除塵器內顆粒物粒徑10 μm、電壓40 kV、溫度 293.15 K，風速為0.3、0.8、1 m/s下顆粒物的運動軌跡圖。M-O型板整體上板型優勢，顆粒向收塵極偏轉最強，更快的的達到其表面，且到達收塵極板表面處的速度降低，避免孔板處形成二次揚塵。

圖5 不同風速下M-O型板內粒子軌跡

圖6左圖對比了四種板型在不同主流風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，將M型板、O型板、M-O型板與之做比較：低風速下，M-O型板的優勢不明顯，但實際工業除塵，風速控制在0.5 m/s～2 m/s之間，當風速提高，M-O型板的優勢展現，其板型能增大主氣流的流動阻力，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力作用，使得顆粒在極板背面也能收集。右圖為風速較高時(1 m/s)，粒徑小于2 μm和大于5 μm時，M-O型板除塵效率高于其他板型5%～10%；粒徑在2 μm～5 μm時，M-O型板高于其他板型12%～18%；可見在不同粒徑范圍下，M-O型板的除塵效率均高于其他板型。

圖6 四種板在不同風速、不同粒徑下的除塵效率

4 結束語

本文建立了新型波紋-孔板板型的靜電除塵器數值模型，并與三種經典板型的模擬結果進行了比較。對不同板型條件下離子風產生的湍流場、顆粒物的荷電與運動軌跡及捕集過程進行研究，得出波紋-孔板能有效改善離子風運動規律及提高了顆粒物收塵效率的結論。具體分析內容如下：

(1)通過比較經典平板(P型)、波紋板(M型)、孔板(O型)的靜電場、湍流場分布、粒子輸運軌跡和除塵效率規律，得出了波紋-孔板(M-O型)在電場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和顆粒物運動規律影響更具準確性；

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

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