查振婷, 張建平

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)所排放的煙氣嚴(yán)重污染了大氣,并影響著人類的健康,因此各國制定了愈來愈嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)來保護(hù)環(huán)境,各種除塵設(shè)備也廣泛應(yīng)用于各個(gè)不同的領(lǐng)域[1]。袋式除塵器具有運(yùn)行穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)[2];濕式靜電除塵器具有耗能小、操作簡單、可以避免二次揚(yáng)塵等優(yōu)點(diǎn)[3-4];旋風(fēng)除塵器具有除塵效率高、阻力小等優(yōu)點(diǎn)[5]。在實(shí)際運(yùn)行中,旋風(fēng)除塵器一般用于捕集粒徑大于5 μm的顆粒,當(dāng)粉塵濃度大于50 mg/m3時(shí),除塵效率可達(dá)80%以上。但是在捕集細(xì)微顆粒物時(shí),旋風(fēng)除塵器的除塵效率并不高,其性能指標(biāo)還遠(yuǎn)不能滿足要求[6]。

靜電旋風(fēng)除塵器(Electrostatic Cyclone Precipitation,ECP)是在排氣管上設(shè)置電暈極,利用離心力和電場力的聯(lián)合作用來分離粉塵顆粒,可以有效提高對(duì)亞微米顆粒物的除塵效率。DIETZ P W[7]在排氣管上設(shè)置電暈極,給出了靜電旋風(fēng)分離器的數(shù)學(xué)模型,討論了靜電旋風(fēng)的除塵效率與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。CHEN C J[8]系統(tǒng)地研究了在各種流速和粒徑下,外加電場對(duì)于旋風(fēng)除塵器除塵效率的影響。資新運(yùn)等人[9]在前人研究成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了電暈式靜電旋風(fēng)除塵器,并通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了靜電旋風(fēng)除塵器對(duì)低速、小粒徑顆粒物的脫除效率比高速、大顆粒要高。PLUCINSKI J[10]的研究也表明,電場力的作用在小粒徑、低風(fēng)速時(shí)很突出。ZHANG J P等人[11]采用FLUENT軟件數(shù)值模擬的方法,對(duì)靜電除塵器中PM10顆粒的脫除效率進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散荷電對(duì)細(xì)微顆粒物的脫除效果很明顯。

綜上所述,旋風(fēng)除塵器目前應(yīng)用較為普遍,將靜電引入旋風(fēng)除塵器以提高除塵效率仍處于試驗(yàn)階段,而探究不同工作參數(shù)下ECP中除塵效率的變化規(guī)律鮮見開展。因此,本文用數(shù)值模擬了工作電壓、煙氣流速、溫度及顆粒粒徑對(duì)外渦型ECP除塵效率的影響,并分析得到了工作參數(shù)對(duì)捕集性能影響的變化規(guī)律。

1 網(wǎng)格模型

為了保證數(shù)值模擬的精度,需要對(duì)外渦型ECP的網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證,以確定最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)。表1為不同網(wǎng)格單元數(shù)下,ECP對(duì)1 μm顆粒的除塵效率及其相對(duì)誤差。由表1可以看出,隨著網(wǎng)格數(shù)的增加,除塵效率的相對(duì)誤差逐漸減小。當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)達(dá)到128 357個(gè)時(shí),相對(duì)誤差僅為1.55%。因此,為了保證計(jì)算的精度和速度,本文采用128 357個(gè)網(wǎng)格單元。該網(wǎng)格數(shù)下ECP的三維網(wǎng)格模型如圖1所示。

表1 ECP網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

圖1 ECP三維網(wǎng)格模型

2 仿真結(jié)果與討論

利用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)不同工作電壓、煙氣流速、溫度以及粒徑參數(shù)下外渦型ECP的除塵效率進(jìn)行數(shù)值仿真,并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析,得到了不同工況下外渦型ECP對(duì)亞微米顆粒的捕集性能的變化規(guī)律。

2.1 工作電壓對(duì)除塵效率的影響

在煙氣流速為4 m/s,溫度為200 ℃的工況下進(jìn)行數(shù)值模擬。工作電壓對(duì)ECP除塵效率的影響如圖2所示。

圖2 不同工作電壓下外渦型ECP的除塵效率曲線

由圖2可以看出,隨著顆粒粒徑的減小,外渦型ECP對(duì)亞微米顆粒的脫除效率在大粒徑范圍內(nèi)緩慢上升,在小顆粒范圍內(nèi)上升的速度加快;隨著工作電壓的增大,ECP的分級(jí)除塵效率逐步增大,這表明高工作電壓使得荷電作用增強(qiáng),從而增強(qiáng)了ECP對(duì)粉塵的捕集效果;相鄰兩條曲線間ECP的分級(jí)除塵效率差值隨著工作電壓的增大而不斷減小,這說明工作電壓越大,對(duì)顆粒捕集性能的貢獻(xiàn)增長幅度越來越小。

2.2 煙氣流速對(duì)除塵效率的影響

當(dāng)工作電壓為50 kV,溫度為200 ℃時(shí),煙氣流速的變化同樣會(huì)對(duì)外渦型ECP的除塵效率產(chǎn)生一定的影響,如圖3所示。

圖3 不同煙氣流速下外渦型ECP的除塵效率曲線

由圖3可以看出,外渦型ECP對(duì)亞微米顆粒的脫除效率隨著顆粒粒徑的增大基本呈下降趨勢,并最終趨于平穩(wěn);隨著煙氣流速的增大,ECP的除塵效率逐漸降低,表明低煙氣流速促進(jìn)了粉塵顆粒的捕集;相鄰兩條曲線的差值隨著煙氣流速的增大而不斷減小,說明煙氣流速越小,對(duì)顆粒捕集性能的增長幅度越大。

2.3 溫度對(duì)除塵效率的影響

設(shè)定煙氣流速為4 m/s,工作電壓為50 kV,溫度對(duì)外渦型ECP的除塵效率的影響見圖4。

圖4 不同溫度下外渦型ECP的除塵效率曲線

由圖4可以看出,在同一溫度下,隨著顆粒粒徑的增大,外渦型ECP對(duì)亞微米顆粒的脫除效率呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢,且降低幅度越來越小,曲線最終趨于平緩;隨著溫度的升高,外渦型ECP的分級(jí)除塵效率逐漸降低,表明高溫不利于粉塵的捕集;相鄰兩條曲線的差值隨著溫度的升高而不斷減小,即ECP的除塵效率降低的幅度在不斷減小,說明溫度越低,對(duì)提升顆粒除塵效率的貢獻(xiàn)增長幅度越大。

3 結(jié) 論

在外渦型旋風(fēng)除塵器的基礎(chǔ)上添加電暈線使顆粒荷電,利用FLUENT軟件數(shù)值模擬不同工作電壓、煙氣流速、溫度下ECP的除塵效率,得出結(jié)論如下。

(1) 在不同的工作電壓、流速和溫度下,外渦型ECP的除塵效率均隨著亞微米顆粒粒徑的增大呈逐漸降低的趨勢,粒徑越小,降低的幅度越大。

(2) 隨著電壓的等幅增大,ECP的分級(jí)除塵效率逐漸升高,且升高的幅度越來越小。這說明電壓越大,外渦型ECP的亞微米顆粒捕集性能越優(yōu);在低工作電壓時(shí),捕集性能的提升幅度更明顯。

(3) 煙氣流速的增大導(dǎo)致了除塵效率的降低,且降低的幅度也逐漸減小。這說明隨著煙氣流速的降低,外渦型ECP的除塵性能逐漸增強(qiáng),且除塵性能的提升幅度也逐步增大。

(4) ECP的分級(jí)除塵效率隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,且逐漸趨于平緩。這說明低溫時(shí)外渦型ECP的亞微米顆粒捕集性能更好,而高溫對(duì)捕集性能的提升作用更加顯著。