丁厚成 莊丁丁 鄧權(quán)龍 秦浩 包巧云 許媛媛 劉亞凱

（安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，各行業(yè)排放的顆粒污染物對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生了許多不可逆的危害。在國(guó)家政策的影響下，許多企業(yè)開展了對(duì)除塵設(shè)備的超低排放改造，以期實(shí)現(xiàn)針對(duì)細(xì)微顆粒物的控制［1-2］。其中針對(duì)電除塵器的優(yōu)化改造是電除塵行業(yè)的熱點(diǎn)問題，近年來科研人員展開了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，對(duì)線板式電除塵器除塵性能的影響因素進(jìn)行探究。

線板式靜電除塵器的除塵性能受到電極電壓、粉塵的粒徑、含塵氣流的流速、電極半徑、電極和極板的形狀、電極數(shù)量、極板板長(zhǎng)、極板間距等因素影響［3-4］。電極電壓的增加會(huì)提高電除塵器內(nèi)帶電粒子的遷移速度，且會(huì)產(chǎn)生旋渦狀的離子風(fēng)［5］；在入口風(fēng)速＜0.5 m/s時(shí)，電子風(fēng)的作用較大，當(dāng)入口風(fēng)速＞1 m/s時(shí)，電子風(fēng)的作用消失［6］；粉塵粒徑的增大提高了顆粒的荷電量，增大了顆粒所受電場(chǎng)力，從而提高了粉塵捕獲率［7］；極線間距和極板間距的改變也會(huì)影響電場(chǎng)性能，極線間距減小會(huì)降低總表面放電電流的值，提高除塵效率［8-10］，且極線間距與極板間距存在一個(gè)最優(yōu)的比值，此工況下的除塵效率最高［11］。

盡管諸多學(xué)者已經(jīng)對(duì)線板式靜電除塵器進(jìn)行了大量的理論分析與實(shí)驗(yàn)探索，但是對(duì)于線板式電除塵中各參數(shù)對(duì)電場(chǎng)特性和除塵效率的影響趨勢(shì)及其數(shù)值仿真還沒有得到更深入的研究。因此本文基于COMSOL軟件搭建了線板式靜電除塵的二維模型，將靜電場(chǎng)、湍流場(chǎng)和流體粒子追蹤模塊進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合，對(duì)電極電壓、顆粒粒徑、入口風(fēng)速、極板間距、極線間距進(jìn)行數(shù)值模擬分析，明確各參數(shù)對(duì)除塵性能的影響趨勢(shì)，為電除塵器的超低排放改造提供理論設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 電暈?zāi)Ｐ?/h3>

電暈?zāi)Ｐ徒⒌囊罁?jù)是帶電粒子傳輸電流的守恒性，因此模型使用Poisson方程和電流連續(xù)性方程來對(duì)帶電粒子輸運(yùn)問題進(jìn)行求解。在有電流源項(xiàng)的情況下，電暈?zāi)Ｐ偷目刂品匠虨椋?/p>

式中，J為電流密度，A/m2；S為電流源；zq為電荷數(shù)；為離子遷移率，m2/（V·s）；q為空間電荷數(shù)密度，C/m3；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；u為流體速度，m/s；V為電勢(shì)，V；0為真空介電常數(shù)。

1.2 湍流模型

選用流體流動(dòng)湍流模塊中的k-接口進(jìn)行湍流模型的計(jì)算，湍流模型使用質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒的Navier-Stokes方程進(jìn)行求解。

k-湍流模型由湍流動(dòng)能方程和耗散率方程進(jìn)行求解，方程為：

1.3 顆粒運(yùn)動(dòng)、荷電模型

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，對(duì)顆粒位置矢量分量的二階運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，以求得運(yùn)動(dòng)顆粒的位置，計(jì)算方程為：

式中，q為顆粒的位置，m；v為顆粒運(yùn)動(dòng)的速度，m/s；m為顆粒的質(zhì)量，kg；Ft為施加在粒子上的合力，N。

使用Lawless模型對(duì)顆粒上累積的電荷進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

式中，Z為單個(gè)顆粒上累積的電荷數(shù)；c為特性充電時(shí)間；Rf為場(chǎng)引起的無量綱充電速率；Rd為擴(kuò)散傳輸引起的無量綱充電速率；fa為擴(kuò)散充電速率和場(chǎng)充電速率相結(jié)合的函數(shù)；ve為粒子荷電量；vs為粒子的飽和荷電量。

2 模型條件與驗(yàn)證

2.1 幾何模型

使用COMSOL軟件的二維幾何模塊搭建物理場(chǎng)的幾何模型，線板式電除塵模型極板長(zhǎng)度為1 200 mm，板間距設(shè)置為100~600 mm，電極線半徑為2 mm；電極數(shù)量選擇為2~10根，由于確定了電極s入口、出口的距離為150 mm，則對(duì)應(yīng)的電極間距為900~100 mm。網(wǎng)格設(shè)置采取用戶控制網(wǎng)格，對(duì)電極線附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，提高了計(jì)算精度，獲得了較高質(zhì)量的網(wǎng)格模型，同時(shí)降低了計(jì)算成本，二維模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 線板式電除塵二維模型網(wǎng)格劃分

氣流入口設(shè)置在模型的左側(cè)，入口的邊界條件選擇為速度，指定入口的法向流入速度設(shè)置為0.6~2.0 m/s，空氣溫度設(shè)置為293.15 K，壓力設(shè)置為101.3 kPa，電極電壓設(shè)置為20~60 kV，顆粒粒徑設(shè)置為1~5，出口的壓力條件設(shè)置為靜壓；極板和出口的邊界條件設(shè)置為凍結(jié)，當(dāng)粒子碰撞到極板上或出口邊界時(shí)，粒子位置和速度將保持靜止?fàn)顟B(tài)；在出口處設(shè)置粒子計(jì)數(shù)器，以準(zhǔn)確記錄凍結(jié)在出口邊界上粒子的數(shù)量，從而計(jì)算出模型的除塵效率。

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬軟件建立的仿真模型的準(zhǔn)確性，對(duì)電勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。電勢(shì)場(chǎng)選擇PENNEYG W等［12］的研究論文進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽纾簶O板長(zhǎng)度為0.61 m，板間距為0.23 m，電極間距為0.08 m（4根電極），電極直徑為0.002 m。對(duì)收塵極板到第2根電極線的電勢(shì)變化進(jìn)行數(shù)值模型驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。

圖2 收塵極板到第2根電極線的電勢(shì)變化

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 電極電壓對(duì)除塵效率的影響

當(dāng)極板間距與極線間距之比在一定范圍內(nèi)［11］，線板式電除塵器才會(huì)有較好的除塵性能，因此選定極板間距為250 mm、電極間距為180 mm的二維模型進(jìn)行確定電壓、顆粒粒徑、風(fēng)速的數(shù)值模擬計(jì)算。不同電極電壓工況下，線板式電除塵內(nèi)部電勢(shì)分布如圖3所示。較大的電極電壓會(huì)形成較大的電勢(shì)梯度，以提供較好的顆粒荷電條件，實(shí)現(xiàn)較好的收塵效果。

圖3 電勢(shì)場(chǎng)（極板間距為250 mm、電極間距為180 mm）

電壓的提高增加了電場(chǎng)力的作用，如圖4所示。當(dāng)顆粒粒徑為2.5時(shí)，在低電壓工況下，荷電顆粒運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)角度較小，除塵效率較低；在50 kV的電壓工況下，顆粒的捕集效率可達(dá)到100%；當(dāng)電壓為60 kV時(shí)，電場(chǎng)力再次提升，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡偏轉(zhuǎn)角度增大，荷電顆粒全部被收集在收塵極板上，如圖4（e）所示。

圖4 不同電極電壓下2.5 m顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

3.2 顆粒粒徑對(duì)除塵效率的影響

將電極電壓與顆粒粒徑聯(lián)合考慮，進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn)，探究電極線電壓與顆粒粒徑對(duì)除塵效率的影響趨勢(shì)。不同粒徑的捕集效率如圖5所示，由圖可得，電壓為45 kV工況時(shí)，4、5顆粒除塵效率為100%，2.5、3顆粒的除塵效率分別為84%、95.2%，而小粒徑的顆粒除塵效率較低，1顆粒的除塵效率僅有56%。為使風(fēng)速、間距等參量的作用效果更明顯，則需選擇合適的電極電壓和粒徑大小合適的顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。在綜合考慮參數(shù)的影響效果與經(jīng)濟(jì)性因素后，選定電極電壓為45 kV、顆粒粒徑為2.5，進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

圖5 不同粒徑的捕集效率（電壓為20~60 kV）

3.3 入口風(fēng)速對(duì)除塵效率的影響

在選定電極電壓、顆粒粒徑參數(shù)后，對(duì)入口風(fēng)速的大小進(jìn)行調(diào)控，研究分析入口風(fēng)速對(duì)2.5顆粒除塵效率的影響。不同入口風(fēng)速工況下2.5顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示，入口風(fēng)速的增大降低了除塵效率。入口風(fēng)速在0.6~0.8 m/s時(shí)，除塵效率為100%；當(dāng)風(fēng)速為2.0 m/s，除塵效率僅有52.8%。在低風(fēng)速工況下，顆粒在電場(chǎng)中受到電場(chǎng)力的影響時(shí)間加長(zhǎng)，顆粒的運(yùn)行軌跡偏轉(zhuǎn)角度增大，使得除塵性能提高，但由于入口風(fēng)速較低，處理風(fēng)量相應(yīng)也會(huì)較小，不符合實(shí)際生產(chǎn)的運(yùn)行工況；當(dāng)入口風(fēng)速較大時(shí)，顆粒受到流場(chǎng)影響大于電場(chǎng)，由于收塵極板長(zhǎng)度有限，顆粒沒有充分偏轉(zhuǎn)向收塵極板便從出口離開，降低了除塵效率。為保證極板、極線間距對(duì)除塵性能的影響效果明顯，選擇入口風(fēng)速在1.0 m/s的工況作為下一步實(shí)驗(yàn)初始條件。

圖6 不同入口風(fēng)速工況下2.5 m顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

3.4 間距對(duì)除塵效率的影響

電極線間距固定不變，通過改變極板間距分析其對(duì)除塵效率的影響，變極板間距模型示意如圖7（a）所示。選取極板間距200~600 mm工況進(jìn)行研究分析，設(shè)置AB線探究電場(chǎng)性能參數(shù)的變化趨勢(shì)，其中AB線為從入口到出口過電極的直線。

圖7 電除塵尺寸示意

極板間距的改變會(huì)對(duì)電場(chǎng)內(nèi)的電勢(shì)值產(chǎn)生影響。在改變極板間距時(shí)AB線上的電勢(shì)值如圖8所示，極板間距增大，極線上的電勢(shì)大小不會(huì)改變，入口與出口處的電勢(shì)值增大，電極之間的電勢(shì)值提高，電勢(shì)梯度變化的大小明顯降低，數(shù)據(jù)振蕩幅度逐漸減小。

圖8 變極板間距工況AB線上電勢(shì)值

增大極板間距值降低了除塵效率，如圖9所示。當(dāng)極板間距較小時(shí)，由于正負(fù)極之間距離較近，電場(chǎng)力較大，對(duì)顆粒的影響較大，除塵效率較高；當(dāng)極板間距過大時(shí)，流場(chǎng)對(duì)顆粒的作用大于電場(chǎng)，則除塵效率較低。當(dāng)極板間距為200 mm時(shí)，除塵效率為100%；當(dāng)極板間距為250 mm時(shí)，顆粒捕集效率為84%。考慮到極線間距對(duì)除塵效率的影響效果，選擇極板間距為250 mm作為下一步實(shí)驗(yàn)的研究工況。

圖9 極板間距對(duì)2.5 m顆粒除塵效率的影響

確定極板間距之后，通過改變極線間距分析其對(duì)除塵效率的影響，變極線間距模型示意如圖7（b）所示。電勢(shì)值會(huì)隨著電極間距的改變而改變，如圖10所示，電極間距增大，電極之間電勢(shì)值不斷減小，電勢(shì)梯度變化的值增大，數(shù)據(jù)振蕩幅度增大，但入口和出口的電勢(shì)大小不變，且電極線上的電勢(shì)值保持恒定。

圖10 變極線間距工況AB線上電勢(shì)值

圖11 極線間距對(duì)2.5 m顆粒除塵效率的影響

4 結(jié)論

1）增大電極電壓會(huì)產(chǎn)生較大的電勢(shì)梯度，提高了顆粒捕集效率；增大顆粒粒徑會(huì)增大荷電顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的偏轉(zhuǎn)角度，提高顆粒的捕集效率，對(duì)2.5顆粒在電壓為45 kV工況時(shí)，顆粒捕集效率為84%。

2）在較低風(fēng)速工況下，荷電顆?？梢猿浞质艿诫妶?chǎng)力影響，除塵效率較高；而在較高風(fēng)速工況時(shí)，風(fēng)流對(duì)荷電顆粒的作用力大于電場(chǎng)，除塵效率較低。

3）極板間距的增大，增大了電極之間的電勢(shì)值，提高了入口、出口的電勢(shì)值；極線間距的增大，降低了電極之間的電勢(shì)值，不改變?nèi)肟?、出口的電?shì)值；極板、極線間距的增大，降低了除塵效率。