橫向雙極電除塵器內(nèi)氣流分布

范瑞華，常玉鋒，2，石 零,2

(1.江漢大學(xué)湖北省工業(yè)煙塵污染控制重點實驗室，湖北 武漢 430056；2.江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

1 引言

靜電除塵器是工業(yè)煙塵凈化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高效除塵器，能有效地控制微細(xì)顆粒物排放，以滿足“超低排放”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。靜電除塵器的主要優(yōu)點體現(xiàn)在凈化效率高和運行阻力低等方面，而靜電除塵器內(nèi)的氣流分布對凈化效率和運行阻力均有較大的影響[2，3]，因此有必要研究靜電除塵器內(nèi)的氣流分布特性。常規(guī)靜電除塵器的收塵極板平行于氣流方向，研究側(cè)重于電場內(nèi)氣流均布和降低電暈粒子風(fēng)對二次揚塵的影響以提高除塵效率，以及氣流優(yōu)化以降低系統(tǒng)阻力。而橫向雙極靜電除塵器的收塵極板垂直于氣流方向布置，其主要除塵機理是空氣動力和電場力的復(fù)合收塵作用。本文對橫向雙極電除塵器內(nèi)的氣流分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，分析空氣動力對電場力的增效作用，以促進橫向雙極電除塵技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

2 靜電除塵器內(nèi)帶電粒子的運動

2.1 常規(guī)靜電除塵器內(nèi)帶電粒子的運動軌跡

常規(guī)靜電除塵器內(nèi)氣流運動方向平行與收塵極板，帶電粒子在常規(guī)靜電除塵器內(nèi)的運動軌跡如圖1所示。

圖1 常規(guī)靜電除塵器內(nèi)帶電粒子的運動軌跡

由圖1可知，常規(guī)靜電除塵器內(nèi)，帶電粒子在電場力作用下的驅(qū)進速度(ω)方向垂直于收塵極板，而氣流速度(v)方向為平行于收塵極板，因此驅(qū)進速度和氣流速度方向垂直，二者共同決定了帶電粒子在電場中的運動軌跡，但氣流速度不會改變電場驅(qū)進速度的大小。因此帶電粒子的驅(qū)進速度(ωe)就等于電場力作用下的驅(qū)進速度(ω)。

ωe=ω

(1)

2.2 橫向雙極電除塵器內(nèi)帶電粒子的運動軌跡

橫向極板靜電除塵器的將收塵極板垂直于氣流運動方向布置，含塵氣流垂直沖擊收塵極板，遇到收塵極板的阻擋，形成繞收塵極板的直角流，氣流運動速度(u，v)和電場力作用下的驅(qū)進速度(ω)共同決定了帶電粒子的運動軌跡，橫向極板靜電除塵器內(nèi)收塵極板迎風(fēng)面帶電粒子的運動軌跡如圖2所示。

圖2 極板迎風(fēng)面帶電粒子的運動軌跡

在收塵極板迎風(fēng)面，帶電粒子向收塵極板的驅(qū)進速度(ωe)可以表示為垂直于收塵極板的氣流分速度(v)和電場力作用下的電場驅(qū)進速度(ω)之和：

ωe=v+ω

(2)

而在收塵極板背風(fēng)面，由于存在回流區(qū)，垂直于收塵極板的氣流分速度(v)和電場力作用下的電場驅(qū)進速度(ω)也均朝向收塵極板，故帶電粒子向收塵極板背風(fēng)面的驅(qū)進速度同樣為公式(2)。因此，橫向雙極靜電除塵器內(nèi)帶電粒子向收塵極板的驅(qū)進速度大于單獨電場力作用下的電場驅(qū)進速度，其增加值為氣流速度向垂直于收塵極板的分量，氣流速度越大，驅(qū)進速度增加越明顯。同時也進一步證明了橫向雙極靜電除塵技術(shù)能適應(yīng)于高電場風(fēng)速。

由多依奇(Deutsch)效率[4]公式可知，相對于常規(guī)靜電除塵器，橫向雙極靜電除塵器內(nèi)驅(qū)進速度增加明顯，相同工況條件下除塵效率也會大幅度提升。

3 橫向雙極電除塵器計算模型

3.1 幾何模型

采用COMSOL Multiphysics計算軟件進行模擬計算。由于橫置極板對氣流的強烈擾流作用，橫向雙極電除塵器中氣流運動狀態(tài)為湍流，因此計算選用計算流體力學(xué)(CFD)的湍流模塊[5,6]，其中流體模型選用Navier-Stokes不可壓縮流體(穩(wěn)態(tài)方程)，湍流類型選用RANS模型?？紤]到橫向雙極電極結(jié)構(gòu)的對稱性，在垂直氣流方向上僅選取一個陽極收塵板和一個陰極收塵板，同時為減少運算量及提高運算收斂性，計算中忽略電暈線的影響，只進行二維模擬。采用COMSOL Multiphysics自帶建模工具進行建模和網(wǎng)格劃分，如圖3所示，其中網(wǎng)格劃分采用自由三角形網(wǎng)格。

(a)幾何模型 (b)網(wǎng)格劃分

模型幾何尺寸采用實驗室規(guī)模的實驗裝置，其中收塵極板長度L=100 mm，陽極板和陰極板之間的異極距b=50 mm，極板排數(shù)n=10。

3.2 邊界條件

模型左側(cè)入口采用速度入口邊界，進口風(fēng)速1.0 m/s。模型右側(cè)出口采用壓力出口邊界，壓力值為環(huán)境壓力P=P0。

由于氣流分布的對稱性，模型上下壁面設(shè)置為滑移壁面。模型內(nèi)收塵極板設(shè)置為無滑移壁面。

4 計算結(jié)果與討論

4.1 除塵器內(nèi)速度分布

在1.0 m/s的進口風(fēng)速下，橫向雙極靜電除塵器內(nèi)的速度分布如圖4所示。

圖4 橫向雙極靜電除塵器速度分布

由圖4可知，橫置極板對氣流有強烈的擾流作用，橫向雙極靜電除塵器內(nèi)為典型的紊流，極板兩側(cè)的流速較高，而極板前后區(qū)域的流速相對較低，且在收塵極板的背風(fēng)面存在較大范圍的回流區(qū)，有利于粉塵的充分荷電和沉淀。

氣流通道，異極距中心截面和收塵極板前后等特征斷面的速度分布曲線如圖5所示。

氣流通道的速度呈M雙峰對稱分布，兩側(cè)受收塵極板壁面影響速度為0，遠(yuǎn)離收塵極板后速度急劇增加到最大值，隨后緩慢降低，在極板中心處降至平均風(fēng)速1.0 m/ s。中心截面的速度變化趨勢相對于氣流通道較緩，也呈雙峰對稱分布，但該區(qū)域平均速度均大于2.0 m/s。極板前的速度呈V對稱分布，兩側(cè)速度最大，與氣流通道的速度較為接近，只在極板中心少部分區(qū)域的速度值小于1.0 m/ s，因此收塵極板迎風(fēng)面不利于粉塵的沉積。極板后的速度呈V對稱分布，兩側(cè)速度大中間速度小，且極板中心大部分區(qū)域的速度值小于1.0 m/m，因此收塵極板背風(fēng)面有利于粉塵的沉積。

圖5 不同截面速度分布曲線

4.2 收塵極板附近速度分布

收塵極板附近的氣流擾動容易引起沉積在收塵極板上粉塵的脫落，進而產(chǎn)生二次揚塵現(xiàn)象[7,8]；同時，為驗證氣流分速度對場驅(qū)進速度的增效作用，選取收塵極板前后1 mm，3 mm，5 mm和10 mm等特征斷面分析其速度變化對二次揚塵和驅(qū)進速度的影響。

收塵極板前后不同截面氣流速度及速度分量的變化曲線如圖6所示。

圖6 收塵極板附近速度分布曲線

在收塵極板前極板兩側(cè)區(qū)域離收塵極板越近，其速度越大，主要受擾流氣流的影響較大，擾流氣流在沖擊極板后形成典型的繞直角壁面流動；極板中心區(qū)域離收塵極板越近，其速度越小，也說明極板中心區(qū)域受擾流氣流的影響較小。垂直于極板的速度分量在極板兩側(cè)受擾流影響變化較大，中部的速度波動不大，隨著離極板的距離減小而減小。由于垂直于極板的速度分量(0.1～1.2 m/s)相對于一般工業(yè)粉塵的有效趨近速度(約0.1 m/s)增加明顯。

收塵極板后的速度分布規(guī)律同極板前，極板兩側(cè)區(qū)域受擾流氣流的影響較大，離收塵極板越近速度越大；極板中心區(qū)域離收塵極板越近速度越小，但其速度絕對值遠(yuǎn)小于極板前，且大部分區(qū)域均位于低流速區(qū)。極板中部的速度分量為負(fù)值，說明與氣流運動方向相反，即該區(qū)域為回流區(qū)[9]。垂直于極板的速度分量隨著離極板的距離減小而減小，速度分量的(0.1～0.4 m/s)相對于一般工業(yè)粉塵的有效趨近速度(約0.1 m/s)也有所增加。

5 結(jié)論

(1)理論分析表明，橫向雙極靜電除塵器內(nèi)氣流速度能有效地增加帶電粒子向收塵極板的驅(qū)進速度，其除塵機理主要體現(xiàn)在空氣動力分離和電場力的復(fù)合收塵作用。

(2)收塵極板前垂直于極板的速度分量較大，有利于粉塵向收塵極板的遷移和沉淀，但由于氣流速度較大容易引起二次揚塵，因此在極板選型與設(shè)計中應(yīng)增加防風(fēng)溝。

(3)收塵極板后的速度分量朝向收塵極板，有利于粉塵向收塵極板的遷移和沉淀，同時由于回流作用氣流速度較低，有利于粉塵的充分荷電和沉淀。