微細(xì)粉塵在靜電除塵器中的運動狀態(tài)分析環(huán)境工程

1、微細(xì)粉塵在靜電除塵器中的運動狀態(tài)分析李慶，肖振雷，李海鳳，楊振亞，歐陽瑩 劉志強（河北大學(xué) 靜電研究所，河北 保定，071002）摘要：為了分析線板靜電除塵器中的電流體動力學(xué)過程，利用FEMLAB軟件對電勢泊松方程和電流連續(xù)性方程進(jìn)行聯(lián)立耦合求解，得到線板放電過程中電場強度分布，估算電暈外區(qū)不同粒徑粉塵所受到的電場力；利用Fluent軟件采用動力風(fēng)模擬離子風(fēng)的方法計算放電通道的流場分布，得到空間速度分布圖，并分析了氣流擾動對顆粒物的運動狀態(tài)的影響。結(jié)果表明：利用動力風(fēng)模擬離子風(fēng)流場的分布符合放電環(huán)境下離子風(fēng)的形成過程，該方法可以簡化復(fù)雜的電流體問題。不同粒徑粉塵在電場空間中的運動受到的電場力、

2、離子風(fēng)力隨粒徑大小不同而變化很大。研究結(jié)果對靜電除塵器的改造和設(shè)計有很重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：靜電除塵器；電暈放電；場強分布；數(shù)值模擬；動力風(fēng)；運動狀態(tài)；中圖分類號：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A The Analysis of Fine Dust Motion in Electrostatic PrecipitatorLI Qing,Xiao zhenlei, LI Hai-feng, YANG Zhen-ya, OYANG Ying,Liu zhiqiang (Electrostatic Research Institute, Hebei University, china, Baoding 0

3、71002, china)Abstract：Potential Poisson equation and Current continuity equation are coupled solution by FEMLAB software, using the distribution of electric field strength in wire-plan discharge space to estimate the electric field force on different size dust outside of corona zone; The distributio

4、n of air flowing in discharge channel is simulated by Fluent software. In the process of simulating, the ion wind is instead of the dynamic wind. The velocity distribution in space is obtained. to analyze the effect of the air flowing on dust motion. It is conclusion that the simulated conclusion of

5、 using dynamic wind is fully consistent with the formation of ion wind in discharge space. This approach of numerical simulation can simplify the complex current body issues. Electric field force and ion wind force act on different size dust are different, when they moving in discharge space. It can

6、 provide very important guidance of transformation and the design for ESP. Keywords ：ESP; corona discharge; field distribution; numerical simulation; dynamical wind；state of motion；靜電除塵器是處理大氣顆粒物污染的有效手段，對于大粒徑粉塵收集效率能穩(wěn)定在99.9%，而對數(shù)量上占據(jù)多數(shù)的微細(xì)粉塵收集效率卻不高。目前的研究熱點集中在提高除塵器對微細(xì)粉塵的收集效率上。根據(jù)除塵效率的經(jīng)典公式多依奇公式可知，提高除塵效率的手段

7、，有多種方法1-3，對于特定的被處理物來講，在得到相同的處理效率下，如果我們提高了顆粒物在電場中的驅(qū)進(jìn)速度，可以相應(yīng)的減少收塵極板的板面積，這就意味著減少了除塵器的體積，降低了除塵器的鋼材用量，也就相應(yīng)的提高了除塵器的性價比。而顆粒物在電場中的驅(qū)進(jìn)速度是力作用的結(jié)果，對于微細(xì)粉塵來講，形成驅(qū)進(jìn)速度的主要力包括：電場力，引風(fēng)力，離子風(fēng)力。文章以煤粉靜電除塵器作為研究對象，分析離子風(fēng)力和電場力對電場空間的氣流擾動的影響，從而對顆粒物在電場中的運動狀態(tài)進(jìn)行討論。由于煤粉具有一定的燃爆特性，除塵器的入口濃度上限應(yīng)有所控制。例如20g/m3,換算成體積分?jǐn)?shù)為0.01%，由于煤粉的占空比很低，可以將含塵氣

8、流理想化為單相氣流（空氣），以簡化計算過程。1 物理模型以線板式除塵器為例，在線板除塵器中，進(jìn)入除塵器的含塵氣流經(jīng)過均風(fēng)處理后，垂直于電暈線平面的氣流運動情況，近似對稱，據(jù)此，可以將三維問題簡化為二維問題，建立圖1的放電通道模型。 圖1 放電通道模型 Fig1 Model of Discharge Space本文對單根電暈線放電的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析，計算模型的具體尺寸做如下假設(shè)：電暈線直徑1.2mm，線板距離15cm，通道長度30cm.2.計算結(jié)果分析文章主要分析帶電粉塵沿電暈線指向收塵極板方向的受力，即圖1所示的方向的受力，該方向上的主作用力包括電場力、離子風(fēng)力、被動力為粘滯阻力。2.1電場力

9、 空間電場強度分布利用FEMLAB軟件對電除塵器內(nèi)部的電場分布進(jìn)行數(shù)值模擬。在求解過程中對電勢泊松方程和電流連續(xù)性方程進(jìn)行聯(lián)立耦合，并考慮電場和空間電荷的相互作用的事實，使求解結(jié)果更接近實際情況。電除塵器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，其空間電勢滿足泊松方程（Poisson）與電流連續(xù)性方程4-5： （1）， （2） （3） 式中：，分別為場強的x和y方向分量。與上述方程組對應(yīng)的電場邊界條件為：（1）電暈區(qū)處：；（2）AB線處：；（3）AC，BD線處：；（4）AB，CD線處：.根據(jù)圖1所示的模型，利用有限差分法對電場方程組及邊界條件進(jìn)行離散，在電暈電壓時，求解得到電場強度分布如下： 圖2 空間電場強度分布F

10、ig2 Distribution of Electric Field Strength in Discharge Space由圖2可知，在放電過程中，電暈線附近的電場強度很大，產(chǎn)生明流電暈放電，電場力對電子崩產(chǎn)生的電子的排斥作用，使之迅速遠(yuǎn)離電暈極，使放電極附近始終保持一個較大的電位梯度，這也保證了電暈放電可以持續(xù)進(jìn)行，在線板這一極不均勻的電場中，遠(yuǎn)離電暈區(qū)電場強度將快速下降，進(jìn)入弱場強區(qū)域的電子，電場力作用減弱，加速度減小，而且在碰撞阻力和粘滯阻力的作用下，其速度將快速趨于定值，因此該區(qū)域的高濃度電子將使該區(qū)域的電場強度更加均勻，上述過程是一個正反饋過程，最終使遠(yuǎn)離電暈線區(qū)域的電場強度達(dá)到一

11、個相對穩(wěn)定的值，帶電離子在電場力作用下的運動將帶動氣流流動，最終在放電空間形成一定氣流結(jié)構(gòu)的電流體。估算顆粒物所受電場力電暈放電過程中，電場空間形成兩個區(qū)域，電暈區(qū)和電暈外區(qū)，在電暈區(qū)場強迅速衰減，而電暈外區(qū)場強分布比較均勻，的計算結(jié)果證明了這一點。電場力的作用方向是沿電力線的切線方向，其大小為，與電場強度成正比關(guān)系。由于電暈區(qū)的范圍相對于整個放電通道來講尺度較小，因此，粉塵顆粒的荷電、運動主要發(fā)生在電暈外區(qū)。對于的顆粒，以電場荷電為主，飽和荷電時粉塵荷電量6： （4） 其中，為相對介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)，為粉塵粒徑，為粉塵所在位置的電場強度。粉塵所受電場力為： （5） 對于的顆粒，以擴散荷

12、電為主，飽和荷電時粉塵荷電量6： （6） 其中，為波爾茲曼常數(shù)，;為氣體溫度;為離子濃度，；為電子電量，為氣體離子的平均熱運動速度。粉塵所受的電場力為： （7） 2.2 離子風(fēng)力離子風(fēng)力是放電過程特有的現(xiàn)象，但是測量電場中某一點風(fēng)速的大小和方向是困難的，甚至是不可能實現(xiàn)的。文章利用fluent軟件，以圖2所示的數(shù)值計算模型為基礎(chǔ)，采用在電暈線處設(shè)置合理的動力風(fēng)的方法來模擬放電空間的氣流狀態(tài)。建立模型由于電暈線對上下兩個極板的放電情況完全相同，因此利用鏡像求解法將圖1再次簡化成只分析電暈線上半部分的氣流分布狀態(tài)，如圖3。 圖3 簡化模型Fig3 Simplify Model對電除塵器內(nèi)部流場的分

13、析，不考慮氣流密度的變化，視其內(nèi)部流動為不可壓流動。對放電空間離子風(fēng)的雷諾數(shù)計算可知，區(qū)域內(nèi)的氣流處于湍流狀態(tài)。 控制方程電除塵器內(nèi)部的湍流問題的求解選用標(biāo)準(zhǔn)的雙方程模型，控制方程包括連續(xù)性方程，動量方程，方程和方程。由于除塵器內(nèi)部流動為不可壓，且不考慮用戶自定義源項，所以下述方程和方程均為簡化后的形式7-11。連續(xù)性方程為： （8）動量方程為： （9）方程為： （10） 方程為： （11）其中，為流體密度，為湍動能，為湍動能耗散率，為時均壓力，為層流動力粘性系數(shù)，為湍流動力粘性系數(shù)。 計算結(jié)果及分析根據(jù)國內(nèi)外對離子風(fēng)的研究現(xiàn)狀12-13,文章中在電暈線處設(shè)置75m/s的動力風(fēng)速。為了提高計算

14、速度并達(dá)到更好的收斂效果，在求解計算中將上述方程中的和均設(shè)置為100，而且松弛因子Pressure, Density, Body force,Momentum, Turbulence kinetic Energy, Turbulence Dissipayion Rate, Turbulence viscosity 分別設(shè)置為0.2，0.8，0.8，0.5，03，0.6，0.8。得到離子風(fēng)在電場中的速度矢量分布如圖4。 圖4 空間速度向量分布Fig4 Velocity Distribution in Space當(dāng)射流入射到壁面時就形成了沖擊射流，其影響因素有狹縫寬度，入射面形狀，以及是否受限（即

15、在出口是否有與入射面平行的平面）等，該射流的一般結(jié)構(gòu)分為三個區(qū)域：（一）自由射流區(qū)，（二）滯止區(qū)，（三）壁面射流區(qū)14-15。在滯止區(qū)內(nèi)，氣流運動由軸向迅速轉(zhuǎn)為徑向，產(chǎn)生很大的逆壓力梯度。在該壓力梯度的驅(qū)動下，氣流經(jīng)壁面射流區(qū)，迅速向外流出。所以在電暈線的兩側(cè)形成了如圖4所示的兩個方向相反的雙螺旋漩渦，螺旋漩渦將對沿電力線方向運動的荷電顆粒產(chǎn)生擾動，并對到達(dá)收塵極板上的顆粒進(jìn)行沖刷，該現(xiàn)象與除塵過程中出現(xiàn)二次揚塵的事實相吻合。為了進(jìn)一步認(rèn)識電暈線正對極板方向上速度的分布情況，在計算結(jié)果中定義 即從電暈線指向極板方向的一條線，觀察風(fēng)速在y軸上的變化，如圖5。圖5 方向上的速度分布Fig5 Vel

16、ocity Distribution in direction of x=0從圖5發(fā)現(xiàn)風(fēng)速在電暈極附近短距離內(nèi)迅速衰減，然后緩慢衰減。 離子風(fēng)是電子崩形成過程中，由于電子（離子）對中性分子的碰撞，摩擦等原因而產(chǎn)生的，因此其大小和離子（電子）的運動速度相關(guān)，而離子（電子）的運動速度又和電場強度相關(guān)。由以上的計算可知：放電空間內(nèi)部場強迅速衰減并趨于一個穩(wěn)定的值，當(dāng)電場強度很大時，空氣分子大量離子化，隨之形成的離子風(fēng)速也很大，穩(wěn)定以后，無法實現(xiàn)中性分子的離子化，空間電子數(shù)不再增加，而是與空氣分子碰撞結(jié)合向極板方向運動。所以，離子風(fēng)速在短距離內(nèi)迅速衰減，然后在距電暈線3cm的范圍內(nèi)維持10m/s的速度

17、之后以線性關(guān)系下降直到收塵極板，圖5所示的速度變化趨勢與電場分布趨勢相似，證明，動力風(fēng)模擬離子風(fēng)的方法是可行的。2.2.4離子風(fēng)力估算由流體力學(xué)伯努利方程可知16，流體的運動速度與該處的動壓有如下的關(guān)系： （12）粉塵顆粒所受的離子風(fēng)力： （13）其中， 是指風(fēng)壓（），為粉塵顆粒垂直于氣流方向的截面積，為空氣密度，指風(fēng)速（）。2.3粉塵運動狀態(tài)分析粉塵顆粒在除塵器本體結(jié)構(gòu)中的運動軌跡取決于其受力的大小和方向。本文主要分析了電場力和離子風(fēng)力和粘滯阻力，因粘滯阻力不影響顆粒的運動軌跡，所以分析電場力和離子風(fēng)力兩種力的作用下顆粒的運動軌跡。在電場力的作用下，荷電粉塵沿電暈線指向極板方向的電力線運動，

18、而在離子風(fēng)的作用下，荷電粉塵沿氣流方向做如圖4所示的雙螺旋運動。由于不同粒徑的粉塵在電場中的荷電方式不同，其所受的電場力大小也不同，所以對兩種粒徑粉塵的受力和運動軌跡分別進(jìn)行分析和討論。對于的顆粒，由公式（4）可得，荷電量與電場強度成正比，所以受力與電場強度的平方成正比如式（5）。所受到離子風(fēng)力的大小由式（13）得出與速度的平方成正比。由計算可得顆粒所受電場力和離子風(fēng)力的比值為常數(shù)。即兩種力的作用在同一數(shù)量級（110）。顆粒沿氣流方向的雙螺旋運動被破壞，變?yōu)檠仉姇灳€指向極板方向被拉伸的螺旋運動。如圖5，速度逐漸衰減，即所受離子風(fēng)力不斷減小，同時，電場強度也緩慢衰減，二者的趨勢近似相同，荷電粉塵

19、一直作被拉伸的螺旋運動。直到到達(dá)收塵極板。對于的顆粒，以擴散荷電為主，由式（7）可得，所受電場力與電場強度成正比，所受到離子風(fēng)力的大小由式（13）得出與速度的平方成正比。由計算可得，離子風(fēng)力是電場力的10100倍，所以荷電粉塵主要在離子風(fēng)的作用下沿氣 流方向作雙螺旋運動，直到到達(dá)收塵極板。的荷電顆粒在電場力和離子風(fēng)力的共同作用下，以較大的氣流旋度向收塵極板運動，最終被收塵極板收集而達(dá)到凈化的目的。在該運動過程中，荷電顆粒從荷電到被收集的整個過程中，其運動距離基本沒有變化，離子風(fēng)氣流的指向趨勢也是由放電極到達(dá)收塵極，離子風(fēng)力的作用也加速了荷電顆粒或者是非荷電顆粒的驅(qū)進(jìn)速度，其旋轉(zhuǎn)特性只是改變了顆

20、粒在收塵極板上的附著位置，電場力和離子風(fēng)力的共同作用加大了荷電顆粒的驅(qū)進(jìn)速度，因此只依據(jù)電場荷電量來計算大顆粒粉塵的驅(qū)進(jìn)速度值小于真實值，這也就是除塵器對大顆粒粉塵的收集效率高的原因。的荷電粉塵由于電場力遠(yuǎn)小于離子風(fēng)力，因此該粒徑范圍內(nèi)的粉塵主要隨離子風(fēng)的氣流軌跡運動，在電場中特殊的雙螺旋氣流結(jié)構(gòu)，使微細(xì)粉塵很難到達(dá)收塵極板，也就是很難被收集，其運動過程應(yīng)該是在電場中隨離子風(fēng)氣流運動，并在電場中與其他顆粒進(jìn)行凝并形成大顆粒以后再按照的顆粒運動方式被收集，在電場中存留時間較長，因此其收集效率低。以上從理論上計算和分析了粉塵顆粒在放電空間的受力和運動軌跡，與電除塵器的實際情況相吻合對微細(xì)粉塵的收集

21、效率低，提高微細(xì)粉塵的凝并率而使之成為較大顆粒是提高除塵器收集效率的主要研究方向。 3結(jié)論（1）利用FEMLAB 軟件對放電空間電場強度分布的計算，表明在電暈區(qū)電場強度很大，在電暈外區(qū)以近似線性關(guān)系迅速衰減。（2）離子風(fēng)在電場中形成的流場為沖擊射流模式，流場分布為對稱雙螺旋結(jié)構(gòu)。受擴散荷電影響較大的微細(xì)粉塵將隨電流場作螺旋運動，該現(xiàn)象將嚴(yán)重影響電場對微細(xì)粉塵的收集，進(jìn)而降低靜電除塵器的整體除塵效率。（3）本文對電場力和離子風(fēng)力的計算及結(jié)合荷電粉塵在電場空間運動軌跡的分析方法為靜電除塵器改造與設(shè)計提供了一種新的思路。參考文獻(xiàn)： 1 胡滿銀,雷應(yīng)奇,尹琦等.電除塵器提效節(jié)能除塵效率公式的研究J.環(huán)

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