管式電除塵器內(nèi)部細(xì)顆粒流動(dòng)數(shù)值模擬

鄭建祥，呂辛桐，唐　晨，康文瑤，周天鶴

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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管式電除塵器內(nèi)部細(xì)顆粒流動(dòng)數(shù)值模擬

鄭建祥，呂辛桐，唐晨，康文瑤，周天鶴

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

為了進(jìn)一步探究電除塵器內(nèi)顆粒的流動(dòng)對(duì)除塵效率的重大影響，采用k-ε湍流模型和離散相模型對(duì)電除塵器內(nèi)部顆粒流動(dòng)進(jìn)行了多組工況的數(shù)值模擬。利用用戶自定義函數(shù)(UDF)編輯電場(chǎng)荷電方程并建立電場(chǎng)受力模型，簡化了模擬流程，并優(yōu)化了模擬數(shù)據(jù)。通過流場(chǎng)與電場(chǎng)的耦合計(jì)算，研究并分析了不同進(jìn)出口風(fēng)速對(duì)、顆粒直徑以及電壓等因素對(duì)除塵效率的影響。結(jié)果表明：電壓和粒徑恒定時(shí)，隨著進(jìn)口風(fēng)速增加，顆粒滯留時(shí)間減少，荷電量不足，顆粒偏移運(yùn)動(dòng)越加不明顯，除塵效率降低。當(dāng)電壓和進(jìn)口風(fēng)速恒定時(shí)，由于粒徑的平方與顆粒荷電量成正比，所以粒徑越大，顆粒荷電量越大，除塵效率變化越高。在進(jìn)口風(fēng)速與粒徑恒定時(shí)，荷電量與電暈電壓成正比，電壓越大，荷電量越大顆粒受電場(chǎng)力而向收塵壁運(yùn)動(dòng)越明顯，從而收塵除塵效率明顯增加。

除塵效率；顆粒；風(fēng)速；電壓；偏移

近些年來，全球范圍內(nèi)的霧霾現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，它對(duì)社會(huì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和人們?nèi)粘Ｉ钜约敖】档戎T多方面有著極其不利的影響。究其來源主要是大型工廠煙氣、灰塵中的細(xì)顆粒。國內(nèi)外研究員們對(duì)于如何提高大型工廠中電除塵器除塵效率的課題已經(jīng)有了比較深入的研究和認(rèn)識(shí)。龍正偉[1]針對(duì)靜電除塵器的模擬建立了三維物理模型，更好的分析電除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布以及顆粒電荷特性與除塵效率的關(guān)系；朱繼保[2]研究了在如何控制二次揚(yáng)塵、優(yōu)化電源、復(fù)合除塵技術(shù)等方面因素來提升除塵效率；Talaie等[3]人提出了一種能夠計(jì)算出電暈極板的半徑增加率和電暈邊緣的離子密度電場(chǎng)計(jì)算模型，同時(shí)還指出了Choi[4]計(jì)算網(wǎng)格太細(xì)，沒有基于基本的物理事實(shí)等不足之處。Ivancsya[5]研究了靜電除塵器內(nèi)多種分散塵粒的特性，采用了多相顆粒的模型，并與單種顆粒的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

本文利用GAMBIT建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將模型導(dǎo)入FLUENT，針對(duì)風(fēng)速、顆粒直徑、電壓等因素進(jìn)行了多組工況的數(shù)值模擬。其中，氣相流場(chǎng)采用了k-ε湍流模型，顆粒相采用DPM模型。利用UDF編輯電場(chǎng)荷電方程，并建立了電場(chǎng)受力模型。UDF編輯成的電場(chǎng)受力模型不僅便捷了模擬流程，而且優(yōu)化了模擬數(shù)據(jù)。針對(duì)電場(chǎng)與流場(chǎng)的耦合計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析三種進(jìn)氣口風(fēng)速，三種顆粒粒徑以及三種電壓下研究顆粒流動(dòng)變化規(guī)律，以及這些規(guī)律對(duì)除塵效率的影響。

1　數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬方法

1.1流場(chǎng)模型

在電除塵器中，除塵是一個(gè)氣固兩相流動(dòng)并相互作用的過程，氣體的流動(dòng)帶著懸浮著的顆粒運(yùn)動(dòng)。湍流流動(dòng)可以通過氣體質(zhì)量守恒方程和氣體動(dòng)量守恒方程來求解。

氣體質(zhì)量守恒方程：

(1)

氣體動(dòng)量守恒方程：

(2)

(3)

1.2電場(chǎng)模型

電除塵器中顆粒荷電方式一般有兩種，一種是擴(kuò)散荷電(主要針對(duì)小于1 μm的顆粒)；另一種是電場(chǎng)荷電(主要作用于大于1 μm的顆粒)。本次主要模擬顆粒粒徑為1 μm，5 μm，10 μm這3種工況。為了簡化模擬過程，忽略顆粒擴(kuò)散荷電的影響。

由于所選擇的物理模型中沒有電場(chǎng)力這個(gè)物理量，所以建立電場(chǎng)受力模型一般有兩種方法。一種是利用FLUENT中隱藏模型中的磁流體模型(MHD)建立電場(chǎng)模型，另一種是UDF編輯電場(chǎng)模型。第一種方法使用復(fù)雜，只能模擬簡單低壓勻電場(chǎng)，不能體現(xiàn)顆粒受電場(chǎng)力的具體變化，局限性較大；第二種UDF編輯的方法是將作用到顆粒上的電場(chǎng)力以電場(chǎng)荷電方程的形式呈現(xiàn)，不僅能調(diào)節(jié)顆粒在空間電荷區(qū)內(nèi)部的所受電場(chǎng)力大小，不再有電壓大小的限制，而且還能體現(xiàn)出不同電場(chǎng)荷電方程中顆粒荷電受力情況。這也使得模擬結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，符合事實(shí)。利用用戶自定義函數(shù)(UDF)編輯電場(chǎng)荷電方程，并建立電場(chǎng)模型的這種方法優(yōu)化便捷了模擬結(jié)果。構(gòu)建電場(chǎng)模型所需要用到電場(chǎng)荷電方程：

(4)

式中：qs為顆粒飽和電量，C；εs為顆粒的相對(duì)介電常數(shù)；dp為顆粒粒徑，μm；E為載入電壓，V；t為荷電時(shí)間，s； μi為離子遷移率，m2/Vs。

1.3顆粒運(yùn)動(dòng)模型

電除塵器中的顆粒之間也存在著力的平衡，并且煙氣中顆粒的體積分?jǐn)?shù)不足10%，完全符合DPM模型的使用條件。在模型中為了更真實(shí)的模擬這一情況，通過利用積分拉式坐標(biāo)下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。顆粒的作用力平衡方程(顆粒慣性=作用在顆粒上的各種力)在笛卡爾坐標(biāo)系下[6-9]的行駛(x方向)為

(5)

其中：FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力，對(duì)于亞觀尺度(直徑在1 μ到10 μ之間)顆粒，Stokes曳力公式是適用的。這種情況下，F(xiàn)D定義為

(6)

其中：dp為顆粒粒徑，m；ρ為顆粒骨架密度，kg/m3；Cc為Stokes曳力公式的Cunninghanm修正(考慮稀薄氣體力學(xué)的顆粒壁面速度滑移的修正)。

2　數(shù)學(xué)物理模型的邊界條件和網(wǎng)格劃分

在電除塵器中，當(dāng)電壓超過起暈電壓時(shí)，內(nèi)部空氣被電離形成大量顆粒自由電子[9]。在電暈電壓的作用下，電子被驅(qū)趕出空間電荷區(qū)。自由電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)碰撞到煙氣中的粉塵顆粒，使得顆粒荷電。在電場(chǎng)中，隨著時(shí)間和電壓的增加顆粒荷電量增加，從而導(dǎo)致帶有負(fù)電荷的顆粒向收塵壁(正極)的偏移運(yùn)動(dòng)更加明顯劇烈，直到顆粒抵達(dá)收塵壁并且被捕集。電除塵器詳細(xì)邊界條件，參考表1所示。

表1 邊界條件

圖1　模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)

本文模擬的是管式靜電除塵器，為了便于數(shù)值模擬的計(jì)算以及模型的對(duì)稱性，所以只選取了一半的模型來劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為460×160。

3　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1湍流模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的模型的正確性，將數(shù)值模擬模型中的一些可變參數(shù)按照Zakariya Al-Hamouz的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]帶入計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出,數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)操作后得出的結(jié)果還是比較相近的，基本上可以符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果要略高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。那是由于現(xiàn)實(shí)中顆粒形狀是不規(guī)則，文中為了便于模擬，把顆粒只假設(shè)成球形顆粒一種，從而增加了一些不規(guī)則形狀的顆粒質(zhì)量增加，半徑變大，使顆粒受到的電場(chǎng)力增加除塵效率變高。雖然分析結(jié)果略高，不過還在標(biāo)定的范圍內(nèi)。

3.2不同的進(jìn)口風(fēng)速對(duì)除塵器集塵效果的影響

對(duì)于電除塵器來說，進(jìn)氣口風(fēng)速大小是影響除塵效率高低的重要因素之一。進(jìn)風(fēng)口對(duì)除塵效率的影響十分明顯,本文分別模擬出不同進(jìn)口風(fēng)速對(duì)除塵效率的影響，如圖2所示。

從圖2(a)中可以看出，在進(jìn)氣口風(fēng)速為0.3 m/s時(shí)的除塵效率隨著顆粒粒徑的增加而增加。這是由于顆粒懸浮于煙氣中，煙氣帶動(dòng)著顆粒運(yùn)動(dòng)。所以，進(jìn)口風(fēng)速的大小決定著顆粒在除塵器內(nèi)部滯留時(shí)間的長短。顆粒如果在電場(chǎng)中滯留時(shí)間增加，那么顆粒與自由電子碰撞的時(shí)間增加，荷電量增加，收到電場(chǎng)力作用變大，顆粒偏移運(yùn)動(dòng)程度增加，更多的粉塵顆粒吸附到除塵壁上，從而導(dǎo)致除塵效率增加，反之亦然。在圖2(a)中，進(jìn)口速度為0.7 m/s和1.2 m/s時(shí)的除塵效率變化趨勢(shì)與進(jìn)口速度0.3 m/s的相同，但是在相同粒徑下風(fēng)速為0.3 m/s的除塵效率明顯高于其他兩條曲線的除塵效率。

粒徑為1 μm-5 μm時(shí)，隨著風(fēng)速的減小，除塵效率在增加。風(fēng)速較低時(shí)，除塵效率上升的趨勢(shì)要高于風(fēng)速較高的，盡管除塵效率上升的較為平緩。當(dāng)粒徑5 μm-10 μm時(shí)，與之前小粒徑變化基本相同；唯一不同的是在粒徑大于5 μm時(shí)，除塵效率上升的幅度較小粒徑增長幅度增大了許多。在圖2(b)、圖2(c)中，變化趨勢(shì)與圖2(a)相同，只是隨著電暈電壓的增大，除塵效率也在增大，在電壓為70 kV時(shí)，進(jìn)口風(fēng)速為0.3 m/s，粒徑大于5 μm的工況下，除塵效率接近100%。

圖2　不同進(jìn)口風(fēng)速對(duì)除塵效率的影響

圖3　不同粒徑對(duì)除塵效率的影響

3.3不同的顆粒粒徑對(duì)除塵器集塵效果的影響

電除塵器中顆粒粒徑的大小對(duì)除塵器的除塵效率高低有著直接影響，下文描繪了三種不同粒徑對(duì)除塵效率的影響，如圖3所示。

在圖3(a)中，進(jìn)口風(fēng)速為0.3 m/s，粒徑為10 μm時(shí)，隨著電暈電壓增大，除塵效率呈現(xiàn)出非線性增加。在粒徑為5 μm和1 μm時(shí)，除塵效率變化相同。對(duì)比三條曲線，明顯可以看出，在電場(chǎng)中大粒徑顆粒的除塵效率要高于小粒徑的。這是由于在電壓和進(jìn)口風(fēng)速恒定的工況下，顆粒荷電量與粒徑大小成正比，粒徑越大荷電量越大，顆粒受到的電場(chǎng)力越大。顆粒偏移運(yùn)動(dòng)越明顯，收塵壁會(huì)捕集到的粉塵顆粒越多，除塵效率就越高，反之同理。從三條曲線隨著電壓增加的變化中還可以看出，在電壓較小的工況下，隨著電壓增加，除塵效率增加的幅度較大。顆粒粒徑越大，這種增幅的變化越大，除塵效率增長越高。當(dāng)電壓增加到較高時(shí)，這種增加的幅度會(huì)越來越小。這種變化趨勢(shì)在粒徑越小的顆粒比較明顯,圖3(b)與圖3(c)的變化趨勢(shì)和圖3(a)基本相同。

3.4不同的電暈電壓對(duì)除塵器集塵效果的影響

電暈電壓是電除塵器除塵的源動(dòng)力。不同的電暈電壓，導(dǎo)致顆粒向X軸偏移的程度也不同,偏移程度影響了除塵效率的高低。

圖4　顆粒向X軸偏移運(yùn)動(dòng)軌跡

在顆粒粒徑為5 μm，進(jìn)口風(fēng)速為0.3 m/s的工況下，描繪了三種電壓下的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡云圖，如圖4所示。從圖4中可以看出，在電壓為20 kV時(shí)顆粒的偏移軌跡變化較小，直到顆粒到達(dá)出口時(shí)的偏移距離不到100 mm;而在電壓為45 kV時(shí)，顆粒的偏移距離超過了100 mm，可見顆粒偏運(yùn)動(dòng)加劇了;在電壓為70 kV時(shí)，顆粒沒能運(yùn)動(dòng)至出口處就完全被收塵壁捕集了。在進(jìn)口風(fēng)速與顆粒粒徑恒定時(shí)，隨著電暈電壓的增加，電場(chǎng)中產(chǎn)生更多的自由電子。當(dāng)自由電子與粉塵顆多次粒碰撞后，粉塵顆粒的荷電量明顯增加，直到飽和。顆粒荷電量越大，受電場(chǎng)力作用越大。從而使得粉塵顆粒與向收塵壁運(yùn)動(dòng)的偏移量增加，收塵壁捕集更多的粉塵顆粒，最后除塵效率增加。

4　結(jié)　　論

本文建立了一個(gè)管式電除塵器的物理模型來模擬顆粒流動(dòng)。通過流場(chǎng)與電場(chǎng)耦合，再模擬計(jì)算出三種不同進(jìn)口風(fēng)速，粒徑以及電暈電壓等因素對(duì)除塵效率的影響，得到如下結(jié)論。

(1)本文利用UDF編輯方程并建立電場(chǎng)模型，簡化了模擬流程，避免了MHD模型的應(yīng)用。此模型還可以模擬高電壓的工況，增加了電壓模擬范圍，消除了MHD模型的局限性，也優(yōu)化了模擬數(shù)據(jù)。在模型驗(yàn)證中，證明了模擬數(shù)據(jù)符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(2)在電暈電壓和顆粒粒徑恒定時(shí)，隨著進(jìn)氣口速度的減小，粉塵顆粒滯留時(shí)間增加，荷電量增加，顆粒受到電場(chǎng)力作用而向收塵壁偏移運(yùn)動(dòng)更加明顯。最終,收塵壁捕集到的粉塵顆粒增加，除塵效率增加。

(3)電暈電壓和進(jìn)口風(fēng)速恒定時(shí)，隨著顆粒粒徑的增大，顆粒荷電量增加，受電場(chǎng)力作用向收塵壁運(yùn)動(dòng)更加劇烈。更多的粉塵顆粒吸附到收塵壁，電除塵器除塵效率增加，并呈現(xiàn)出非線性的增加的趨勢(shì)。粉塵顆粒粒徑越大，除塵效率增加的趨勢(shì)越明顯。

(4)在顆粒粒徑和進(jìn)口風(fēng)速恒定時(shí)，電暈電壓越大，粉塵顆粒與電子碰撞次數(shù)越多，顆粒荷電量越大，直至飽和。相對(duì)的顆粒向收塵壁偏移的距離越大，收塵壁捕集粉塵顆粒越多，除塵效率增加。

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Tube Type Electric Precipitator Internal Flow Numerical Simulation of Fine Particles

ZHENG Jian-xiang，LV Xin-tong，TANG Chen，KANG Wen-yao，ZHOU Tian-he

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

In order to further explore the influence of particle flow on the dust removal efficiency，the numerical simulation of the internal particle flow in electrostatic precipitator is carried out by using the turbulent model and discrete phase model.By using the user defined function (UDF) to edit the electric field charge equation and to establish the force model of the electric field，the simulation process is simplified，and the simulation data is optimized.Through the coupling calculation of the flow field and the electric field，the influence of different inlet and outlet velocity，particle diameter and voltage on the dust removal efficiency is studied and analyzed.The results show that when the voltage and the particle size fixed，increase of inlet velocity and decrease of the particles residence time lead to insufficient charge.Particle migration movement has become increasingly obvious，and dust removal efficiency is lower than before.Because the square of the particle size is proportional to the charge quantity，so the bigger the particle size is，the bigger the charge quantity is，and the higher the dust removal efficiency is.When the inlet velocity and particle size is constant，the voltage is greater，the greater the charge.Electric force of particles to dust wall motion is more obvious，so dust removal efficiency increased significantly.

Dust removal efficiency；Particle；velocity；Voltage；Deviation

2016-04-12

鄭建祥(1977-)，男，福建省建甌市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，博士，主要研究方向：氣固兩相流動(dòng).

1005-2992(2016)04-0067-06

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