电极结构对电流体运动的影响

武磊,郭朋朋,陈旭东, 李庆

(河北大学 物理科学与技术学院,河北 保定 071002)

自20世纪60年代以来,世界经济的飞速发展也带来了一系列的环境问题,大气污染更是直接影响人类的生存和发展,而其中的细颗粒物排放更是与人类健康息息相关.国家为了解决这一问题,在2014年出台了GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》,将细微颗粒物排放限值降低至30 mg/m3,这进一步提升了对除尘器除尘性能的要求.目前,在工厂应用的除尘技术主要有旋风除尘、湿法除尘、布袋除尘和电除尘等[1],其中电除尘技术由于其设备阻力小、能耗低、烟气处理量大等优点而被广泛使用[2-6].

尽管静电除尘器具有诸多优势,但仍存在一些制约其进一步发展的因素.静电除尘器对较大颗粒物的除尘效率可达99%以上,然而由于细颗粒物携带电荷较低,在静电除尘器中的运动受流体扰动较大,其去除效率仅为70%～80%[7].为了进一步提高静电除尘器的除尘效率,人们对其进行了深入的研究.Bacher等[8]测定了不同形状电极的线管式静电除尘器的除尘效率,结果表明电源电压刚好低于击穿电压时除尘器工作效率最高,且实验组中带有长尖峰的电极除尘效率最高的同时,能耗最低.Maria等[9]使用实验室规模的单级电除尘器进行实验,发现电晕电极几何形状对除尘效率的影响很大,管道型和双尖电极的收集效率最高.沈欣军等[10]使用二维激光粒子成像技术,研究了针-板型电除尘器中,离子风的产生和传播规律,得出了离子风速度与输入功率的关系.Xu等[11]对不同材料阴极的电除尘器除尘效率进行了测定,结果表明:相比于不锈钢、钛合金等常用阴极材料,稀土钨阴极在较高温和较低电压下能显著提高除尘效率.Jaworek等[12]设计了一种带并流与逆流装置的静电除尘器,放电尖峰正对气流入口方向的逆流阴极静电除尘器能有效提高PM2.5粒子的收集效率.Kazunori 等[13]研究了一种无电晕放电的两级静电除尘器,粒子与低压电极接触后荷电,而后进入二级收尘极去除,这一设计可以减少功耗以及臭氧的产生.

静电除尘是一个涉及电场,流场和粒子运动的多物理场耦合的过程.如上所述,为了提高粉尘的收集效率,人们主要关注了高压电源类型、放电极形状、湿式或烟灰调质等因素对除尘效率的影响[14-16],但是实际上收尘极附近流场对电场和颗粒的扰动对微细颗粒的收集也具有重要影响.

Wang等[17]使用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)抽象研究了线板式除尘器内电晕放电诱导的电流体流动,研究表明离子风表现为收集板附近的流动流线向放电极弯曲,随着电压增加,形成一个导线向极板的射流状流动结构.Ning等[18]研究表明,随着电压的不断增大,流场中离子风作用明显超过电场力,通道内流场状态发展为对称的双螺旋结构.柳林等[19]使用扩缩板对收集电极进行改造,结果表明扩缩板结构能改变电除尘器内电场,流场分布,有效提升除尘效率.王伊凡等[20]研究表明二次扬尘效应与除尘器通道内近壁区流速有关,流速越大,二次扬尘效应越显著.本课题组的实验研究也表明当改变收尘极板结构时可以改变收尘极附近的电场与流场分布,从而影响除尘效率[21].由于除尘器内部结构复杂,高电压下收尘极附近的复杂紊流以直接观测,电极结构对除尘器内部电流体状态的影响难以量化,因此数值模拟以能形象展示电流体状态、快速提取数据进行分析以及成本低等优点,为实验及理论分析提供依据.

本文设计了线-传统板与2种不同结构的线-开孔板极配方式.建立了电晕放电和流场的多物理场耦合数值模型,并利用COMSOL软件模拟研究了3种不同极配方式下的电除尘器通道内的电场与流场特征.

1 电除尘器流场的数值模拟

1.1 放电结构

现今大部分实际应用中的静电除尘器为线板结构,如图1可知线板式静电除尘器的结构极具对称性,且其在z方向上具有相似性.故选取单线板式除尘器为研究对象,并截选其x-y平面建立模型,将三维除尘器简化为二维模型,简化计算.图2a为单线板式静电除尘器二维截面图,其中,上下2部分为收尘极板,左侧1为除尘器入口,右侧3为出口,正中部位2为放电极.上下两边4为收尘极板.为了分析问题方便,取坐标如下:以电极中心正对入口处为原点,平行于收尘极板方向为x轴,垂直于收尘极板方向为y轴.

图1 线板式除尘器三维结构Fig.1 Three-dimensional structure drawing of line plate dust collector

a.传统A模型;b.线对板B模型;c.线对孔C模型图2 不同收尘极板除尘器二维模型Fig.2 Two dimensional model diagram of different dust collector plate

为了研究不同极板及板间距对除尘器内部流场,除尘性能的影响,设置了线对传统板、线对板孔板以及线对孔开孔板3种不同收尘极板型除尘器.为方便后续分析,分别将其称为A、B、C模型,分别如图2a、2b、2c所示.均将其线板距设置为15 cm,其中电极半径为2 mm,模拟计算区域长度为50 cm,左侧入口宽30 cm,右侧出口宽30 cm.对于B、C模型,将A模型的收尘极板向后延5 cm,位置如图2b、2c中5所示,在原收尘极板处放置设计好的开孔板,位置如图2b、2c中4所示.开孔板开孔孔径为3.5 cm,相邻两孔之间间距为1.5 cm.开孔板与后延收尘极板之间形成的相对密闭空间称为区域D.B模型为电极正对开孔板中心两孔间隔中心处,而C模型板则是电极正对开孔板中心孔圆心.

1.2 电场模型

假设荷电颗粒对电场特性分布影响可以忽略[22],因此,电场分布可以由泊松方程[23]确定.

(1)

式中,V为电势,ρ为空间电荷密度,ε0为真空中的介电常数,使用经验公式peek定律计算圆形电极电晕放电起晕电压,即

(2)

式中,ES为电极表面电场强度,E0则为击穿电场强度常数,一般认为为3.1×106V/m,a为无量纲曲面参数,δ为相对气体密度,r0为电极半径.由此根据该定律计算不同半径下电晕放电的起晕电压.

1.3 流场模型

由于除尘器通道内流速远小于声速,所以在模拟中,除尘器内部流体流动被视为不可压缩流动.故在模拟时选择等温,低流速湍流模型,即使用标准k-ε模型[24-25].

(3)

式中,C1、C2与σε为常数,其值分别取1.44、1.92以及1.3.ut为湍流黏性系数,uj为速度分量,xj为坐标方向,其中k为k-ε模型中的湍流动能,ε则为湍流耗散率,其满足以下输运方程:

(4)

式中,G为湍流剪切应力,σk为常数,取值为0.09.

1.4 网格划分与边界条件设置

由于电极曲率半径较小,附近电场强度很强,为了确保模拟精度,对二维模型中的电极周围网格进行加密处理,如图3a.分析极板附近电场强度,板前风速等对除尘效率有影响的因素,故对极板附近边界层进行加密处理,如图3b.入口、出口及除尘器剩余内部网格均遵循等离子体物理场控制方式进行划分,如图3c.对于线孔板式除尘器,其开孔板附近湍流强度大,故对其孔板附近进行网格加密,如图3d.

a.电极周围;b.收尘极板附近;c.整体网格;d.开孔板附近图3 网格划分示意Fig.3 Grid division diagram

在气体流场中,除尘器入口设置为固定速度入口,为抑制回流,除尘器出口压力设置为静压出口.同时,入口与出口均设置为零电荷,即表面电荷密度为零.上下极板设置为接地,即接地电压为零,收尘极与放电极边界应用Dirichlet边界条件.收尘极电压设置为0,放电极电压设置为U.除尘器内部温度设置为恒温293.15 K,压力设置为绝对压力条件.

2 物理场数值模拟

2.1 电势分布

图4为当施加电压为45 kV时,传统A模型除尘器内部的电势分布图.线对板B模型与线对孔C模型电势分布与A模型相似.3种电除尘器模型电势均沿电极线向收集电极方向逐渐减小.3个放电电极附近的电势分布呈椭圆形.由于收尘极板接地,相较于入口与出口而言,电极离收尘极板较近,故在电极垂直于收尘极板方向上,电势变化较大,故除尘器内电势呈椭圆形分布.如图4在颜色为深蓝色的部位,即靠近收尘极板附近B区,电势变化较小,即电场强度小,在颜色为红色的部位,即在电极附近A区,电势变化大,即电场强度大.

图4 A模型除尘器内部电势分布Fig.4 Potential distribution inside type A dust collector

2.2 空间电荷密度分布

空间电荷密度分布对除尘器内部灰尘颗粒荷电与捕集有着重要影响,由图5可以看出,空间内电荷主要集中在电极附近,呈椭圆形分布.峰值出现在极线正对极板的上下2个小椭圆内,其中传统A模型峰值为2.71×10-5C/m3,线对板B模型与线对孔C模型峰值略小,均为2.58×10-5C/m3.在靠近阳极板时,A模型除尘器上电荷分布为电极正对极板处最高,而后分别向入口和出口逐渐减小的类高斯分布,B、C模型电荷密度整体分布趋势与A型相似,只是在两孔间隔处电荷密度存在小幅跃变,在开孔处电荷密度减小,在两孔间电荷密度增大.

a.A模型传统板;b.B模型线对板;c.C模型线对孔 图5 除尘器内空间电荷密度分布Fig.5 Space charge density distribution inside the dust collector

2.3 流场分布

除尘过程的本质是一种气固两相流运动,即将灰尘颗粒从气流中分离出来的过程.故除尘器中的气体流动对粉尘颗粒的收集效率有很大影响,而电晕放电过程中因离子高速运动产生的离子风现象对除尘器中气体流动有较大影响[26-27].

从图6可以看出,入口流速为0.1 m/s时,电压为45 kV时,3种结构除尘器内部受离子风影响产生一系列复杂的湍流现象,即在电极附近产生4个离子风漩涡,且4个漩涡具有沿x轴对称的性质,风漩方向是从电极射出,向收尘极板发展.线板式除尘器中的主流与近板平均风速最高,对收尘电极进行改造后的2种除尘器近板风速均低于线板式除尘器.

a.A模型;b.B模型;c.C模型图6 入口流速为0.1 m/s时A、B、C模型除尘器流场Fig.6 Flow field diagram when the inlet flow rate is 0.1 m/s for A,B,C type dust collector

当入口流速提升至0.5 m/s,其他条件不变时,除尘器内部流场如图7.由图7可知,当入口流速提升时,除尘器内部湍流涡旋有所减缓,仅在电极正对极板附近区域,离子风对气流扰动较大.线板式除尘器内部最大风速略低于改造后除尘器内最大风速,且最高风速均出现在电极附近.在B、C模型区域D内,形成了较小的湍流涡旋,但区域D内平均流速仅为主流流速的20%甚至更低.

a.A模型;b.B模型;c.C模型图7 入口流速为0.5 m/s时A、B、C模型除尘器流场Fig.7 Flow field diagram when the inlet flow rate is 0.5 m/s for A,B,C type dust collector

当入口流速提升至1 m/s时,由图8可知,3种极板除尘器内部主流均近似为层流,离子风对流场影响极小,3种除尘器内部最大风速相近,开孔板电除尘器内部主流流速略高于传统极板除尘器,但其在开孔板与后收尘极板之间的相对密闭空间内的流速极低,平均流速小于0.15 m/s.当灰尘颗粒进入该低速区时,不仅能提高了灰尘颗粒在除尘器内部的停留时间,也能有效减少二次扬尘效应.

a.A模型;b.B模型;c.C模型图8 入口流速为1.0 m/s时A、B、C模型除尘器流场Fig.8 Flow field diagram when the inlet flow rate is 1.0 m/s for A,B,C type dust collector

2.4 板前5 mm电场强度

除尘器中灰尘颗粒运动过程中,受到电场力和流体拖曳力作用,其中电场y方向分量大小,决定了颗粒向收尘极板运动时的y方向电场力大小.y方向电场强度越大,荷电颗粒受到y方向电场力越大,颗粒向收尘极板运动的趋势越明显.

图9为当施加电压为45 kV时,3种电除尘器板前5 mm的电场强度分布曲线,可知改变收尘极板结构对电场强度分布有较大影响.3种不同极板结构的除尘器板前电场强度分布趋势均在极线正对极板附近达到最大,然后分别向入口和出口逐渐减小,其中孔板线对孔型板前电场强度最大,最大值为2.8×105V/m,线对板型其次,达到2.6×105V/m,线对传统板型板前电场强度最低,仅为2.2×105V/m,由此可知,开孔板能有效增大除尘器板前5 mm电场强度分布,增大颗粒到达极板时y方向受到的电场力.

图9 板前5 mm电场强度分布Fig.9 Electric field intensity distribution in 5 mm from the front of the plate

传统A型除尘器内部电场强度变化较小,呈电极处高、入口出口低的分布,而线对板B型与线对孔C型开孔板除尘器板前电场强度分布则是在开孔处和未开孔处存在跃变,形成电场强度差,这既有助于荷电颗粒在到达孔板时一部分吸附在孔板上,又能使一部分荷电颗粒在开孔位置穿过孔板,到达开孔板与后收尘极板之间的密闭空间内,进一步提高收尘效率.

2.5 板前1 cm速度分布

在对除尘器进行数值模拟时,一般都忽略了二次夹带效应,而在电除尘器实际运行中,收尘极板附近流速决定了二次扬尘的强弱,从而影响整体除尘效率.由于除尘器具有良好对称性,故A模型取传统板板前1 cm截线,B、C模型则取开孔板前1 cm截线,分析这3条截线上的速度分布.

当入口流速为0.5 m/s时,如图10所示,3种除尘器板前速度均为从入口进入后,速度不断减小,在电极附近达到最小值,而在越过电极后,速度出现一定程度的上升.传统A模型除尘器在收尘极板板前1 cm平均风速为0.37 m/s,线对板B模型除尘器在收尘极板附近平均风速为0.29 m/s,线对孔C模型除尘器则是0.28 m/s,即B、C模型除尘器板前速度均小于A模型除尘器,尤其是在收尘极板靠近出口附近,传统板出口附近速度达到0.45 m/s,而开孔板出口附近速度只有0.325 m/s.

图10 板前1 cm速度分布图(入口风速0.5 m/s)Fig.10 Velocity distribution diagram of 1 cm in front of plate(inlet wind speed 0.5 m/s)

当入口流速提升至1.0 m/s时,开孔板对极板板前1 cm主流速度的削弱作用更大,如图11.A模型板前流速变化与入口流速为0.5 m/s时变化规律相同,最大速度在出口处,达到了0.81 m/s,但B、C模型则是从入口进入后速度大幅减小,在电极附近达到极小值后,小幅上升后继续下降,在出口处速度最小.最小值分别为0.59 m/s和0.61 m/s.A模型板前平均流速为0.768 m/s,B模型与C模型则分别为0.656、0.648 m/s,相比于A模型板前1 cm平均流速分别下降了14.58%和15.62%.且在除尘器通道的后半段,即放电极至出口部分,开孔板对流速的抑制效果更为明显.在后半段,A、B、C三模型的板前平均流速分别为0.772、0.618、0.616 m/s .相比于A模型的板前平均流速分别下降了19.94%和20.20%.这一速度分布是由于开孔板后形成了与主流速度反向的湍流,在开孔处与主流汇聚后削减了主流在这一区域的速度造成的.这一结果说明开孔板结构能有效减小收尘极板附近风速,即减小离子风对极板的冲刷这一负面作用,同时减少由板前风速过大吹起吸附在极板上的细微颗粒物而造成的二次扬尘现象,进而提高除尘器对细微颗粒物的捕集效果,与实验结果相符[21].

图11 板前1 cm速度分布图(入口风速1.0 m/s)Fig.11 Velocity distribution diagram of 1 cm in front of plate(inlet wind speed 1.0 m/s)

3 结论

采用数值模拟的方法,研究了新型开孔板对静电除尘器中离子风与主流一次流之间的相互扰动,结果如下:1)新型开孔板的近板电场强度高于传统线板式静电除尘器.而开孔板之中:线对孔C模型板板前5 mm电场强度高于线对板B模型,且其均在开孔处电场强度存在跃变.这一变化能有效促进微细粉尘进入开孔板与后收尘极板之间形成的相对密闭空间内,提高收尘效率.2)当除尘器通道入口流速为0.1 m/s时,离子风对主流作用明显,在通道内形成4个明显且具有对称性质的湍流漩涡.随着入口流速的增大,除尘器内部湍流涡旋逐渐减小,当入口为0.5 m/s时,仅在电极线正对极板处对主流有一定扰动,在入口流速达到1.0 m/s后,通道内主流可近似为层流流动,涡旋完全消失.3)新型开孔板能有效降低静电除尘器通道内近板风速.在通常流速下(1.0 m/s左右)开孔板前平均流速相比传统板分别降低了14.58%和15.62%,且在放电极到出口的除尘器通道后半段削弱效应极为明显.相比传统板分别降低了19.94%和20.20%.这表明开孔板结构能有效降低收尘极板附近流速,减少因二次扬尘造成的除尘效率降低现象,且与线对板B,线对孔C模型相比,线对孔C模型综合效果更好.