（等离子体物理专业论文）高压静电除尘器离子风特性研究.pdf

摘要 摘要 随着科技的进步和现代工业的发展，环境污染已成为人类生存发展一大杀手。粉尘 作为一种主要的大气污染物，不仅对工厂的正常生产构成了巨大威胁而且严重影响着人 们的身体健康。为了减少工业粉尘的污染，发展和改进电除尘器具有积极的意义。本文 主要介绍了静电除尘器的工作原理，分析了离子风对空间电场和气流的影响，为静电除 尘器的优化设计提供了一定的理论基础。 首先是离子风对空间电场影响的研究。采用静电探针法分析了不同线板配置下的空 间电流值，并对不同电场区域的离子风进行了讨论。研究表明，无论何种情况，正对电 晕线的区域其电场梯度较大，随着与电晕线横向距离的加大，电场梯度趋于平缓。在多 根电晕线共同作用下，电晕线问的电场趋于均匀，该状态有利于拓展除尘器对空间粉尘 粒子的作用，从而提高除尘效率。该实验还表明，不同的电压等级下存在一种最优的极 配方式。 其次是离子风对除尘器内气流影响的研究。把放电极在电晕放电时产生的离子风用 离子风集团代替，采用f l u e n t 流体力学数值模拟的方法，模拟了进口气流速度相同 时当除尘器内存在不同电场分布时气流速度场和速度矢量的分布，使计算结果更为直观 和真实，研究表明不同的放电极间距应与相应的放电电压相匹配，才可以使离子风对放 电通道中的气流产生均匀的扰流作用。 关键词静电除尘器离子风数值模拟f l u e n t a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht e c h n i c a lp r o g r e s s a n dm o d e mi n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，t h ee n v i r o n m e n t p o l l u t i o nh a sb e c o m eab i gm u r d e r e rf o rh u m a ns u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t t h ed u s tt a k e sa k i n do f m a i na i rp o l l u t a n t s ，n o to n l yp o s e st h eh u g et h r e a tt ot h ef a c t o r yr e g u l a rp r o d u c t i o n b u ta l s oa f f e c tp e o p l e sh e a l t hs e r i o u s l y i no r d e rt or e d u c ep o l l u t i o no fi n d u s t r yd u s t ，d e v e l o p a n di m p r o v ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t i o n h a v ep o s i t i v e s i g n i f i c a n c e t h ep r i n c i p l e o f e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o ni si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，t h ei n f l u e n c eo fi o nw i n do ne l e c t r i c f i e l da n da i r f l o wi sa n a l y z e d ，s o m et h e o r yb a s i si sp r o v i d e df o rt h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r o p t i m i z ea n dd e s i g n f i r s t ，t h ei n f l u e n c eo fi o nw i n dt ot h es p a t i a le l e c t r i cf i e l di s r e s e a r c h e d u s et h e e l e c t r o s t a t i cp r o b em e t h o dm e a s u r et h ec u r r e n ti ne s pi n t e r i o rs p a c ew h e nt h ew i r e p l a t e c o n f i g u r a t i o ni sd i f f e r e n t ，a n dd i s c u s st h ei o nw i n dd i s t r i b u t i n gi nd i f f e r e n te l e c t r i cf i e l d r e g i o n t h er e s u l t ss h o w , r e g a r d l e s so fw h i c hk i n do fs i t u a t i o n ，t h ee l e c t r i c f i e l dg r a d i e n ti s b i gf o rt h er e g i o nw h i c hu p r i g h t n e s st h ec o r o n aw i r e ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fl a t e r a l d i s t a n c e ，e l e c t r i cf i e l dg r a d i e n tf l a t t e no u t u n d e rt h em u l t i - r o o tc o r o n aw i r e s ，t h ee l e c t r i c f i e l dt e n d st oe v e nb e t w e e nc o r o n aw i r e s ，t h i sc o n d i t i o ni sa d v a n t a g et od e v e l o pt h ee f f e c to f e s pt ot h es p a t i a ld u s tp a r t i c l e ，t h u si m p r o v er e m o v a le f f i c i e n c y t h i s e x p e r i m e n ta l s o i n d i c a t e s ，u n d e rd i f f e r e n tv o l t a g e ，t h e r ei sam o s ts u p e r i o rf o r m u l af o rd i s c h a r g ep o l ea n d p l a t e s e c o n d t h ei n f l u e n c eo fi o nw i n dt ot h ea i r f l o wi ss t u d i e di n n e rt h ee s p ，s u b s t i t u t ei o i l w i n dw h i c ha d h e s i v et ot h ec o r o n aw i r ei n t oi o nw i n dg r o u p ，t h ef l u e n th y d r o d y n a m i c s n u m e r i c a ls i m u l a t ei sa d o p t e d ，s i m u l a t et h ed i s t r i b u t i n go fi o nw i n dg r o u pi n f l u e n c eo f a i r f l o ww h e nt h ei n l e tv e l o c i t yi ss a m e ，m a k et h er e s u l tm o r es t r a i g h ta n dt r u e t h er e s u l t s s h o wt h ed i f f e r e n te l e c t r o d ed i s t a n c es h o u l dm a t c hw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gd i s c h a r g ev o l t a g e ， t h i sc a no b t a i ne v e nb u r b l ef u n c t i o nc a u s e db yi o nw i n dt ot h ea i r f l o wi nd i s c h a r g ec h a n n e l k e y w o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ；i o nw i n d ；n u m e r i c a ls i m u l a t e ；f l u e n t 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特易j ；h r i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了致谢。 作者签名：一_ 二垄避 日期：翌z 年j l 月l 同 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方格内打“”) 作者签名：一京垒 导师签名： 日期：! z 年月l 同 日期：通年j 二月l 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景与意义 粉尘是一种常见的颗粒状大气污染物，对环境的危害很大【1 1 。粉尘按粒径大小可分 为降尘和飘尘【2 1 。降尘的粒径较大，靠其自身的重力能够很快降落到地面，危害较小； 飘尘的粒径较小，人的肉眼看不见，能在大气中飘浮数年甚至数十年，雨水也不能将其 冲到地面，飘浮的高度从几千米到几十千米，能够在大气中不断蓄积，使水体和大气的 污染程度逐渐加重。 粉尘的来源主要有两种：一种是天然污染源，如自然界的火山爆发、风暴、大面积 的森林火灾释放出来的微粒等；另一种是人为污染，主要是工业生产部门在生产过程中 产生的粉尘，例如冶金行业的冶炼厂、烧结厂、耐火材料厂；机械行业的铸造厂；建材 行业的水泥厂；电力行业的火力发电厂；化工行业的橡胶厂等等，经过科研人员仔细测 算每燃烧1 吨煤，在无除尘设备的情况下，可排放粉尘3 0 多千克，即使有除尘设备也 要排放1 0 千克左右【3 j 。 这些飘散在空气中的粉尘对人们的生产生活有着极大的危害。首先粉尘在大气污染 物中起着载体的作用【4 j 。粉尘颗粒表面能高度富集镍、铬、锌等金属元素，这些富集在 粉尘颗粒表面的金属，能通过人体皮肤直接与体液、血液和组织器官接触，并通过体液 送往全身，使人中毒。有些金属如铅、铊、镉等以颗粒状态存在于大气中，可直接通过 呼吸道侵入人体，能够很快被肺泡吸收，并由血液送至全身，引起肺组织发生纤维化病 变，使肺部组织逐渐硬化，失去正常的呼吸功能，发生尘肺病。工人们长期工作在粉尘 污染严重的环境中，常常会染上如矽肺、肺气肿等职业病，贻害终生。当前，职业危害 最严重的就是粉尘危掣5 | ，尘肺病占全国职业病构成的6 1 8 ，居各种职业病之首。悬 浮在空气中的某些粉尘，当达到一定浓度时，如果存在着能量足够的火源( 如火焰、电 火花、炽热物体或由于摩擦、振动、碰撞等引起的火花) 就会发生爆炸【6 7 j 。爆炸瞬间伴 随着高温、高压的热空气膨胀形成的冲击波具有很大的摧毁力和破坏性。并且粉尘初始 爆炸的气浪会将沉积的粉尘扬起，在新的空间形成爆炸浓度而产生爆炸，形成二次爆炸， 这种连续爆炸会造成极严重的破坏作用。 鉴于粉尘的种种危害，一方面国家制定了更为严格的粉尘排放标准规范各类工业企 河北大学理学硕+ 学何论文 业的粉尘排放，另一方面大力开发针对高粉尘排放企业的除尘设备，以保证工人的身体 健康和生产安全。高压静电除尘器作为一种常用的除尘设备，因其具有结构简单性能稳 定除尘效果良好等特点，已经被广泛应用于钢铁冶金，水泥制造，造纸，化工以及提炼石 油等行业。根据实验数据显示 8 】，其除尘效率可高达9 9 9 ，可以有效的减小粉尘对工 人身体健康和周边环境的影响。因为高压静电除尘器涉及多方面的学科，包括物理、机 械、电力电子、自动控制，计算机，材料科学等领域，因此国内外关于静电除尘的研究 非常广泛。 1 2电除尘器的国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 静电除尘器的主要工作原理可以分为电晕放电产生正负离子，气体中的粉尘与负离 子相碰撞和扩散使粉尘荷电，在电场力的作用下带负电荷的粉尘趋向沉降电极，荷电粉 尘的捕集四个基本过程。近年来，国外对于静电除尘器的研究主要集中在理论方面，实 验方面的报道较少。理论方面，在静电除尘器中各种电场分布的研究【9 1 ，采用新型的辉 光放电和流光放电【1 0 】摒弃传统的电晕放电来讨论放电过程，抛弃传统的粉尘瞬间荷电的 思想，采用荷电量与时间成正比的新的粉尘荷电方程【1 l 】研究粉尘的荷电过程，在粉尘运 动过程中不同受力形式的基础上进一步考虑了各种相互作用力1 2 】的叠加，采用不同的动 力学方程预测粉尘在除尘器内的运动方式【l3 j ；实验方面，研究了粉尘在电场中的沉降规 律和各种粉尘的物理化学性质1 4 】，在静电除尘器中尝试采用不同的材料作为收尘极，以 获取不同材料的收尘极与不同种类的粉尘如何更好的黏附问题方面l l5 1 ，高压电源的设计 【1 6 1 和自动控制等领域取得了一定进展。 1 2 2 国内研究现状 我国电除尘技术与国外先进水平相比还存在一些差距。在技术丌发方面1 1 8 】，一些 基础研究设施尚不配套或完善；测试仪器和科研手段比较落后，数据库还没有完全形成， 选型设计水平较低，电除尘设计效率与实际效率偏离较大；各生产厂家没有形成自己的 特点或特色，产品一般化，除尘器电源尚需改善；影响电除尘的重要的物性参数【1 9 1 尚 不能精确的定量计算，节点的中央控制和产品的系统集成方面还有待加强。此外，国产 电除尘器对钢材的消耗量较大，这主要是因为除了参数选择不准确外，还因为本体的设 第1 章绪论 计缺乏较完善的理论支持。在管理体制方面【2 0 1 ，科研力量相对薄弱且分散，在试验研 究、设计选型和生产制造三个环节上还不能高效率地协调工作等等。 我国电除尘器制造业发展迅速，在静电除尘器供电电源的研制方面取得了很大的进 步【2 1 2 2 1 。目前，我国研发的微机控制可控硅调压电源，在控制精度和功能、电能管理、 火花能量的识别及处理等方面的技术均已达到国际先进水平，特别是在火花检测与处 理，电能管理等方面更有新的突破。还有电除尘仿真模拟器及相关仿真软件和具有动态 火花发生器的便携式模拟调试台的研制成功，对电除尘器的生产调试、运行维护和教学 培训起到了积极的促进作用。 在e s p 供电电源微机控制和网络集中控制方面1 2 3 2 4 1 ，近年来也有了一定的发展。双 束激光相关补偿蚀度仪的研制成功，为e s p 现代智能运行控制系统的设计提供了可能。 e s p 现代智能运行控制系统的目标是希望能够以双束激光相关补偿蚀度仪为耳目，高压 供电电源和低压控制装置为下位机，工业控制计算机为上位机，完成e s p 的远程侧量、 远程控制、i n t e r n e t 通讯、现场运行数据的实时获取存储、故障诊断、高度自动化控 制、以及能量的管理和节能控制等功能。 1 3 主要研究内容 文章选取在电除尘器使用时常用的圆形电晕线作为放电极与平板型极板作为收尘 极的配置，主要研究了除尘器内部离子风对空间电流的影响和气流与离子风集团的相互 影响。具体分类讨论项目如下： ( 1 ) 极板与电晕线不同配置时电场的特性，测量并分析了电晕线间距对电场特性 的影响。 ( 2 ) 在目前的实验设备下测量电晕放电时在电晕线附近产生的离子风的大小是困 难的【2 5 】，现在还没有关于电晕线附近产生的离子风大小的准确测量的报道，并且离子风 的具体样式还不确定f 2 6 】。根据有关的文献资料，本文对电晕放电产生的离子风的样式进 行了简化，将电晕放电时产生的离子风在各个方向上的速度看作大小相同的各向同性的 分布，以一个半径恒定的实心圆球代替，即离子风集团。采用数值模拟2 7 1 的方法定性给 出了气流与离子风的相互作用并分析了由此导致的除尘器内部气流场的分布和变化。 河北大学理学硕十学何论文 1 4 创新点 ( 1 ) 以前的研究主要关注于除尘器收尘极上和电晕线上物理参数的变化规律，本文 对当给定电晕极上不同电压时除尘器内部空间的电流进行了测定，这有助于深入了解除 尘器内部物理参数的变化规律。 ( 2 ) 采用数值模拟的方法分析气流与离子风集团的相互影响，更直观和真实的描写 了除尘器内部复杂的气流场分布，为除尘器的优化设计提供一定依据。 4 第2 章高乐静电除尘器静电场分析 第2 章高压静电除尘器静电场分析 2 1 静电除尘器的工作原理 g g 图2 - 1 电除尘器物理过程示意图 电除尘是利用静电力除尘，又称为静电除尘，用电能直接作用于含尘气体，从而使 气体得到净化。电除尘设备通常称为电除尘器。电除尘器的工作原理【2 8 】是使含尘气流中 的粉尘微粒荷电，在电场力的作用下驱使带电粉尘沉降在收尘极板的表面上。在电除尘 器采用负电晕的情况下，电晕电极又称阴极线或放电极，由不同形状的截面的金属导线 制成，接至高压直流电源的负极。沉降电极又称阳极板，由不同形状的金属板制成并接 地图( 2 - 1 ) 是电除尘器物理过程示意图。 电除尘器的基本工作过程，通常分为四个阶段：电晕放电产生j 下负离子，气体中的 粉尘与负离子相碰撞和扩散使粉尘荷电，在电场力的作用下带负电荷的粉尘向沉降电极 做定向运动，荷电粉尘的捕集。 2 1 1 电晕放电 2 1 1 1 电晕放电机理 电晕放电是静电除尘的一个首要条件，对静电除尘问题的分析首先应从电晕放电开 子离负 q 河北大学理学硕十学伊论文 始。 如图( 2 - 2 ) 电晕放电发生在细金属电晕线和金属管( 或者是收尘极) 之间。假如放 电极为负极，从金属丝表面或附近放出的电子迅速向接地极或正极运动，与气体分子发 生碰撞并使之离子化，结果又产生了大量电子，通常称这种过程为电子雪崩过程【2 9 1 。随 着电子离开金属丝表面的距离增加，电场迅速减弱。因为电子运动的速度主要决定于电 场强度，所以电子运动速度迅速减弱到使气体分子离子化所需要的最小速度。假如存在 电负性气体，如氧气、水蒸气、二氧化硫等，则电晕产生的自由电子被这些气体的分子 捕获并产生负离子，它们也和电子一样，向正极运动。这些负离子和自由电子构成了使 颗粒荷电的电荷来源。自由电子能引起气体分子离子化的区域，常称为电晕区，从电晕 区到金属表面的空间内，负离子浓度一般为1 0 1 4 1 0 ”个m 3 。 图( 2 - 2 )电晕放电示意图 电 曼 电 流 子) 1 名电晕电压十峰一哞 图( 2 - 3 )正负电晕极在空气中的电晕 电流一电压曲线 电子雪崩过程产生的正离子移向放电金属丝，与金属丝表面碰撞并产生新电子正离 子使金属线释放新电子的“再生”作用确保了电晕过程的持续进行。对于电晕极为正极 的情况，除电子雪崩产生的正离子向接地极移动之外，电晕放电机理与电晕极为负极时 的情况相同，本文主要考虑负电晕过程。 2 1 1 2 起始电晕电压 在电除尘器内，许多因素影响电晕的发生和施加电压与电晕电流之间的关系( 常称 为伏一安特性) 。开始产生电晕电流时所施加的电压常称为起始电晕电压【3 0 1 ，具体关系 为： 6 第2 章高乐静电除7 企器静f 乜场分析 e ( 厂) = - _( 2 一1 )、7 r l n ( b 口1 、 式中，：距电晕线中心的距离；a ：电晕线半径；b ：管式电除尘器的半径；矿：施加 于放电极和收尘极之间的电压。 随着施加的电压矿增加，电晕线附近的场强也增大，直至电晕发生。起始电晕电压 与烟气性质和电极形状、几何尺寸有关系。皮克( p e e k ) 对电晕过程进行过广泛的研究， 提出如下经验公式以计算起始电晕所需要的电场强度： e 。= 3 1 0 6 f ( 6 + 0 0 3 4 6 a )( 2 2 ) 式中： 6 = 7 o 尸丁r 空气的相对密度，其中p o = 1 0 a t m ，t o = 2 9 8 k ，t 和p 分别为操作 温度和压力； ：导线光滑修正系数，无量纲，0 5 a 时，上式即为粒子电场荷电的饱和电量表达式。通常d 。 1 牌时， 式( 2 4 ) 计算粒子的荷电量有很好的近似；当d 。 1 彬时，由式( 2 6 ) 计算有较高的 ：_ q e o c _ ( 2 7 ) 3 冗p 式中c ”：c u m l i n 卧锄修正系数，c “= l + 2 o 8 6 三d p ( o 1 d p 1 彬) 1 0 第2 章高乐静电除尘器静电场分析 若式中电量按电场饱和荷电量计算，有 ：垡丝! 鱼d 。 ( 2 8 ) ( s ，+ 2 ) p 尸 从理论推导出的公式中可以看出，荷电粉尘的驱进速度与粉尘的粒径成正比，与电 场强度的平方成正比，与介质的黏度成反比。粉尘径越大，荷电量越大，驱进速度也就 越大。顺便指出，在双区静电除尘器中3 2 1 ，收尘场强与荷电场强是不同的，在单区静电 除尘器中，严格地说也是有差异的，但可以近似认为：e = e o 2 有效驱进速度 有效驱进速度是根据特定电除尘器实测的除尘效率及相关参数利用d e u t s c h 公式反 算出来的驱进速度。通过分析发现，有效驱进速度是影响除尘效率的主要因素之一。 3 粒子沉降速度 在电除尘器中，气体中微细粉尘的重力与介质阻力相比很小，完全可以忽略不计， 导致粒子沉降速度比驱进速度小得多，在层流区( 即s t o k e s 区) ，其重力沉降速度为： 甜：亟二竺姿( 2 9 )z f = 二l z y j 18 式中p d ：粉尘密度； p ：空气密度； ：动力粘性系数 荷电后的粉尘在非均匀电场中做变加速运动，其到达收尘极的时间只要小于粉尘在 除尘器内停留的时间，即可达到除尘的目的。定向移动时间不仅与运动颗粒的质量、电 荷有关系，而且随二次电压的增高而缩短，通过计算，1 0 0 朋的粉尘荷载一个单位电荷时， 到达沉淀极的时间不足1 秒，远小于粉尘在除尘器内的停留时间。 2 1 4 荷电粉尘的捕集 带负电荷的粉尘与沉降电极接触后失去电荷，成为中性而粘附于沉降电极表面，然 后借助于振打装置使电极抖动，将粉尘分离到电除尘器下面的灰斗中。电晕区以内带正 电荷粉尘沉积在截面很小的电晕极上，但为数很少。 河北大学理学硕十学伊论文 2 2 影响静电除尘器效率的因素 除尘效率是指同一时间内除尘装置去除的污染物数量与进入装置的污染物数量之 比的百分数，它是衡量除尘装置性能的主要技术指标。除尘效率的高低，意味着除尘装 置对含尘气体所能达到的净化程度。影响电除尘器除尘效率的因素很多3 3 ，3 4 1 ，有设计、 安装和运行等方面的原因。就每个方面而言，影响除尘效率的原因又有很多。仅运行工 况对电除尘器性能的影响【3 5 1 ，就包括烟气性质、粉尘特性、结构因素和运行因素等。 2 2 1 设计上的影响 电除尘器设计需要的原始资料包括锅炉主要数据、燃煤特性、飞灰特性1 3 6 1 、其它烟 气参数以及厂址、气象和地理条件等。正确提供和选用这些资料，对于保持电除尘器的 性能至关重要。实际上对于飞灰化学成份的分析，一般只分析s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、c a ( 9 、 m g o 以及s 0 3 等项目，而忽视取得n a 2 0 、k 2 0 、t i 0 2 、m n 0 2 、l i 2 0 、p 2 0 5 及飞灰可燃 物等数据，后者对于较准确地决定驱进速度，弄清楚飞灰化学成份对除尘效率的影响又 是很重要的：另一个设计中的问题是目前我国在设计中选择参数的准确程度还不够高， 原因是至今国内尚无煤质对电除尘特性影响的研究数据。 2 2 2 粉尘比电阻的影响 粉尘比电阻对电除尘器性能的影响主要有以下两方面【37 j ： ( 1 ) 在通用的板式电除尘器中，电晕电流必须通过极板上的粉尘层传到接地的收尘 极板上。若粉尘的比电阻超过临界值5 1 0 1 0 q c m 时，则电晕电流通过粉尘层就会受到 限制，这将影响到粉尘微粒的荷电量、荷电率和电场强度等，如不采取必要的措施，将会 导致除尘器效率下降。 ( 2 ) 粉尘的比电阻对粉尘的粘附力有较大的影响，高比电阻导致粉尘的粘附力增大， 以致清除电极上的粉尘层需要提高振打强度，这将导致比正常情况下更大的二次扬尘， 最终也使除尘效率下降。 影响粉尘比电阻的因素也较复杂，除了粉尘化学成份外，还与温度、粉尘粒子和烟气 的化学成分有关。如果烟气中含有冷凝物质( 如水或硫酸) ，若温度足够低，便能在粉尘表 面形成吸附层，此时表面导电将是主要的。当温度低于露点时，吸附在粉尘表面的速度加 快。但在多数情况下，即使温度高于露点很多，被吸附物质也会沉积在粉尘表面形成表面 第2 幸高乐静电除尘器静r 乜场分析 导电通道。但是温度较高时，水分含量对比电阻的影响就不显著，因为此时表面导电所需 要的吸附机理已不存在了。 其次，煤的含硫量对飞狄比电阻也有较大影响。含有硫的煤燃烧时产生s 0 2 ，s 0 2 的 产生量取决于煤中硫的含量，在正常情况下，大约0 5 - - 1 的s 0 2 氧化成s 0 3 ，如果温度 足够低，s 0 3 吸附在粉尘上就能大大地降低粉尘的比电阻。所以，含硫量高的煤燃烧所产 生的粉尘其比电阻比含硫量低的煤要低。 2 2 3 气流分布均匀性对除尘效率的影响 电除尘器内的气流流动状况是相当复杂的【3 8 】。人们总是希望烟气能够以相同的设计 速度平行流过各电场内的极板之间的平行通道，然而，由于设备本身的结构方面和某些 组成部件布置的不合理以及其它原因，致使气流出现紊乱状态。这些紊乱包括：气流沿 电场整个流通截面上的分布不均：场内局部区域出现涡流和偏离方向的气流冲击，射流 或大的脉冲气流等。 电除尘器内出现气流紊乱现象的原因是多方面的【3 9 】，除了设备本身的结构问题之 外，气流设备之间以及气流内部之间的摩擦，气流方向的改变，气流速度的突然变化， 灰尘的沉积，烟气通路下物体的节流以及设备的漏风等，都是引起气流紊乱的复杂原因。 电除尘器中出现的气流紊乱，会对设备的除尘性能产生不利影响，导致除尘效率的 下降【4 0 ，4 。混乱的气流能使本来振打下来的灰尘又重新返回气流带走，处于涡流区域的 电极会引起积灰，因而产生不均匀的电晕放电，使除尘过程处于不正常的状态。造成紊 乱的诸多因素中，粉尘沿整个流通截面上的分布不均是造成除尘效率下降的最主要的原 因。如果把整个流通截面分成有限个等面积单元通道，使本来可以清除下来的灰尘不得 不随同气流起流走，从而使这些通道中的除尘效率大幅度下降，而粉尘量过少的那些 单元通道，虽然由于其速度低，在电场内停留时间长，使除尘效率增高，但因通过这些 单元通道的粉尘量所占比例少，故根本补偿不了那些高速单元通道的效率损失，最后的 结果造成除尘器总效率下降。因此，要提高除尘效率，应该首先设法使进入除尘器内各 电场截面的气流分布区域均匀。 河北大学理学硕+ 学何论文 第3 章离子风对除尘器内部电场影响的实验研究 3 1 离子风概述 离子风( i o n i cw i n d ) 是两个相临的高压电极间发生电晕放电时因离子高速运动而诱 导的空气流动现象，它是电晕放电过程中特有的现象，是放电过程电子雪崩引起的高速 离子射流流动，是影响荷电粉尘在电晕电场中运动的因素之一。 1 7 0 9 年，英国人h a u k s b e e 发现，把一根带电的圆管靠近脸部，能感觉到微弱的吹 风感，现在一般认为他是最早直接观察到离子风的人。其实早在1 6 7 2 年，真空泵发明 者g u e r i c k e 利用一个自制的摩擦起电机研究有尖端的导体吸引带电体的现象时，发现被 摩擦的硫磺球能在黑暗中发光，并可以听到嗡嗡的声音，这是最早发现的有文字记载的 电晕放电现象，实际上听到的就是离子风的声音【4 2 】。此后f a r a d a y ，m a x w e l l 和n e w t o n 等学者都曾研究过h a u k s b e e 发现的现象，直到1 8 9 9 年，c h a t t o c k 才第一个对离子风进 行了分析，第一次给出了离子风现象的定量解释。1 9 3 6 年s e n f t l e b e n 首先发表了在强电 场作用下气体自然对流换热的加强，随后以放电现象近代开拓者l o e b 为代表的学者才 开始从严格的理论研究着手探索产生离子风的内在机制。 虽然我们很容易就能观察到离子风的现象，但是它的测定又是比较困难的，原因是 任何置于该电场中的探头，将受到电场、电子和离子的影响。很多研究者讨论了离子风 现象，l i a n g 和l i n 由半经验公式计算出圆形电晕极与平板接地极间的平均离子风速为 1 1 6 2m s 4 3 , 4 4 】。实际上，随着离子与电晕极距离的增加，高速运动的离子会与许多的 未离子化的气体分子发生碰撞，使离子本身运动的速度很快衰减。目前，关于离电晕区 较远的电场中的电风大小尚缺乏确切的描述。收尘电场中离子风的存在有助于尘粒向收 尘极板沉降，从而有利于提高电除尘器的除尘效率【4 5 】。所以，离子风的研究对分析电除 尘器收尘机理具有重要意义。 3 2 实验方法 针对线板型高压静电除尘器中放电极与收尘极的不同配置，考虑了以下两种情况， 实验过程中，极板长度l = 1 2 3 c m 始终保持不变，h = 2 b 。将一个电阻为1 6 7 g f 2 的静电探 针从极板边缘的d , - 孑l 处缓缓伸进除尘器内部空间，该静电探针与灵敏电流表相连，每次 伸入的长度为l c m ，记录在放电极上施加不同的电压下，空间内部采样点的电流值。 1 4 第3 章离子风对除乍器内部电场影响的实验研究 i i 3 2 1一根电晕线情形 气 流 进 口 r - - - - - _ ；5 爿土ill abcde 弋 h x 图3 1 一根电晕线时的线板配置 考虑以下两种情况( 1 ) s = 5 2 c m ，b = 1 0 c m( 2 ) s = 5 2 c m ，b = 1 2 5 c m 两种情况 3 2 2 两根电晕线情形 气 流 进 口 y cab h 上 i d - x 图3 - 2 两根电晕线时的线极配置 考虑以下三种情况并将( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 中的cab 规定为c 1 、a 1 、，b 1 ；c 2 、a 2 、 b 2 ；c 3 、a 3 、b 3 。 ( 1 ) s = 5 2 c m b = 1 2 5 c m a = 1 0 c m ( 2 ) s = 5 2 c m b = 1 2 5 c m a = l5 c m ( 3 ) s = 5 2 c m b - 12 5 c m a = 2 0 c m 3 3 结论及分析 1 5 i上 河北大学理学硕士学位论文 3 3 1 空间距离与电流的关系 3 3 1 1 单根电晕线 通过实验测定在不同电压下单根电晕线的空间距离与电流的关系，可以得到以下图 形，图( 3 3 ) 为s = 5 2 c m , b e l o c m ，图( 3 4 ) 为s = s 2 c m , b = 1 2 5 c m 时在电压为5 0 k v 时的曲 线。 幽3 - 3s = 5 2 c mb = 1 0 c m幽3 - 4s = 5 2 c mb ：1 25 锄 在实验过程中发现，电场作用距离随放电电压的增加而加大，对于单根电晕线放电 电压为2 0 k v 时空间电场可以作用到c 点，3 5 k v 时可以作用到d 点，4 0 k v 时可以作用 到e 点。 从图中可以看出在探针向电晕线靠近的过程中，a 点的电流值比其它点的电流值 明显要太，而且其电位梯度也明显陡峭。b 、c 、d 、e 各点的电流依次减小，表明该区 域的电场强度较低；从其梯度来看比较平缓，说明其电场分布均匀该现象说明在b 、 c 、d 、e 各点区域可以进一步提高放电电压以提高放电强度，增加区域中的离子浓度， 为进入该区域中的粉尘粒子充分荷电提供物质基础，由于电场梯度平缓，不利于荷电粉 尘在该区域中的定向移动，因此合理的极配方式将使电场分布更具合理性。图中电流大 小分布的原因是因为在电晕放电时产生的离子具有一定的驱进速度，在距电晕线越远的 地方，负离子能够到达的几率越小，能够探测到的负离子的数目越小，所以直到4 0 k v 时才可以探测到e 点的电流值：而随着电压的升高，一方面电晕放电产生的负离子数目 增多，另一方面电场强度变大，使得离子的驱进速度变大，两者共同作用使得在距电晕 线较远的地方，随着电压的升高能够逐渐探测到电流存在，并且距电晕线越远，电流值 一一lo 第3 章离子风对除尘器内部电场影响的实验研究 越小。 3 3 1 2 两根电晕线的情形 当电晕线上施加5 0 k v 的电压时，测得c 、a 、b 三点在( 1 ) s = 5 2 c m ，b = 1 2 5 e r a ，a = l o c m ( 2 ) s = 5 2 c m , b = 1 2 5 c m , a = 1 5 e m ( 3 ) s = 5 2 c m ，b = 1 2 5 e r a ，a = 2 0 c m 三种情况下的空间电流与 距离的关系分别如图( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 所示： 024681 0位 强妇m 球n 图3 5 s = 5 2 e mb = 12 5 e ma = 10 e m 图3 _ 6 s = 5 2 c mb = 1 2 5 e ma = 1 5 e m 图3 7 s = - 5 2 c mb = 12 5 c ma = 2 0 e m 从图中可以看出，随着放电极间距的增加，c 、a 、b 的空间电流曲线变缓，与电 晕线正对的a 点的空间电流最大，其电位梯度最陡峭，在该方向上电场强度大，驱进速 度大，离子空间浓度大，粉尘易被荷电向收尘极做定向运动。c 、b 两点的电流值较小， 1 7 罄笱甜复俦协住8 6 4 2 o 一：c9jijo 茁签斟忽侣憾协住竹8 6 4 2 o (v：一芑罂jno 嚣为孔忿笱储他似住8 e 4 2 o 一3一_cm_jj：o 河北大学理学硕士学位论文 量皇奠i li1 1 1 | 置置奠皇皇皇置暑毫鼍皇詈詈皇詈皇鲁詈置曼曼曼詈詈葛詈曼皇量寡皇暑鼍鼍 说明在该区域的电场强度小，离子的驱进速度小。 3 3 2 电晕线间距对空间电流的影响 仍取以上两根电晕线时的三种配置，考虑在不同放电极间距下a 、b 两点的电流变 化。 3 3 2 1 与电晕线正对的a 点 图3 82 0 k v o2468住铒 图3 1 03 5 k v 1 8 图3 - 93 0 k v (vn)芒9jjno 一3苫cme了q 第3 章离子风对除尘器内部电场影响的实验研究 鼍鲁皇曼暑葛量喜皇鲁曼墨葛i l l11|,i鼍鼍曹皇暑鲁鲁曼量鲁曼 d i s t 扪( c m ) d i i 妇n 。e ( 伽哼 图3 1 24 5 k v图3 - 1 35 0 k v 由上图可以看出随着放电极上电压的增加，与电晕线正对的a 点在不同的放电极间 距下，空间电流大小分布基本相同，即该点的电流值不受相邻放电极的影响，可以得出 在上述情况下，该点的离子风将不受另外放电极的影响 3 3 2 2 两根电晕线之间的b 点 1 0 8 ，、 8 已 董 巴4 l j o 2 o d i s t a n o e ( c m ) 图3 1 4 2 0 k v 024 681 01 21 4 d i s t a n c e ( c m ) 图3 1 63 5 k v 图3 1 5 3 0 k v 1 9 图3 1 74 0 k v 河北大学理学硕士学位论文 图3 1 84 5 k v图3 1 95 0 k v 由上图可以看出，当探针伸入除尘器内的距离小于4 厘米时，三者的空间电流基本 相同，探针伸入除尘器内的距离大于4 厘米时，b 1 的空间电流明显比相同电压下b 2 、 b 3 的空间电流大，这是因为电晕放电时产生的正负离子基本上都在以电晕线为轴心的 一个圆柱内，由于极板附近的电场强度较低，离子在该处的驱进速度小，且该区域中的 电荷来自于放电电荷的扩散作用，因此数量较少，浓度较均匀，所以造成在距离小于4 厘米时电流( 也就是电位) 基本相等。当探针靠近电晕线时，由于电晕放电产生的离子 在电场的作用下迅速飞离该区域，因此使得该区域离子浓度梯度较大，表现为放电电流 较大、电场梯度较为陡峭。由于距电晕线越近，电晕放电产生的电荷越多，线板距离越 近，离子的飞行距离越短，所以在同一空间点，b l 的空间电流值明显比b 2 、b 3 的空 间电流值大。对于b 2 、b 3 ，两放电极距离越近，在两放电极中间区域由放电产生的离 子数目越多，所以b 2 的空间电流比b 3 的空间电流大。另外，当放电极相邻很近时， 他们之间的相互作用很强，影响各自的放电，随着放电极间距的增加，电极间的相互影 响减弱，有利于单根电晕线形成电晕放电，并且在放电系统由多根电晕线组成的情况下， 电晕线间的电场趋于均匀，有利于拓展除尘器对空间粉尘粒子的作用，从而提高除尘效 率。 3 4 本章小结 由上述分析可得，在距电晕线越远的地方电流值越小，电场强度越小，离子在该处 的驱进速度越小，离子风速越小正对电晕线的空间点的电流值不随电晕线间距的改变 2 0 第3 章离子风对除乍器内部电场影响的实验研究 而改变。当电晕线间距不同时，在两电晕线之间点的空间电流随着电晕线距离的增大变 小，梯度变大。在除尘器内部距收集板距离小于4 c m 时，在不同的电晕线间距下，空间 电流值基本相同。当放电系统由多根电晕线组成的情况下，电晕线间的电场趋于均匀， 有利于拓展除尘器对空间粉尘粒子的作用，从而提高除尘效率。 2 l 河北大学理学硕十学何论文 第4 章f l u e n t 流体力学数值模拟 4 1f l u e n t 概述 f l u e n t 4 6 1 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机软件。它的网 格灵活性，允许使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体六面体 金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。并允许根据 解的具体情况对网格进行修改( 细化粗化) 。同时可以纳入a n s y s ，i - d e a s ，n a s t r a n ， p a t r a n 等专门生成网格的软件。可计算的物理问题类型有： ( 1 ) 任意复杂外形的二维三维流动。 ( 2 ) 可压、不可压流。 。 ( 3 ) 定常、非定常流。 ( 4 ) 无粘流、层流和湍流。 ( 5 ) 牛顿、非牛顿流体流动。 ( 6 ) 对流传热，包括自然对流和强迫对流。 ( 7 ) 热传导和对流传热相耦合的传热计算。 ( 8 ) 辐射传热计算。 ( 9 ) 惯性( 静止) 坐标、非惯性( 旋转) 坐标下中的流场计算。 ( 1 0 ) 多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子静子相互干扰问题的混合 面等问题。 ( 1 1 ) 化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型。 ( 1 2 ) 源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源和化学 组分源项等形式。 ( 1 3 ) 颗粒、水滴和气泡等弥散相的轨迹计算，包括弥散相与连续项相耦合的计算。 ( 1 4 ) 多孑l 介质流动计算。 ( 1 5 ) 用一维模型计算风扇和换热器的性能。 ( 1 6 ) 两相流，包括带空穴流动计算。 ( 1 7 ) 复杂表面问题中带自由面流动的计算。 简而言之，f l u e n t 适用于各种复杂外形的可压和不可压流动计算。 第4 章f l u e n t 流体力学数值模拟 4 2 程序的结构 利用f l u e n t 软件( 4 7 1 进行流体流动与热传导的模拟计算时，首先要利用g a m b i t 进 行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于f l u e n t 求解器计算 的格式；然后利用f l u e n t 求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。 f l u e n t 是用c 语言写的，具有很大的灵活性与能力。f l u e n t 可以应用多种形式的网 格，然后将网格导入f l u e n t 中进行计算，如果所研究的问题的几何结构比较复杂，直 接在g a m b i t 中产生较为困难，也可以在c a d c a e 等绘图软件中产生几何结构，然后 导入g a m b i t 中进行网格划分。一旦网格被读入f l u e n t ，剩下等任务就是使用解算器进 行计算了。其中包括定边界条件和物质属性、调整网格、进行计算、对结果进行后处理 并显示结果等等。 f l u e n t 程序软件由以下几个部分组成； ( 1 ) g a m b i t - 一用于建立几何结构和网格的生成。 ( 2 ) f l u e n 卜软件的核心，用于进行流动模拟计算的求解器。 ( 3 ) p r e s p d f 用于模拟