新型波纹-孔板对电除尘器性能影响的研究

耿婉婷，贺晓扬，杨振民，黄 超，刘一玮

(河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401)

0 引 言

随着《燃煤电厂大气污染物超低排放技术验证评价规范》(T/CSES 09-2020)正式发布[1]，该标准为电除尘技术作为燃煤电厂超低排放标配技术提供了评价依据，对促进火电行业技术进步、产业绿色发展、工业炉窑和燃煤锅炉的治理以及推进钢铁行业超低排放的改造具有重要意义[2]；进一步改进和研究除尘器性能，以减少工业废气造成的环境污染成为大势所趋。目前静电除尘器在燃煤电厂中得到广泛应用，能高效处理燃煤烟气中10 μm以上大颗粒，但对于PM10以下颗粒物的收尘效率不高，其原因有粒径在0.5～2 μm的颗粒同时存在扩散荷电和电场荷电，荷电过程复杂且细颗粒物易受到气流扰动的影响；其次由于电晕放电过程中，高压放电电离出的离子在电场的作用下被库仑力加速，对极板间气流起扰动作用并形成离子风，影响了电除尘器内流场及颗粒物运动规律[3-4]。

国内外关于离子风的研究主要是实验和理论两方面：Seishu[5]通过实验观察了除尘器内的电晕电流和流场分布，认为流向接地电极的空间电流对离子风有影响，影响放电区周围的气流，且放电区周围的流场在主气流流速较低的情况下，离子风会加强气流的湍流强度；Moreau[6]等人则通过优化电极，采用针网极配方式，分析了在直流放电电晕下产生的离子风特性；杜云鹏[7]从提高电极放电强度和减弱离子风两种角度出发，在前期研究线-孔板的基础下，设计与孔板配合的间断电极和芒刺电极，提高了对PM2.5的收集效率；还有部分研究者通过数值模拟的方法研究离子风：Zhu Y[8]等人研究了波纹板静电除尘器和平行板静电除尘器中细颗粒的捕集过程，波纹收尘极板具有更强的电压-电流特性，平均电场强度和空间电荷密度更高，理论上EHD流动更强，而波纹板由于其独特的结构优势，可以更快地消除EHD流动的影响； Hyc A[9]研究了不同波纹波长、振幅和单位高度体积流量下波纹板的粒子荷电和输运特性；李庆[10]等人设计孔板解决了静电除尘器对PM2.5收集效率低的问题，离子风在孔板前被分流，涡旋结构减小，则微细粉尘受流场干扰作用小于传统板。

本文在上述研究者基础上设计了一种新型波纹-孔板对其三维数值研究并与其他三种经典板型进行比较。相较于经典板型，该新型波纹-孔板板型结合了波纹型板和孔板的优势，波纹型能在主气流风速较高的情况下，对主气流风速形成阻力，对极板附近的气流产生抑制的作用，回流形成较弱涡旋，减弱颗粒随气流逃逸，且板面打孔能减小离子风在收尘极板附近形成的涡旋结构，使得电晕线和孔之间形成更加不均匀的场强[3]，进而促进微细颗粒物的收集。

1 数值模型建立

1.1 控制方程

一些研究者通过实验的方法对除尘器特性进行分析，并取得重要结论。本文建立了除尘器三维模型，计算基于COMSOL Multiphysics有限元方法模拟得到静电场、湍流场和颗粒物运动轨迹的相关特性，讨论离子风现象及颗粒在收尘极板附近再夹带效应的影响。用于计算的各物理场方程及耦合过程见表1。

表1

1.2 几何模型及边界条件

几何模型及边界条件，如图1所示。

数值模拟时，其边界条件见表2，求解区域边界条件设置为速度进口为进口边界条件和压力出口为出口为边界条件。电晕放电过程中，定义直流高压电压为40 kV，接地电压为零，其他边界条件设置为零通量。

图1 电除尘器几何模型

表2 边界条件汇总

2 数值模型验证

本文建立的电场求解数值模拟模型的可靠性通过与Penny和Matick[13]的实验数据相互验证，颗粒物速度与Parasram[14]数据相互验证，除尘效率与 Kihm[15]数据相互验证，结果均吻合良好。

图2

3 结果分析

3.1 电场分布

图3为电压40 kV时，四种板型除尘器内的电场强度分布，选取整个空间三维截点15×30×15个，绘制空间电场强度分布图。

由图3知，四种板型结构下的电场强度分布均是电极线附近较强，由于电晕线之间抑制效应使得该区域场强接近除尘器进口和出口处场强值；P型板和O型板由于外部均匀性较好场强分布叫规则，但O型极板正对电极方向的场强高于P板，这是因为开孔结构使得相同电压下其电场分布更加不均匀，颗粒物在开孔处电流密度大，受电场力作用较强；M-O型板利用开孔优势，使得电场在波谷至波峰有很好的连续性；综上可知M-O型板在电场强度分布上影响较大。

图3

3.2 湍流场分布

在电晕放电过程中，气体分子电离成离子，通过荷电作用使得颗粒物带上电荷，带电粒子在电场力的作用下发生迁移运动，在此过程中又与其他空气分子相互作用，使得空气气流扰动，这种离子风现象[8]使得除尘器内流场变化更为复杂。图4探究了四种板型在施加40 kV负高压、风速为0、0.3、0.5 m/s下离子风涡旋的变化：

图4为施加电压40 kV时，不同入口风速下四种板型电除尘器内部湍流场流线图。当入口风速为0 m/s时，二次流影响显著，四种板型除尘器内的涡旋以三根电极线为中心分布12个涡旋，可以明显看出四种板型下涡旋的对称性存在差异，P型板板面平整且光滑，涡旋范围较大；波纹M型板，其结构使气流随着极板形状升降，其产生的涡旋较于P型板更小更紧密；而两种打孔板O型和M-O型板在电极正对孔区域受到的电场力作用更强，颗粒物在靠近收尘极板过程中速度更大，相较于另一边平板结构，涡旋呈挤压式排布。随着主气流风速增加至0.1 m/s时，流体相对运动阻力增加，气流运动对涡旋起消除作用，P型板离子风涡旋被主气流挤压推向收尘极板表面，易导致极板附近离子风涡旋速度占据主导作用，易引起二次扬尘；波纹型M型板和M-O型板主气流经过波纹板顶部后，沿波纹面开始下降，其前进速度大于沿平行面前进的速度,此时涡旋在向极板方向倾斜，呈一定涡旋角度[12]；打孔O型板能使电极之间被挤压向收尘极板偏离的离子风涡旋消失；一般来说，粒子捕获可以从以下两个方面定性估计:一方面，靠近收尘板的流速越低，颗粒越容易沉积[16-18]，其次带电粒子的迁移速度也是影响粒子沉积的主要因素之一，图4(d)M-O型板则利用其设计优势，利用波纹板的渐缩渐扩，使得主气流靠近收尘极板附近区域阻力增大，电极间离子风涡旋压缩，受力面积减小，不易受主气流影响，颗粒在此过程能够充分荷电，而开孔结构使得圆孔周围仍存在突变电场，电极线和板型之间形成的不均匀场强使得电晕放电剧烈[2]，增强了粒子迁移速度。当风速增加至0.3 m/s时，流体相对运动阻力增大，涡旋与主气流相互作用力逐渐消失；由图4(a)、(b)看出，P型和M型属于规则对称的板型涡旋成对存在同时也成对消失；而内置打孔结构的O型和M-O型板，在较高流速下合适的开孔率使得孔截面处的流速减小，颗粒运动速度变小，惯性降低，更容易在高风速下，在孔板低风速区收集[19]，M-O型板由于波纹结构使得高风速情况下，主气流经过收尘区域时阻力大，二次流涡旋坍缩形成于第一与第二根电极线对应极板的孔洞间，在此处增加颗粒物停留时间，促进收尘，待到第三根电极线对应极板附近，涡旋才消失，但流体运动速度相对于其他板型稍有波动，这也很好的防止出口处形成二次扬尘。当风速达到0.5 m/s时，四种极板的离子风涡旋都被主气流冲散，M-O型收尘极板附近气流速度降低的最明显。

图4 不同板型不同风速下湍流场流线图

由前文分析可知，离子风的强弱和电场强度有关，M-O型板内离子风作用最强，但其利用几何构型，在低风速下能够很好的削弱离子风的作用，在高风速下利用波纹板产生回流涡旋，增大主气流速度的阻力，使得颗粒物运动向着有利于收集的方向发展。

3.3 粒子轨迹及除尘效率

图5为M-O型板除尘器内颗粒物粒径10 μm、电压40 kV、温度 293.15 K，风速为0.3、0.8、1 m/s下颗粒物的运动轨迹图。M-O型板整体上板型优势，颗粒向收尘极偏转最强，更快的的达到其表面，且到达收尘极板表面处的速度降低，避免孔板处形成二次扬尘。

图5 不同风速下M-O型板内粒子轨迹

图6左图对比了四种板型在不同主流风速下四种板型下颗粒物除尘效率。以P型板除尘效率为基础，将M型板、O型板、M-O型板与之做比较：低风速下，M-O型板的优势不明显，但实际工业除尘，风速控制在0.5 m/s～2 m/s之间，当风速提高，M-O型板的优势展现，其板型能增大主气流的流动阻力，其收尘不仅局限于电极线与极板正面，极板背面面也受到电场力作用，使得颗粒在极板背面也能收集。右图为风速较高时(1 m/s)，粒径小于2 μm和大于5 μm时，M-O型板除尘效率高于其他板型5%～10%；粒径在2 μm～5 μm时，M-O型板高于其他板型12%～18%；可见在不同粒径范围下，M-O型板的除尘效率均高于其他板型。

图6 四种板在不同风速、不同粒径下的除尘效率

4 结束语

本文建立了新型波纹-孔板板型的静电除尘器数值模型，并与三种经典板型的模拟结果进行了比较。对不同板型条件下离子风产生的湍流场、颗粒物的荷电与运动轨迹及捕集过程进行研究，得出波纹-孔板能有效改善离子风运动规律及提高了颗粒物收尘效率的结论。具体分析内容如下：

(1)通过比较经典平板(P型)、波纹板(M型)、孔板(O型)的静电场、湍流场分布、粒子输运轨迹和除尘效率规律，得出了波纹-孔板(M-O型)在电场分布上与其他三种相较差别并不明显，在此工况下讨论板型的湍流场和颗粒物运动规律影响更具准确性；

(2)由湍流场流线分布图知：板型对流体流动存在影响，M-O型板渐缩渐扩波纹型，使得主气流靠近收尘极板附近区域阻力增大，颗粒物能充分荷电，较高流速下合适的开孔率使得孔截面处的流速减小，颗粒运动速度变小，惯性降低，在高风速下粉尘可穿过孔板在低风速区收集；

(3)由除尘效率图分析可得：粒径较大时，低风速情况下M-O型板的优势并不明显但随之主流风速的提高，M-O型板的收尘效率没有大幅的下降，这是其最大的优势所在；M-O型板在高风速不同粒径下的除尘效率也明显高于其他板型。