电除尘器中离子风对除尘效果的影响

胡建华，潘洋洋



电除尘器中离子风对除尘效果的影响

胡建华，潘洋洋

（海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033）

研究电除尘器中离子风对除尘过程的影响。分析电除尘器中离子风对除尘效果的影响，建立完整的颗粒荷电模型，在Fluent软件平台上进行计算。离子风在电极线附近呈双螺旋结构，正对电极线位置的离子风速度最大，在远离电极线的方向上逐渐变小，越靠近电极线，速度下降的梯度越大，对流场有扰动作用，随流速增加，离子风效应被逐渐削弱。当主流速小于等于0.5 m/s时，离子风体现为增大驱进速度，颗粒更快到达极板，有利于改善除尘效率。电极线的偏置可以提高除尘效率，当电极线置于电场宽度方向1/4处时，可以获得最佳除尘效果。

离子风；电除尘器；电极线偏置；Fluent

静电除尘是一种高效的颗粒捕集技术，也是大气污染控制的主要手段[1]。随着国家排放标准的提高，对电除尘的研究也越来越受到关注。文中应用数值分析来研究离子风对除尘过程的影响。

离子风的本质是带电粒子在电场力作用下对流场的扰动。现有研究文献表明，离子风既利于提高驱进速度，也增加了气流不均匀性，易于引起二次扬尘，形态方面，在电极线周围呈双螺旋结构。李庆[2]等人通过实验和数值模拟得到了运行电压与电晕电流、电晕风风速之间的关系，分析了场强分布与离子风风速变化的联系，即在由放电极向收尘极的小范围内，风速衰减梯度很大，随后近似于线性减小。沈欣军[3]等人采用PIV技术分别比较了正负电晕放电下的流场变化，发现示踪粒子的运动明显受到离子风的影响，对层流有增速作用。随着电压的增加，原来的层流变为了湍流，最后出现了对称的旋涡，正负压下的运动状态差异不大，线电极间距增大后，由于干扰变小，旋涡更均匀。Longnan Li[4]等人建立针—管式实验模型，考察了运行电压、极间距、管直径与离子风风速的相关性，发现电压越高，风速越大；放电尖端到圆管端面存在最佳距离使得离子风速最大；管径越大，风速越小。由此，可以考虑优化除尘器中电极的布置来抑制离子风造成的二次扬尘。

目前学者对电除尘器流场优化研究得比较多[5]，离子风也仅局限于本体的研究[6]，颗粒荷电往往采用简化模型。因此，文中完全考虑颗粒的电场荷电与扩散荷电，建立随时间变化的荷电模型，结合收尘效率来研究离子风对流场、对颗粒运动的影响。

1 模型描述与数值分析方法

1.1 模型描述

构建线板式单通道几何模型，基本参数：收尘极板长度为600 mm、极板间距为200 mm，电晕极直径为5 mm。电极线之间相距125 mm，最左侧Inlet为烟尘进口，最右侧Outlet为出口，中间两根电极线通直流高压，与电极线相对的是收尘极板，结构如图1所示。

图1 几何模型

1.2 气相控制方程

实际的电除尘器内部烟尘流动处于紊流状态，其主流控制方程如下。

质量守恒方程为：

动量守恒方程为：

1.3 固相控制方程

在除尘通道中，颗粒的受力情况复杂，包括电场力、曳力、重力、热泳力等，文中只考虑最主要的电场力和曳力。颗粒的运动方程为：

颗粒的荷电分为电场荷电和扩散荷电，文中将两者完全考虑来实现颗粒的荷电。

1.3.1 电场荷电

颗粒进入电场，离子就会在电场力作用下与颗粒发生碰撞，实现荷电，一定条件下的饱和电量为：

荷电量随时间的变化为：

1.3.2 扩散荷电

扩散荷电源于无序的热运动，因为离子热能在不断积累，所以扩散荷电可以一直进行。荷电量随时间的变化为：

1.3.3 总荷电量

对于颗粒的荷电理论，在研究的过程中，很多学者都对其进行了简化处理。大颗粒时考虑电场荷电，忽略扩散荷电；细微颗粒时考虑扩散荷电，忽略电场荷电。M.Robinson提出颗粒一进入电场，电场荷电就达到饱和，再考虑颗粒的扩散荷电，建立了综合荷电模型。文中的研究将颗粒的荷电过程概括为与时间相关的函数：

1.4 电场控制方程

电场由泊松方程和电流连续性方程表达。

1）泊松方程：

如果忽略空间电荷对电势分布的影响，则可以去掉源项，得到：

对电势求梯度得到场强分布：

2）电流连续性方程：

2 结果与讨论

由半经验公式[8]得到电极线表面的离子电荷密度：

在基本工况下，运行电压为60 000 V，入口流速为0时，考察离子在电场力作用下对流场的影响。由图2可知，高电势范围仅分布在电极线附近，电势变化的梯度沿径向越来越小，即空气电离集中发生在电极线表面的电晕区。由图3可知，因为电极线左右的场强方向不同，所以分布着的是两对反向的旋涡结构，与Leonard[11-12]得到的结论相同。离子的运动显著地改变了原来流线的状态，说明离子风效应的存在增强了流场的湍流效应。

图2 电势分布

图3 离子风效应

2.1 离子风对流场的影响

流场的分布直接影响除尘效率，不稳定的流动一般存在高速区和低速区。在低速区里，颗粒的沉积量过大，高速区则会将已沉降颗粒重新带回到电场中，降低除尘效率。不同流速下，离子风效应的气流分布情况如图4所示。针对湍流扩散，参考Gosman等[13]人给出的Random Walk Model；针对离子风，则引用Robinson提出的离子电荷密度与场强之积加载到连续相的源项。

图4 气流分布情况

2.2 离子风对颗粒运动的影响

颗粒的运动主要取决于电场力和曳力的作用，受到离子风效应的影响。在基本工况下，结合除尘效率，考察离子风效应对颗粒运动的干扰情况。不考虑离子风作用时，主流速度为0.2，0.5，0.8 m/s，对应的除尘效率为：100%，30.03%，17.06%；引入离子风作用时，各流速对应的除尘效率为：100%，32.23%，15.00%。可以发现，流速越大，除尘效率越低。流速为0.5 m/s时，离子风效应使得除尘效率提高，该流速下的颗粒轨迹如图5所示。可以看出，离子风促进了颗粒向极板靠近，表现为增大了驱进速度。流速为0.8 m/s时，离子风的加入使得除尘效率下降，表现为离子风对颗粒的扰动，让主流带走更多颗粒。

2.3 电极线偏置对离子风的影响

对于结构的研究，常见于极间距、电极形状[14]和气流均布[15]装置。在本节提出电极线偏置的研究点，考察该结构对离子风的影响。在图3工况的基础上偏置电极线，分别从中心向下偏离25，50，75 mm，得到在基本工况下，流速为0、无颗粒释放时的流线如图6所示。结合图3可以发现，随着放电极偏离中心越来越远，上半部分的旋涡结构逐渐消失；当流速为0.2 m/s，从入口释放颗粒时，计算得到电极线偏置0，25，50，75 mm的除尘效率为：14.09%，15.86%，22.62%，14.59%。电极线偏置50 mm，即位于电场宽度方向1/4处获得最好的除尘效果。由2.2节的分析可知，当流速小于0.5 m/s时，离子风效应有利于促进颗粒沉降。当电极线过于靠近下极板时，沿电场线运动的空气分子会带走极板附近的颗粒，使得颗粒随主流逃离除尘通道，降低了除尘效率。另一方面，在图6b的工况下，以点（0，1），（600，1）建立沿底板的直线，提取该直线上的速度分布，如7所示。可以发现，正对电极线位置的速度最大，在远离电极线的方向上逐渐变小，越靠近电极线，速度下降的梯度越大，与李庆[16]等人的实验结果一致。

图5 颗粒轨迹

图7 壁面速度

3 结论

1）离子风的形态呈双螺旋结构，依附在电极线四周，电压提高，强化离子风效应。主流速度对离子风有抑制作用，随流速增加，旋涡结构慢慢消失。

2）离子风的速度分布与李庆的实验结果一致，正对电极线位置的速度最大，在远离电极线的方向上逐渐变小。

3）离子风对颗粒的捕集存在双面性作用。在该模型中，当流速为0.5 m/s时，表现为提高驱进速度，促进颗粒收集；当流速为0.8 m/s时，旋涡扰动使更多颗粒被主流带走。

4）电极线偏置使得几何上半部分的旋涡消失，流速为0.2 m/s，离子风表现为有利于提高除尘效率。当电极线偏置到电场宽度方向1/4处时，效果最好，除尘效率最高。

[1] 闫克平, 李树然, 郑钦臻, 等. 电除尘技术发展与应用[J]. 高电压技术, 2017, 43(2): 476-487.

[2] 李庆, 李海凤, 孙晓荣, 等. 电晕放电电流体状态实验研究与数值模拟[J]. 高电压技术, 2010, 36(11): 2739-2744.

[3] 沈欣军, 曾宇翾, 郑钦臻, 等. 基于粒子成像测速法的正､负电晕放电下线板式电除尘器内流场测试[J]. 高电压技术, 2014, 40(9): 2757-2763.

[4] LONGNAN L, SEUNG J L, WONJUNG K, et al. An Empirical Model for Ionic Wind Generation by a Needle-to-Cylinder dc Corona Discharge[J]. Journal of Electrostatics, 2015, 73: 125-130.

[5] 王珍, 曹文广, 彭维明. 电除尘器上下游烟道流场分析及优化设计[J]. 环境工程学报, 2016, 10(12): 7183- 7187.

[6] 曾宇翾, 沈欣军, 章旭明, 等. 电除尘器中离子风的实验研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2013, 47(12): 2208-2211.

[7] SKODRAS G, KALDIS S P, SOFIALIDIS D, et al. Particulate Removal via Electrostatic Precipitators- CFD Simulation[J]. Fuel Processing Technology, 2006, 87 (7): 623-631.

[8] 沈恒, 钟方川, 亢燕铭, 等. 两种实际板型下电除尘器中的电流体动力学流动[J]. 高电压技术, 2017, 43(2): 541-546.

[9] 金国淼. 除尘设备[M]. 第一版. 北京: 化学工业出版社, 2002.

[10] 解广润, 陈慈萱. 高压静电除尘[M]. 第一版. 北京: 水利电力出版社出版, 1993.

[11] LEONARD G L, MITCHNER M, SELF S A. Experimental Study of the Effect of Turbulent Diffusion on Precipitator Efficiency[J]. Journal of Aerosol Science, 1982, 13(4): 271-284.

[12] LEONARD G L, MITCHNER M, SELF S A. An Experimental Study of the Electrohydrodynamic Flow in Electrostatic Precipitators[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1983, 127(1): 123-140.

[13] GOSMAN A D, IOANNIDES E. Aspects of Computer Simulation of Liquid Fuelled Combustors[J]. J Energy, 1983, 7: 482-490.

[14] 郭尹亮, 向晓东, 盖龄童. 芒刺电除尘器板电流密度分布及芒刺间距优化[J]. 高电压技术, 2010, 36(4): 1021-1025.

[15] ANANDKUMAR S M, VIJAYKUMAR V N. Numerical Simulation of an Electrostatic Precipitator [J]. International Journal of Engineering Research & Technology, 2014, 3(9): 291-295.

[16] 李庆, 孙玉荣, 刘志强, 等. 静电除尘器离子风研究[J]. 河北大学学报(自然科学版), 2007, 27(5): 483-485.

Influences of Ion Wind in Electrostatic Precipitator on Dust Removal Effect

HU Jian-huaPAN Yang-yang

(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To study the effect of ionic wind on dust removal process in electrostatic precipitators.Effects of ion wind in the electrostatic precipitator on the dust removal effect were analyzed. A complete particle charge model was established and calculated on the Fluent software platform.The ion wind had a double helix structure near the electrode line. The ion wind velocity at the opposite position of the electrode line was the largest. And it gradually decreased in the direction away from the electrode line. The closer to the electrode line, the greater the gradient of the velocity drop is. The ion wind effect was gradually weakened. When the main velocity was less than or equal to 0.5 m/s, the ion wind body was to increase the drive speed, the particles reached the plate faster. It was conducive to improving the efficiency of dust.Electrode line of the bias can improve the efficiency of dust removal. When the electrode line is in the direction of the electric field width of a quarter, the best dust removal effect could be achieved.

ionic wind; electrostatic precipitator; bias of electrode line; Fluent

X702.1

A

1672-9242(2018)03-0076-05

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.016

2017-10-28；

2017-11-30

胡建华（1990—），男，硕士，主要研究方向为静电除尘技术。