电除尘器内MHD数值理论研究及模拟计算分析

沈志昂，刘含笑，郦建国

(浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江诸暨311800)

电除尘器内MHD数值理论研究及模拟计算分析

沈志昂，刘含笑，郦建国

(浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江诸暨311800)

磁流体力学偏微分方程组(MHD)描述了导电流体在电磁场中运动状态，借助CFD软件，应用MHD模型计算分析放电极电位分布及颗粒运动轨迹特性，结果表明:空间电荷效应对电位分布有明显的加强作用;粒径越大，颗粒荷电量越多，受空间电场力作用越明显;湍流对颗粒运动轨迹影响不容忽视。

MHD;数值模拟;电位分布;颗粒轨迹

0 引言

随着大气环境污染形势日益严峻，新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)已执行，其中重点控制地区，烟尘排放限值为20mg/m3，且江苏省、浙江省、山西省、广州市等地已出台相关政策，要求燃煤电厂参考燃气轮机组污染物排放标准限值。国家发改委、环保部和国家能源局三部委联合于2014年9月颁发了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014－2020年)》，要求东部地区新建燃煤机组排放基本达到燃气轮机组污染物排放限值，对中部和西部地区也提出了要求［1］。

我国燃煤电厂现有烟气除尘技术中，电除尘技术长期占据着主流地位，随着排放要求的日益趋严，对电除尘器的除尘效率要求也越来越高，其中，前期的工程模拟计算为电除尘器进一步优化流场、电场提供了重要的理论基础和数据支持。磁流体力学偏微分方程组(MHD)可以计算导电流体在电磁场中的运动状态，正确认识电除尘器内，尤其是放电极到收尘极区域的电场分布和荷电烟尘颗粒的运动特性，对于除尘设备的优化设计具有重要意义［2－5］。

本文借助商业CFD软件，引入MHD计算模块，简化电除尘器内放电单元的物理模型，模拟计算二维放电点电极的电场分布及烟尘颗粒运动特性，旨在探讨空间电荷效应对电场分布的影响，以及湍流作用对烟尘颗粒运动轨迹的影响。

1 数学模型

基于商业CFD软件，探讨MHD模型机理，求解用户自定义标量，即UDS(User Defined Scalar)，CFD软件里统一标准的普通输运方程的积分形式为:

式中:等号右边第一项为扩散项，第二项为源项，左边第一项非稳态项，第二项对流项，其中Ф是描述普通输运数量变量，根据求解的输运方程不同，可取不同值，相对应不同扩散系数г。表1给出了上式对应的标准k－ε模型及MHD模型方程组。

MHD模块解决了流体和电磁场相互作用的特殊接口，在MHD模块中，导电流体内产生的感应磁场求解采用UDS计算，调用输运方程，并把诱导电磁场分量作为UDS处理，并以宏定义形式，用普通输运方程求解。电磁场对流体本身的阻尼作用通过用户自定义源相来处理［6－10］。

表1 控制方程组

处理颗粒问题，可以运用离散相模型，该模型要求离散相体积分数小于20%，即稀疏气固两相流。可以通过对拉格朗日坐标下颗粒作用力微分方程进行积分来求解离散相颗粒的轨迹。离散相颗粒的作用力平衡方程为:

式中:F为流场力内作用在颗粒上的加速度，在CFD软件中可以用体积力的方式体现。作用在颗粒上的力有重力、热泳力、布朗力、曳力、电场力等，这里只考虑影响最大的电场力和流体曳力作用。

2 物理模型及边界条件

本文选取一简化物理模型，研究放电极电场特性，模型如图1所示，x方向长度0.4m，y宽度方向长度0.3m，内部放点极用半径5mm圆代替。网格采用结构化网格划分，圆附近局部加密，总网格数量约25000个。入口边界条件如表2所示。

表2 边界条件

图1 模型结构示意

3 计算结果及分析

通过模拟得到了不考虑空间电荷效应和考虑空间电荷效应两种情况下的电位分布，电压分别取30kV和50kV，结果如图2和图3所示。从图2可知，电场通道内的高位场强区只是在放点极周围很小一部分，其余大部分都处于低位电场区域。从图3可知，由于空间存在荷电粉尘，粉尘迁移率小于离子迁移率，使得空间电荷密度增大，电场分布不均匀，使得整个电场区域的高位电场区扩大，说明在数值计算中应该考虑空间电荷效应。

在50kV的电压放电条件下，粒径分别取1× 10－6m、1×10－5m、1×10－3m，计算结果如图4所示。随着颗粒粉尘粒径的增大，粉尘向收尘极驱进的程度明显增强，主要是由于粉尘的荷电量与粉尘粒径的平方成正比关系，大颗粒的荷电量比小颗粒多，因此受到电场力的加速作用也就越明显。

图2 电位分布(不考虑空间电荷效应)

图3 电位分布(考虑空间电荷效应)

图4 不考虑湍流作用时颗粒运动轨迹

对于粒径为1×10－5m的颗粒，当考虑湍流脉动作用对颗粒运动轨迹影响时，计算结果发现颗粒运动轨迹变得杂乱无章，但总体趋势还是向收尘极运动，这是因为电场力和湍流流场曳力是处在同一数量级上的作用力［11］。在电除尘器实际运行过程中，可能受到电风及局部扰流作用的影响，整个流场区域是存在明显湍流作用的，因此在实际计算过程中应考虑湍流作用对颗粒运动轨迹的影响。

4 结语

运用商业CFD软件对MHD模型进行模拟分析，计算放电极电位分布及颗粒运动轨迹特性，结果发现，空间电荷效应对电位分布有加强作用;粒径越大，颗粒荷电量越多，受空间电场力作用越明显，越容易收集;湍流对颗粒运动轨迹影响不容忽视。

［1］中国环保产业协会电除尘委员会.超低排放进一步促进煤电绿色发展［N］.中国环境报，2015－01－15(10).

［2］赵秀艳.金属射流的MHD特性分析［D］.泰安:山东农业大学，2009.

［3］V A Bityurin.High Efficient MHD Generator with Space and Time Dependent Current Carrying Nonuniformities［C］.10th Int Conf on MHD Electr Power Generation.India:1989.

［4］V A Bityurin.Status of Trilateral International Project o n MHD Power Generation with Plasma Non Uniformities－Gas Interacting Flows［C］.33rd SEAM.USA:1995.

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［6］张剑文.关于可压缩MHD方程组的若干研究进展［J］.厦门大学学报(自然科学版)，2011(2):175－186.

［7］方莹.磁流体自由表面流动及传热特性的数值研究［D］.南京:南京航空航天大学，2007.

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［9］Liu T P，Zeng Y.Large time behavior of solutions for general quasilinear hyperbolic parabolic system of conservation laws［J］.Mem A-mer Math Soc，1997(125):599.

［10］Hu X P，Wang D.Low Mach number limit of viscous compressible mag netohydrody namic flow［J］.SIAM J Math Anal，2009(41): 1272－1294.

［11］刘忠，刘含笑，冯新新，等.湍流聚并器流场和颗粒运动轨迹模拟［J］.中国电机工程学报，2012，32(14):71－75.

Numerical theory research of MHD in the ESP and simulation calculation analysis

MHD describes the motion state of the conductive fluid in the electromagnetic.Used the CFD，the point potential distribution and particle trajectory characteristics was calculated with the method of MHD，which show that，space charge effect on potential distribution has obvious strengthening effect;the greater the particle size，the more power the particle charged，and the space electric field force is more obvious;turbulence of particle trajectory impact should not be overlooked.

MHD;simulation;potential distribution;particle trajectory

X701.2

B

:1674－8069(2015)04－021－03

2015-02-07;

2015-05-22

沈志昂(1963-)，男，浙江诸暨，高级工程师，长期从事烟气除尘设计及研究工作。E－mail:gutounan@163.com

国家高技术研究发展计划(863计划)“燃煤电站PM2.5捕集增效优化技术与装备研制”(2013AA065002)