磁场作用下烟气流速对静电旋风除尘器收集微粒影响的模拟研究*

张建平 江泽馨 车 鹏 刘 银

(1. 上海理工大学机械工程学院，上海 200093；2.上海电力大学能源与机械工程学院，上海 200090)

旋风除尘器是一种被广泛应用的除尘设备，其结构简单，制造容易，能用于高温、高压的环境中，对大颗粒粉尘有较高的除尘效率[1]。2017年5月，我国发布了《电除尘器性能试验方法》(GB/T 13931—2017)以满足当前燃煤电厂颗粒物排放控制的需要以及除尘设备改造升级的需求。可见，传统的旋风除尘器已逐渐无法适应烟尘排放控制的新要求[2]。因此，提高旋风除尘器的除尘效率，对除尘领域的发展将具有重要意义。

静电旋风除尘器(ECP)最早诞生于美国，通过在旋风除尘器排气管中心添设一根放电极来抑制粉尘随气流的逸出[3]，适合在高温、高颗粒浓度环境下实现气体和固体颗粒分离[4]。ECP中电晕电极的数量和位置会影响静电场的强化效果，从而影响旋风除尘器的除尘效率[5-6]。杜胜男等[7]通过实验比较了接地极雾化电晕放电旋风除尘器和传统旋风除尘器的性能，发现接地极雾化电晕放电旋风除尘器的分级效率比传统旋风除尘器提高15%。此外，DIETZ等[8]发现逆流式ECP内的静电力随气体流速的降低而增大。BOERICKE等[9]证明了当ECP内气流速度较低时，粉尘在其中的滞留时间增加，此时静电力发挥主导性作用，除尘效率得到大幅提高。LI等[10]建立了ECP单相准三维湍流的k-ε模型，得出了一定条件下ECP内三维速度数值模拟结果并经过了实验验证，为ECP设备的深入研究提供了理论支持。CAI等[11]利用五孔球形探针系统对直筒式ECP模型的三维流场进行了测定与分析，得知供电电压的大小对流场分布形状影响较小，但对3个方向气流速度的影响较明显，验证了入口风速、供电电压、筒体直径变化时ECP内气流速度的增减趋势。资新运等[12]在总结前人研究成果基础上设计了电晕式ECP，发现该ECP对低速、小粒径颗粒物的除尘效果比高速、大粒径颗粒物更好。

磁控电除尘技术是利用磁场对携带电荷的运动颗粒产生洛伦兹力来控制其运动方向，将这一原理运用于ECP的设计和改造，会成为除尘领域的一个突破口。MOON等[13]发现采用电磁场进行的磁约束电晕放电方式能有效脱除有害气体。WANG等[14]通过分析磁场对带电颗粒的影响，证明了在一定范围的磁场感应强度下洛伦兹力对颗粒的运动起主导作用。胡毅飞[15]利用洛伦兹力改变带电粒子运动轨迹的原理，提出了可行的电磁除尘器结构模型。ZHANG等[16]通过数值模拟验证了磁场可以提升静电除尘器的捕集性能。

综上所述，ECP在理论和实验研究方面已经取得了一定的进展，但是通过引入磁场来分析外涡型ECP的除尘机理，并对有无磁场环境中除尘效率随烟气流速的变化规律进行对比分析的研究鲜有开展。因此，本研究对外加磁场环境下ECP的除尘机理进行了探索，建立了磁场环境下气体流场、电场和微粒动力场的多场耦合理论模型，模拟和分析了不同烟气流速下外涡型ECP的除尘效率。

1 磁场作用机理与物理模型

粉尘微粒进入ECP后，首先在荷电区荷电，然后具有初速度的荷电微粒在电场力的作用下沿抛物线轨迹向收尘极运行，最终被吸附于收尘极上，但是部分微粒由于初速度过大会从集尘区逸出。引入磁场后，粉尘微粒在电场力和洛伦兹力的联合作用下做螺旋运动，大大延长了微粒在ECP中停留的时间，改变了微粒撞击收尘极的运动方向，使其更容易被收尘极捕集，从而抑制微粒的逃逸，达到提高除尘效率的目的[17]。

三维外涡型ECP的结构参数见表1，物理模型如图1所示。在ECP电晕极线上施加负高压，电场力方向指向器壁，电子向器壁运动使微粒带负电，外加磁场使微粒受力发生变化，沿收尘壁方向螺旋运动下行，将较大的颗粒物甩到壁面上并滑向底部排尘口，这时烟气运动到ECP底部转为内圈旋转上行，至顶部排气口排出。

表1 ECP结构参数

图1 磁场作用下ECP物理模型Fig.1 Schematic diagram of ECP physical model under magnetic field

2 数学模型

ECP内的烟气流动满足质量守恒方程(连续性方程)和动量守恒方程(Navier-Stokes方程)，假定模型中烟气不可压缩，并用空气动力学拖曳力和电体积力之和来替代Navier-Stokes方程中的广义源项[18]。

在电晕稳定放电情况下，ECP的电场可由Poisson方程和电流连续性方程电场分布进行描述，数学模型如下：

(1)

(2)

运动电荷周围同时存在着电场和磁场，本研究假设引入的磁场在ECP空间内均匀分布，且大小和方向均不随时间变化，因此不涉及麦克斯韦方程组的求解计算。

此外，在分析ECP内的微粒受力时，由于微粒质量较小，重力可以被忽略，因此只考虑电场力、磁场力以及拖曳力的联合作用，微粒的动量守恒方程如下：

(3)

Fm=QupB

(4)

Fe=QE

(5)

(6)

式中：mp为微粒质量，kg；up为微粒速度，m/s；t为运动时间，s；Fm、Fe、FDj分别为离子受到的磁场力、电场力和拖曳力，N；Q为带电微粒的荷电量，由电场荷电量和扩散荷电量两部分组成，C；B为外加磁感应强度，T；Ap为微粒的迎流面积，m2；ρg为烟气密度，kg/m3；CD为气流和微粒间的阻力系数；uj为烟气速度，m/s。

3 数值求解

3.1 假设条件

为了便于计算，首先对微粒性质进行假定。根据燃煤电厂中的可吸入颗粒物特点，假定微粒为球状物，密度为1 800 kg/m3，粒径范围为0.5～2.5 μm。入射微粒的参数设置详见表2。对烟气性质进行假定，将烟气视为不可压缩流体，所以在Fluent软件中，设定气-固两相流中气相物质为连续介质，由于烟气与粉尘几乎不发生化学反应，故可将烟气简化为空气，烟气压力视为大气压。

表2 入射颗粒的物性参数

3.2 边界条件

ECP需要的求解域边界包括：烟气入口边界、烟气出口边界、排灰口、电晕线表面及电晕线所在轴线。对于排灰口表面，采用无滑移边界条件，壁面粗糙度采用默认值。在近壁面处，黏性作用增强，湍流扩散作用减弱，因而采用标准壁面函数法。ECP入口与出口处的离散相边界条件设为逃逸；将电晕线所在对称轴线定义为Symmetry，不做离散相边界条件的设置，而电晕线表面为反射；排灰口离散相边界条件为捕捉。空间电荷密度为常数，则进口、出口和电晕线表面边界条件设置为ρ=0。ECP的边界条件如表3所示。

3.3 网格无关性验证

为了保证数值模拟的精度，需对ECP的网格进行无关性验证来确定最优网格数。表4显示了不同网格单元数下1 μm微粒的除尘效率及其相对误差。可以看出，随着网格数的增大，除尘效率的相对误差逐渐减小。当网格单元数达到128 357时，相对误差仅为1.55%，可保证计算的精度和速度，因此本研究中网格单元数取128 357。

表3 静电旋风除尘器边界条件1)

表4 ECP网格无关性验证

3.4 可靠性验证

为了保证ECP计算结果的可靠性，选取参考文献[19]中的工况数据进行数值模拟，将模拟结果与文献中的实验数据进行对比验证，得到除尘效率随烟气流速变化的对比曲线如图2所示。可以发现，本研究的数值模拟结果与文献数据吻合较好，这说明根据ECP理论和数值模型可以真实地模拟ECP的除尘性能。

图2 ECP可靠性验证Fig.2 Reliability verification of ECP

4 模拟结果与分析

将划分好的网格文件和用户自定义(UDF)程序导入Fluent软件，数值模拟有无磁场环境中不同烟气流速下微粒的除尘效率，将仿真结果进行对比分析，得到除尘性能变化规律。设定工作电压为50 kV、温度为200 ℃，计算烟气流速分别为2、4、6 m/s，磁场感应强度为0、0.125、0.250、0.375、0.500 T时ECP的分级逃逸率，结果如图3所示。

图3 不同烟气流速下ECP内微粒分级逃逸率Fig.3 Grade escape rate at different gas velocities in ECP

由图3可知，随着微粒粒径的增大，ECP分级逃逸率上升速度先快后慢，直至趋于平缓；同一粒径下，随着磁感应强度的增大，微粒的分级逃逸率不断减小，表明外加磁场可有效促进ECP对微粒的除尘效果。整体看来，烟气流速越大，ECP的分级逃逸率越高。

图4给出了不同烟气流速下ECP内颗粒综合逃逸率随磁感应强度的变化。可以看出，微粒的综合逃逸率均随着烟气流速的等幅提高不断增大，说明烟气流速的提高削弱了ECP的除尘效率，低烟气流速有利于ECP内微粒的捕集；同一烟气流速下，磁约束作用的微粒综合逃逸率相比于无磁约束作用时更小，且随着磁感应强度的增大，磁场对降低微粒综合逃逸率的相对贡献逐步减小，外加磁场在一定程度上促进了ECP对微粒的捕集；相同磁感应强度下，微粒综合逃逸率随着烟气流速的升高而不断升高，低烟气流速下ECP捕集性能更佳。

图4 ECP内微粒综合逃逸率Fig.4 Overall escape rate of fine particals in ECP

5 结 论

外加磁场可明显提高ECP对微粒的捕集性能，在同一烟气流速下，随着磁感应强度的增大，磁场对微粒捕集的促进作用逐渐增大，但增大幅度逐步减小。同一磁感应强度下，微粒综合逃逸率随烟气流速升高而不断增大，说明ECP除尘性能在低烟气流速下更为优越。