横向双极电除尘器内气流分布

范瑞华，常玉锋，2，石 零,2

(1.江汉大学湖北省工业烟尘污染控制重点实验室，湖北 武汉 430056；2.江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

1 引言

静电除尘器是工业烟尘净化领域广泛应用的高效除尘器，能有效地控制微细颗粒物排放，以满足“超低排放”技术标准[1]。静电除尘器的主要优点体现在净化效率高和运行阻力低等方面，而静电除尘器内的气流分布对净化效率和运行阻力均有较大的影响[2，3]，因此有必要研究静电除尘器内的气流分布特性。常规静电除尘器的收尘极板平行于气流方向，研究侧重于电场内气流均布和降低电晕粒子风对二次扬尘的影响以提高除尘效率，以及气流优化以降低系统阻力。而横向双极静电除尘器的收尘极板垂直于气流方向布置，其主要除尘机理是空气动力和电场力的复合收尘作用。本文对横向双极电除尘器内的气流分布规律进行数值模拟，分析空气动力对电场力的增效作用，以促进横向双极电除尘技术的工业应用。

2 静电除尘器内带电粒子的运动

2.1 常规静电除尘器内带电粒子的运动轨迹

常规静电除尘器内气流运动方向平行与收尘极板，带电粒子在常规静电除尘器内的运动轨迹如图1所示。

图1 常规静电除尘器内带电粒子的运动轨迹

由图1可知，常规静电除尘器内，带电粒子在电场力作用下的驱进速度(ω)方向垂直于收尘极板，而气流速度(v)方向为平行于收尘极板，因此驱进速度和气流速度方向垂直，二者共同决定了带电粒子在电场中的运动轨迹，但气流速度不会改变电场驱进速度的大小。因此带电粒子的驱进速度(ωe)就等于电场力作用下的驱进速度(ω)。

ωe=ω

(1)

2.2 横向双极电除尘器内带电粒子的运动轨迹

横向极板静电除尘器的将收尘极板垂直于气流运动方向布置，含尘气流垂直冲击收尘极板，遇到收尘极板的阻挡，形成绕收尘极板的直角流，气流运动速度(u，v)和电场力作用下的驱进速度(ω)共同决定了带电粒子的运动轨迹，横向极板静电除尘器内收尘极板迎风面带电粒子的运动轨迹如图2所示。

图2 极板迎风面带电粒子的运动轨迹

在收尘极板迎风面，带电粒子向收尘极板的驱进速度(ωe)可以表示为垂直于收尘极板的气流分速度(v)和电场力作用下的电场驱进速度(ω)之和：

ωe=v+ω

(2)

而在收尘极板背风面，由于存在回流区，垂直于收尘极板的气流分速度(v)和电场力作用下的电场驱进速度(ω)也均朝向收尘极板，故带电粒子向收尘极板背风面的驱进速度同样为公式(2)。因此，横向双极静电除尘器内带电粒子向收尘极板的驱进速度大于单独电场力作用下的电场驱进速度，其增加值为气流速度向垂直于收尘极板的分量，气流速度越大，驱进速度增加越明显。同时也进一步证明了横向双极静电除尘技术能适应于高电场风速。

由多依奇(Deutsch)效率[4]公式可知，相对于常规静电除尘器，横向双极静电除尘器内驱进速度增加明显，相同工况条件下除尘效率也会大幅度提升。

3 横向双极电除尘器计算模型

3.1 几何模型

采用COMSOL Multiphysics计算软件进行模拟计算。由于横置极板对气流的强烈扰流作用，横向双极电除尘器中气流运动状态为湍流，因此计算选用计算流体力学(CFD)的湍流模块[5,6]，其中流体模型选用Navier-Stokes不可压缩流体(稳态方程)，湍流类型选用RANS模型。考虑到横向双极电极结构的对称性，在垂直气流方向上仅选取一个阳极收尘板和一个阴极收尘板，同时为减少运算量及提高运算收敛性，计算中忽略电晕线的影响，只进行二维模拟。采用COMSOL Multiphysics自带建模工具进行建模和网格划分，如图3所示，其中网格划分采用自由三角形网格。

(a)几何模型 (b)网格划分

模型几何尺寸采用实验室规模的实验装置，其中收尘极板长度L=100 mm，阳极板和阴极板之间的异极距b=50 mm，极板排数n=10。

3.2 边界条件

模型左侧入口采用速度入口边界，进口风速1.0 m/s。模型右侧出口采用压力出口边界，压力值为环境压力P=P0。

由于气流分布的对称性，模型上下壁面设置为滑移壁面。模型内收尘极板设置为无滑移壁面。

4 计算结果与讨论

4.1 除尘器内速度分布

在1.0 m/s的进口风速下，横向双极静电除尘器内的速度分布如图4所示。

图4 横向双极静电除尘器速度分布

由图4可知，横置极板对气流有强烈的扰流作用，横向双极静电除尘器内为典型的紊流，极板两侧的流速较高，而极板前后区域的流速相对较低，且在收尘极板的背风面存在较大范围的回流区，有利于粉尘的充分荷电和沉淀。

气流通道，异极距中心截面和收尘极板前后等特征断面的速度分布曲线如图5所示。

气流通道的速度呈M双峰对称分布，两侧受收尘极板壁面影响速度为0，远离收尘极板后速度急剧增加到最大值，随后缓慢降低，在极板中心处降至平均风速1.0 m/ s。中心截面的速度变化趋势相对于气流通道较缓，也呈双峰对称分布，但该区域平均速度均大于2.0 m/s。极板前的速度呈V对称分布，两侧速度最大，与气流通道的速度较为接近，只在极板中心少部分区域的速度值小于1.0 m/ s，因此收尘极板迎风面不利于粉尘的沉积。极板后的速度呈V对称分布，两侧速度大中间速度小，且极板中心大部分区域的速度值小于1.0 m/m，因此收尘极板背风面有利于粉尘的沉积。

图5 不同截面速度分布曲线

4.2 收尘极板附近速度分布

收尘极板附近的气流扰动容易引起沉积在收尘极板上粉尘的脱落，进而产生二次扬尘现象[7,8]；同时，为验证气流分速度对场驱进速度的增效作用，选取收尘极板前后1 mm，3 mm，5 mm和10 mm等特征断面分析其速度变化对二次扬尘和驱进速度的影响。

收尘极板前后不同截面气流速度及速度分量的变化曲线如图6所示。

图6 收尘极板附近速度分布曲线

在收尘极板前极板两侧区域离收尘极板越近，其速度越大，主要受扰流气流的影响较大，扰流气流在冲击极板后形成典型的绕直角壁面流动；极板中心区域离收尘极板越近，其速度越小，也说明极板中心区域受扰流气流的影响较小。垂直于极板的速度分量在极板两侧受扰流影响变化较大，中部的速度波动不大，随着离极板的距离减小而减小。由于垂直于极板的速度分量(0.1～1.2 m/s)相对于一般工业粉尘的有效趋近速度(约0.1 m/s)增加明显。

收尘极板后的速度分布规律同极板前，极板两侧区域受扰流气流的影响较大，离收尘极板越近速度越大；极板中心区域离收尘极板越近速度越小，但其速度绝对值远小于极板前，且大部分区域均位于低流速区。极板中部的速度分量为负值，说明与气流运动方向相反，即该区域为回流区[9]。垂直于极板的速度分量随着离极板的距离减小而减小，速度分量的(0.1～0.4 m/s)相对于一般工业粉尘的有效趋近速度(约0.1 m/s)也有所增加。

5 结论

(1)理论分析表明，横向双极静电除尘器内气流速度能有效地增加带电粒子向收尘极板的驱进速度，其除尘机理主要体现在空气动力分离和电场力的复合收尘作用。

(2)收尘极板前垂直于极板的速度分量较大，有利于粉尘向收尘极板的迁移和沉淀，但由于气流速度较大容易引起二次扬尘，因此在极板选型与设计中应增加防风沟。

(3)收尘极板后的速度分量朝向收尘极板，有利于粉尘向收尘极板的迁移和沉淀，同时由于回流作用气流速度较低，有利于粉尘的充分荷电和沉淀。