（环境工程专业论文）高风速横向极板电除尘技术理论分析与实验研究.pdf

删燃煳 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 高风速横向极板电除尘技术理论分析与 实验研究 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y o n h i g hv e l o c i t yt r a n s v e r s e p l a t ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r 姓 2 0 1 0 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 目前，我国工业进入高速发展的阶段，大气污染造成的环境问题 也越来越严重。治理大气污染物已成为十分紧迫的任务，其中电除尘 器由于效率高、能耗低、能处理大烟气量的高温烟气，是颗粒物污染 控制设备中应用最广泛的一种，在大气环境污染控制方面起到了很重 要的作用。 课题分别进行了理论分析、c f d 模拟计算及实验研究三阶段工 作。针对现有电除尘器存在的问题，对电除尘器的结构进行一定改进 与优化，设计一种新型高风速横向极板电除尘器，以期能够解决电除 尘器体积庞大，成本过高的问题。 文中在横向极板电除尘器设计过程中引入计算流体力学( c f d ) 技 术，数值模拟计算使用f l u e n t 流体仿真软件系统，采用s i m p l e 算法， 处理横向极板电除尘器内复杂旋流场时采用r n gk 模型，对课题设 计的新型高风速横向极板电除尘器除尘区域内流场进行数值模拟，并 根据数值模拟结果对横向极板电除尘器的设计和运行进行优化。模拟 结果表明，电除尘器内部整体气流分布较好，集尘板间隙处风速较高， 可有效减少离子复合，从而提高除尘区域中电晕离子浓度；同时流场 分布的模拟结果表明集尘极板背面风速较小，有利于捕集灰尘。根据 数值模拟结果，可以得知横向极板电除尘器的除尘性能较好，技术经 济性较佳。 实验研究中首先建立实验室规模的横向极板电除尘系统，设计可 行性实验，考察注入能量密度西，气流速度y ，集尘板间距d 等因素 对自制小型横向极板电除尘装置的离子浓度的影响。实验结果表明， i i 江苏大学硕士学位论文 在横向极板电除尘系统中，随着风速v 的提高，增加了电晕离子的动 量，系统离子浓度最高达2 4 2 1 0 9 c r n 3 ，除尘装置有效的提高了离子 输运率，大大增加了尘粒荷电的几率。 结合离子浓度实验的结果，设计新型高风速横向极板电除尘器， 并进行模拟烟气净化实验，通过考查外加电压u ，烟气流速v ，粉尘 浓度日等因素对模拟烟气除尘效率的影响。实验结果表明，当集尘极 板间距d = 4 0 m m ，外加电压u = 1 8 2 7 k v ，系统风量o = 3 0 5 0 m 3 h ，气流 速度v = 3 5 3 m s ，烟尘浓度o l = 5 5 9 m 3 ，有效除尘面积s e = 5 7 6 m 2 时， 横向极板电除尘系统除尘效率刀可达到9 8 1 2 。在保证除尘效率的 同时，有效提高了电场内气流速度，对粒径在8 。2 5 1 x m 范围内的微细 尘粒去除效果良好，捕集效率在9 0 以上，性能远远超过传统电除尘 器。 关键词：横向极板电除尘器，计算流体力学，数值模拟，离子浓度， 除尘效率 l l i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , w h i l et h ei n d u s t r yo fo u rc o u n t r ys t e p e di nah i g h l yd e v e l o p m e n ts t a g e ， t h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e mc a u s e db yt h ea t o m o s p h e r ep o l l u t i o nh a db e c a m ew o r s e t h a ne v e rb e f o r e h o wt og o v e r nt h ea t o m o s p h e r ep o l l u t i o nt u r nt oau r g e n tm i s s i o n b e c a u s et 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 ( e s p ) c a nr e m o v et h ed u s tw i t ht h eh i 【g h t e m p e r a t u r ea n dh i i g hh u m i d i t y , a n dt h ee s ph a st h ee n o r m o u ss m o k et r e a t i n gc a p a c i t y w i t hl e s sp r e s s u r el o s e s ，s ot h ee s pi su n i v e r s a l l ya c c e p t e da sah i g h l ye f f e c t i v e e q u i p m e n t t h ee s p a l s op l a yai m p o r t a n tr o l ei na i rp o l l u t i o nc o n t r o lf i e l d i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c h e rc o n d u c tt h es t u d yw i t ht h e r o ya n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o nb yc f da n de x p e r i m e n t a ls t u d yr e s p e c t i v e l y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m a b o u tt h eb u l k yv o l u m eo ft h ee s pa n dt h el a r g ei n v e s t m e n t ，t h ep r o j e c td e s i g n e da n e wt y p et r a n s v e r s ep l a t ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rt h r o u g hm e n d i n ga n do p t i m i z i n g t h es t r u c t u r eo ft h et r a d i t i o n a le s p i nt h ed e s i g n p r o c e s so ft h e t r a n s v e r s e p l a t ee s p , t h i si s s u ee m p l o yt h e c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c sm e t h o d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o c e s sw a s c o n d u c t e db yt h ef l u e n ts o f t w a r e a n di nt h es i m u l a t i o np r e c e d u r et h es i m p l e a l g o r i t h mw a su s e d t oc a l c , 1 a t et h em o d e l ，t h eg e o m e t r ym o d e lw i sd i v i d e db y g a m b i ts o f t w a r ew h i c hi so n ek i n do fp r e p r o c e s s i n gs o f t w a r e ，a n dt h er n gk - m o d e lw a sa l s ou s e dt os o l v et h et u r b u l e n tf i e l di nt h et r a n s v e r s ep l a t ee s et h e n a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h er e s e a r c h e ro p t i m i z et h ed e s i g na n d s t r u c t u r eo ft h et r a n s v e r s ep l a t ee s em e a n w h i l e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t e dt h a t t h eg a sf l u i di n s i d et h ee s pd i s t r i b u t ep e r f e r a b l y , a n dt h ei o nr e c o m b i n a t i o nw a s e f f e c t i v er e d u c e dt h r o u g ht h eh i g hg a sv e l o c i t yb e t w e e nt h ed u s tc o l l e c t i o np l a t e s o t h ei o nc o n c e n t r a t i o nw a s g r e a t l yi m p r o v e d ；t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg a sv e l o c i t yi n t h er e v e r s eo ft h ep l a t ei ss m a l lt ot h eb e n e f i tf o rc o l l e c t i n gd u s t a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h et r a n s v e r s ep l a t ee s ph a sg r e a tp e r f o r m e n ti np u r i f yt h ed u s t t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yw a sc o n d u c t e db yt h es e l f - d e s i g n e dt r a n s v e r s ep l a t ee s p , t h ei o nc o n c e n t r a t i o ne x p e r i m e n t a ls t u d yi n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo ft h ei n p u te n e r g y d e n s i t y 庐g a sv e l o c i t y ，a n dt h ep l a t ei n t e r v a ldo nt h ei o nc o n c e n t r a t i o ni nt h ee s e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c i t e dt h a tt h em o m e n t u mo ft h ei o ni n c r e a s e dw i t ht h e g a sv e l o c i t yi n c r e a s i n g i nt h et r a n s v e r s ep l a t ee s et h ei o nc o n c e n t r a t i o ni nt h e s y s t e mc o u l dr e a c h e d2 4 2 x 1 0 9 c m 3 a l lo ft h i ss h o w e dt h a tt h ed e v i c ei m p r o v e dt h e 江苏大学硕士学位论文 i o ng e n e r a t i o no b v i o u s l y c o m b i n ew i t ht h er e s u l t so ft h ei o nc o n c e n t r a t i o ne x p e r i m e n t ，t h es t u d yc a r d e d t h es i m u l a t eg a sp u r i f i c a t i o ne x p e r i m e n to nt h es e l f - d e s i g n e dt r a n s v e r s ep l a t ee s e f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ed u s tc o l l e c t i n ge f f i c i e n c yc a ni n c r e a s et oa b o v e 9 8 1 2 ，w h e nt h ed i s t a n c eo f ( i ) t y p ec o l l e c t i n gp l a t e si s4 0 m m ，i n i t i a ld u s td e n s i t y i s5 5 9 m j ，w o r k i n gv o l t a g ei s1 8 2 7 k v ，t h ea r e ao fe f f e c t i v ed u s tc o l l e c t i n gp l a t e si s 5 7 6 m z ，t h eg a sv e l o c i t yi s3 5 3 m s ，a n dt h ea i rf l o wr e a c h3 0 5 0 m h ；m e a n w h i l e ， t h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo ff i n ep a r t i c l e s ( p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ni s8t o2 5 i ，t m ) i n t r a n s v e r s e p l a t e e l e c t r o s t a t i c s p r e c i p i t a t o rs y s t e m i sa b o v e9 0 ，a n dt h ei o n c o n c e n t r a t i o ni nd u s ta b a t e m e n ta l s ob ee n h a n c e dt o2 4 2x1 0 9 0 1 1 3w h e nt h eo t h e r c o n d i t i o n sr e m a i nc e r t a i n t h e r e f o r e ，t h el e n g t h ，s e c t i o na r e aa n dv o l u m eo fe s pa r e r e d u c e db ys e v e r a lt i m e sc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lc o n s t r u c t i o ne s pa n di t s m i n i a t u r i z a t i o ni sr e a l i z e d k e y w o r d s ：t r a n s v e r s ep l a t ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；i o nc o n c e n t r a t i o n ；c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 静电除尘技术的现状与发展1 1 1 1 静电除尘技术的研究现状1 1 1 2 静电除尘技术的发展趋势2 1 2c f d 在静电除尘技术的应用4 1 3 课题研究目的与意义6 1 2 1 研究目的6 1 2 2 研究意义6 1 4 课题研究内容7 第二章横向极板电除尘器原理与实验设计8 2 1 静电除尘技术的理论基础8 2 1 1 静电除尘器基本工作原理8 2 1 2 影响静电收尘过程的主要参数9 2 1 3 静电除尘器中的等离子体物理原理1 1 2 2 横向极板电除尘器的基础理论1 3 2 2 1 横向极板电除尘器基本工作原理1 3 2 2 2 横向基本电除尘器本体结构1 4 2 2 3 横向极板电除尘器应用特点分析1 5 2 3 横向极板电除尘器实验装置与方案1 7 2 3 1 横向极板电除尘器结构设计1 7 2 3 2 横向极板电除尘器实验方案1 8 2 3 3 实验仪器与设备1 9 第三章横向极板电除尘器的数值模拟2 0 3 1c f d 数值计算方法2 0 3 1 1 计算流体力学概述2 0 3 1 2 计算流体力学计算过程。2 1 3 2 流体的基本性质2 2 3 3 流体流动的基本控制方程2 3 3 3 1 气体连续性方程2 3 3 3 2 流体动量方程2 3 v i 江苏大学硕士学位论文 3 3 3 湍流控制方程2 3 3 4c f d 数值计算过程2 4 3 4 1 几何模型与网格划分2 4 3 4 2 数学模型2 6 3 4 3 数值模拟结果分析2 7 3 4d 、结2 9 第四章横向极板电除尘器实验与分析 4 1 实验流程与装置。3 0 4 1 1 粉尘特性3 0 4 1 2 实验流程3 0 4 1 3 实验装置3 1 4 2 横向极板电除尘器中离子浓度实验与分析3 2 4 1 1 注入能量密度西对离子浓度k 的影响3 2 4 1 2 集尘极板间距d 对离子浓度k 的影响。3 3 4 1 3 气流速度v 对离子浓度k 的影响3 4 4 1 4 影响离子输运特性实验结果分析3 5 4 3 横向极板电除尘器捕集粉尘的实验与分析3 6 4 3 1 外加电压u 对除尘效率巧的影响3 6 4 3 2 烟气流速v 对除尘效率珂的影响3 7 4 3 3 烟气浓度0 对除尘效率印的影响3 9 4 3 4 不同粒径尘粒的分级除尘效率。4 0 4 3 5 实验结果分析4 1 4 4 横向极板电除尘器与传统电除尘器性能比较4 3 4 5 爿、结4 4 第五章结论与展望。4 7 5 1 结论4 7 5 2 存在问题与建议4 8 参考文献。5 0 致谢! ；5 攻读硕士期间发表的论文 v i i ! ；6 1 1 1 1 1 目前，我国工业进入高速发展的阶段，大气污染造成的环境问题也越来越严 重。治理大气污染物已成为十分紧迫的任务，其中电除尘器由于效率高、能耗低、 能处理大烟气量的高温烟气，是各种工业废气污染控制设备中较为优秀的一种 1 1 - 3 1 。中国的电除尘器几乎占全世界电除尘市场的5 0 ，我国电除尘器产品产值 占整个环保产值的销售收入的7 6 ，随着工业设备的大型化，电除尘器在我国有 着良好的应用前景【4 1 。但是，电除尘器的原材料约有9 0 取自钢材，烟尘在普通 结构的电除尘器内停留时间为4 。5 s ，通常体积庞大，钢材消耗严重；同时随着 2 0 0 4 年我国颁布了新的火电厂国家允许排放标准，烟气排放标准的提高到 5 0 m g m 3 【5 】原有电除尘设备难以满足工业生产的要求。 当前各种形式的静电除尘设备对粒径在0 1 - - l o i t m 范围中的微细尘粒去除 效果普遍不理想，捕集效率通常在8 0 以下。虽然电除尘过程中的尘粒电凝并技 术能在一定程度上增强尘粒在电场中运动性，但是这种方法在实施过程中并不能 显著提高对微小粒子的捕集效率。由于微细尘粒不能有效荷电，除尘电场中的电 晕电流过低，使微细尘粒不能沉降到收尘极板之上。这就需要研究提高脉冲供电 效率的技术，改善脉冲供电与除尘设备结构匹配关系、完善供电控制方式、优化 脉冲供电参数，以期能够提高微细尘粒的收尘效率。 为了提高电除尘器对亚微米粒子的捕集效率，研究者开发出多种形式的电除 尘器，与其他除尘机理复合应用( 如静电湿式除尘、静电过滤除尘、静电旋风除 尘等) 。这些电除尘器通常具有较复杂的结构，尤其是在捕集亚微米粒子方面比 老式电除尘器表现的要好很多。但是还需要进一步的实验来研究它们的集尘性能 新型静电旋风除尘器只是在实验室规模条件下的除尘性能很好，静电过滤除尘器 虽然对亚微米粒子有着很好的收集效率，但是它只能在持续高压条件下运行，能 源消耗很大，不是一种经济型设备。 江苏大学硕士学位论文 由于提高电除尘器内尘粒荷电量还可以从优化电除尘器本体结构入手，有研 究者开发出新型结构电除尘器，如屋顶式、透镜电极、横向电极、宽间距电除尘 器等。电除尘器除尘效率高、阻力小，但投资造价较高。目前开发高风速电除尘 器是一个研究热点，如果电除尘器在维持原有高效率的同时能大幅度提高电场风 速( 提高3 5 m s 以上) ，则有可能大大减少其体积和一次性造价投资。 原西德和苏联学者在上世纪6 0 年代起就开始研究与气流方向垂直布置的收 尘极板，虽然收尘效率稍有提高，但烟气风速还是保持在0 8 1 2 m s ，烟尘在电 场中停留时间还长达3 5 , - 一4 o s m 。1 们。2 0 世纪9 0 年代以后，我国开始了这方面的 研究工作，并取得了一定进展。1 9 9 5 年，白希尧等人n 卜1 2 1 对收尘极板垂直于气流 方向的电除尘器作了可行性研究，采用型收尘极板，得出了横向布置收尘极板 有利于提高尘粒驱进速度、减小电除尘器体积、降低造价等结论。2 0 0 2 年邬长 福等人、2 0 0 6 年陈祖云等人、2 0 0 7 年依成武等人n 3 。1 5 1 的研究结果表明，当烟气 速度为1 0 6 m s ，烟尘在电场中停留时间为1 7 s 时，除尘效率达9 8 1 6 。上述研 究的横向电除尘器，尽管在一定程度上提高了烟尘驱进速度，使电除尘器的体积 有所减小，但是没有有效解决对微细尘粒捕集效率不高、电除尘器离子输运项低 下等问题。 高风速横向极板电除尘器是近几十年才发展起来的新型除尘器，与常规电除 尘器一样在除尘机理方面的研究还不完善。尤其是本文研究的高风速横向极板电 除尘技术，是一种新的放电结构形式，在理论和除尘器结构研究方面才刚刚起步， 一些常规除尘器的理论已经不能完全满足其研究需要。 1 1 2 静电除尘技术的发展趋势 电除尘器做为一种很重要的大气污染防治设备，具有除尘效率高、运行管理 方便和适应性强等优点，目前已广泛应用于冶金、有色、电力、化工、建材行业 等多个工业领域。到e l 前为止，电除尘器的工业应用已有近百年的历史。上世纪 7 0 年代以来，电除尘技术在我国的研发应用有较快的发展，如今电除尘行业的 产值在我国环保设备总产值中占有举足轻重的份量，已成为我国的环保产业中技 术力量较为雄厚、装备水平较高、研发能力较强的行业之一。 最近几年由于法律法规关于烟气排放标准的规定愈加严格，研制能够对亚微 2 江苏大学硕士学位论文 米粒子有较高捕集率的新型电除尘设备显得尤为重要。而电除尘理论研究相对滞 后，急需加强对大气压下放电通道中荷电粒子相互作用机制进行研究，以获取高 浓度的荷电粒子，为解决电除尘荷电技术现存问题提供解决方法。静电收尘技术 研究目的在于提高电收尘器的效率，同时要尽可能减轻其重量，降低一次性投资。 静电除尘技术的发展趋势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 静电收尘技术基础理论的深入研究 静电除尘过程是一个复杂的物理过程，静电力、烟气产生的流体动力和荷电 尘粒之间的作用力在电除尘器内三维空间中同时相互作用，涉及许多科学领域 【1 7 】【1 8 】，还有许多现象不可理解，静电除尘基础理论的研究相对滞后。静电除尘理 论主要研究方向为： a 静电除尘收集基础理论研究。包括收尘效率理论公式，驱进速度计算，粒 子荷电行为等。 b 研究增强电除尘器内尘粒荷电的机理。如磁增强荷电除尘技术、离心脉 冲静电分离技术、无电晕高温荷电技术等。 c 探讨不同烟尘工况与电除尘器设计参数之间的定量关系。如针对不同烟尘 性质、粉尘性质、板线配置、电场强度、烟气速度等进行参数设计选择。 ( 2 ) 研发新式高效静电除尘器 现有的静电除尘器虽然结构形式多种多样，但普遍存在结构不很理想的问 题，如存在二次扬尘、气流分布不均和体积庞大等问题。随着环保要求越来越高， 排放控制越来越严格，开发新型电收尘器，降低投资，提高效率是当务之急。主 要从以下两个方面进行研究： a 研制高风速电除尘器 传统型式的电除尘器，电场风速约为l m s 左右。尽管除尘效率高，阻力小， 但造价较高。如果电除尘器在维持原有效率同时能够大幅度提高电场风速，则可 以大大减少除尘器体积和造价，节省钢材，具有很大的应用前景。 b 电除尘器结构完善创新 继续研发一些新型结构电收尘器，克服现有电除尘器的缺点和不足，使其尽 快推广应用。如透镜电极、屋顶式、横向电极、移动电极、轻质电收尘器、超高 压宽间距电除尘器等。 3 江苏大学硕士学位论文 c 研制与其他除尘机理复合应用的新型电除尘器。如静电湿式除尘、静电过 滤除尘、静电旋风除尘等。这些结构的电除尘器通常具有较复杂的结构，尤其是 在捕集亚微米粒子方面比老式电除尘器表现的要好很多，但是还需要进一步的实 验来研究它们的集尘性能。 ( 3 ) 研究提高电除尘器的供电水平 通过提高供电水平来实现提高电除尘器的除尘效率，主要从以下三个方面进 行研究： a 深入开发电除尘器的脉冲供电技术。主要研究脉冲供电与本体匹配关系、 控制方式、脉冲供电参数优化等。 b 利用电脑在线控制系统，实现电除尘系统管理现代化，提高电除尘器电 场使用效率。 c 研究采用变极性供电技术提高除尘效率。 1 2c f d 在静电除尘技术的应用 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f 聊是通过计算机数 值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分 析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场， 如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替表达，再通 过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然 后求解代数方程组获得场变量的近似值【2 5 1 。 c f d 软件是近年来发展起来的流体动力学模拟软件。因其物理模型丰富，数 值计算方法先进，前后处理功能强大，常用于外部流场和内部的化学反应、燃烧、 传热传质的数值模拟。c f d 的常用离散化方法主要有有限差分法( f d m ) ，有限 体积法( f v m ) 和有限元法( f e m ) ，但常用的是有限容积法和有限元法。如f l u e n t 软件就是基于有限体积法建立的，主要用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体 流动与热交换，可用于二维平面，二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考 系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压缩流和可压缩流的计算、层流和 紊流模型、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与 流体耦合传热分析、多孔介质分析等【2 6 1 。 4 江苏大学硕士学位论文 现代工业生产中对电除尘器的性能、结构、造价、可操作性等方面提出了更 高的要求，但传统结构的电除尘器在很大程度上是根据设计人员的经验参数而设 计，再从实际工作中对参数进行检验并优化各参数，这样会造成许多由于设计参 数的不合理而引起的涡流、回流以及内部压力、气流速度分布的不均匀，往往会 造成除尘效率的偏低和运行阻力的增加，从而造成巨大的经济损失。同时，由于 钢材用量过多，体积庞大，一次投资过高等原因，电除尘器的实验室研究存在很 大的困难。而利用c f d 技术对电除尘内流场进行模拟就能在实验室设计过程中 发现电除尘器结构上的不足，进行结构上的优化，最大限度的避免电除尘器设计 达不到要求情况的发生。目前在电除尘领域中，c f d 技术主要用多相流模型来模 拟除尘器的流场特性和粉尘颗粒的运动轨迹。 杨衡等以计算流体力学( c f d ) 软件研究了电收尘器电场内返流损失与气流 流型之间的关系，通过调整各气流分布板的阻力改变气流流动的状态，为合理设 计电除尘器的气流流型提供了重要参考【勰1 。党小庆等利用c f d 方法对电场内的 气流分布进行数值模拟，给出了在电场内实现斜向气流分布时气流分布板结构调 整方法和参数【2 9 1 ，并且对大型电除尘器进口管道流量分配和电场进口断面气流分 布进行了数值模拟计算，根据计算结果得到管道导流板和气流分布板上导流片的 布置方案，利用模型试验验证了数值计算的结果与试验结果基本吻合。 胡满银等利用f l u e n t 软件模拟了横向极板电收尘器内的流场特征，在与实测 数据进行对比之后，可以看出使用的模型和方法是合理的，结果说明c f d 技术 能够对流场情况进行合理的模拟。并在基对横向极板电除尘器内二维流场进行了 数值模拟础上，得出了横向极板电除尘器内部流场随入口流速的增加，湍动性增 加，阻力损失也会增大的结论，对c f d 技术在电除尘器设计领域具有较强的研 究参考价值【4 3 1 1 4 4 1 。 利用计算流体力学( c f d ) 技术对电除尘器进行设计研发，使电除尘器本体内 的速度场，压力场达到最优化，将会有效降低由于设计不合理而导致的除尘效率 降低和设备运行阻力过大等情况，从而使电除尘器更好地满足市场的需求，降低 电除尘器的一次性投资。但由于c f d 技术模拟电除尘器内流场的研究还处于刚 起步阶段，这一技术的广泛应用还存在着诸多难题，研究者还应进行更深一步的 研究，开发出更适用于电除尘器流场模拟的数学模型和分析测试手段，使c f d 5 江苏大学硕士学位论文 技术在电除尘器的设计中得到更为广泛的应用。 1 3 课题研究目的与意义 1 2 1 研究目的 本文研究的新式横向极板电除尘器不论是在理论上还是在实际应用上都还 处于探索时期，设计装置时目的明确，贯彻“高风速 理论，旨在实验研究，结 合现有先进技术，力求电除尘装置的先进性，主要研究目的为以下三个方面： ( 1 ) 采用高风速横向极板电除尘技术，研究利用提高带电粒子动量的方法解 决电除尘器内离子输运项低下的问题，使除尘区域内获得较高的粒子浓度，进而 增加尘粒的荷电量，提高带电粒子在电场内的驱进速度，解决因现有电除尘器存 在烟尘粒子驱进速度低，而造成捕集微细尘粒效率低的问题。 ( 2 ) 使用计算流体力学( c f d ) 技术对横向极板电除尘器内流场进行数值模 拟，为电除尘器的设计研发提供理论参考，在降低投资风险的情况下，使除尘器 更好的满足生产需求。 ( 3 ) 结合本文自行设计的横向极板电除尘器离子浓度实验和数值模拟结果， 进行模拟烟气净化实验，通过考查外加电压u ，气流速度v ，粉尘浓度0 等因素对 模拟烟气除尘效率的影响，研究其除尘性能并从等离子体物理的观点讨论其机 理。 1 2 2 研究意义 随着烟气排放标准的不断提高，电除尘器以其出众的效率优势，从众多除尘 设备中脱颖而出。目前虽有过滤式( 布袋式) 除尘器或可与之比肩，但在当今工业 规模化的发展趋势之下，待处理的烟气风量越来越大，过滤式除尘器在处理大风 量、超大风量的情况下，完全无法与电收尘器相比，待处理烟气风量越大表现出 来的差距也越明显。 然而，传统型式的电除尘器为了获得较高的除尘效率，只有把除尘器电场区 域内的风速降n o 6 1 2 r r g s ，通常尘粒在除尘器内停留的时间要高达4 5 s 。这相 当于延长了除尘器内电场的长度，造成传统结构电除尘器体积臃肿庞大，钢材浪 6 江 苏大 费严重，设备一次性投资大。 课题的研究意义即在于，依 的特点，通过理论分析和实验研 参数，从而缩短粉尘在收尘器内的停留时间。减小电收尘器的体积，节约大量钢 材，减少除尘设备的一次性投资，降低成本。在理论上，将流体力学、电动力学、 静电力学有机的结合起来，并将其应用到电除尘器理论之中，是对现有电除尘器 理论的变革与创新；同时在实践当中，它将成为发展中国家企业所能承担的高效 率、低成本的新型电除尘器，为社会造福。 1 4 课题研究内容 本课题以高风速横向极板电除尘器为研究对象，通过理论分析与实验研究的 方式，确定实验室规模的高风速横向极板电除尘器的最佳设计参数，为研究高风 速电除尘技术提供理论依据，具体研究内容如下： ( 1 ) 针对现有电除尘器存在的问题，对电除尘器的结构进行一定改进与优化， 设计一种新型高风速横向极板电除尘器，以期能够解决电除尘器体积庞大，成本 过高的问题； ( 2 ) 在横向极板电除尘器设计过程中引入计算流体力学( c f d ) 技术，数值模 拟计算使用f l u e n t 流体仿真软件系统，采用s i m p l e 算法，处理横向极板电除尘 器内复杂旋流场时采用r n gk - e 模型，对课题设计的新型高风速横向极板电除尘 器除尘区域内流场进行数值模拟，并根据数值模拟结果对横向极板电除尘器的设 计和运行进行优化； ( 3 ) 设计可行性实验，考察注入能量密度痧，气流速度y ，集尘板间距d 等 因素对自制小型横向极板电除尘装置的离子浓度的影响。同时由单因素实验得出 的一般规律，来设计多因素实验，寻求提高离子浓度的各因素的最优组合，并通 过实验来验证； ( 4 ) 结合离子浓度实验的结果，设计新型高风速横向极板电除尘器，并进行 模拟烟气净化实验，通过考查外加电压u ，烟气流速v ，粉尘浓度0 等因素对模 拟烟气除尘效率的影响，通过正交分析实验设计找出最佳参数组合，从而确定装 置最适除尘条件。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章横向极板电除尘器原理与实验设计 2 1 静电除尘技术的理论基础 2 1 1 静电除尘器基本工作原理 电除尘器是使用静电力使待处理烟气中的尘粒分离出来的装置。工业生产中 的电除尘器虽然有诸多型式和结构，但是电除尘器都是依据相同的基本原理设计 制造的。利用静电除尘技术去除烟气中的悬浮颗粒，主要包括以下四个复杂而又 相互关联的物理过程【蛔： ( 1 ) 烟气电离； 由于物质的原子是由带正电荷的质子与不带电荷的中子组成的原子核以及 在核外高速运动的带负电的电子组成，而电子比较容易受撞击或外部作用力影响 而脱离原子核的束缚，成为带负电的“自由电子 ，同时这些自由电子有些还会 附着在其他颗粒或分子上，成为带负电的质点，称为“负离子。气体分子失去 一个电子以后，就多出一个正电荷，呈现出带正电的性质，称为“正离子 。这 种中性气体分子分离为正离子和负离子( 包括自由电子) 的现象，称为气体的电 离。电除尘器内装配有电晕电极和集尘电极，在电晕电极上施加高压直流电，集 尘电极接地。当高压直流电超过临界电压时，电晕电极周围产生电晕现象，同时 使电晕电极周围的烟气电离，产生阳离子和阴离子。 ( 2 ) 尘粒的荷电； 当外加电压进一步加大，除尘器内烟气电离的范围逐渐扩大，最后导致两极 间的烟气全部电离。在电晕极附近的电晕区内正离子立即被放电极( 假定带负电) 中和，自由电子和随即形成的负离子则因受电场力的驱使向集尘极运动，并充满 到两极间的绝大部分空间。当烟气气流通过电场空间时，气流内粉尘粒子和自由 电子或负离子碰撞结合，便实现了粉尘的荷电。 ( 3 ) 荷电尘粒向集尘极运动并被捕集； 荷电粉尘在库伦力的作用下向集尘极板运动，经过一段时间后到达收尘极表 面，当烟尘和集尘电极接触后，烟尘随后放出所携带的电荷附着在集尘极板上。 8 图2 一l电除尘器尘粒荷电机理 f i g 2 - 1t h ee l e c t r i c a l l yc h a r g e dm e c h a n i s mo fe s p 2 1 2 影响静电收尘过程的主要参数 电除尘器的除尘效率是指一个时间段内电除尘器去除的烟尘量与进入电除 尘设备的污染物数量之比的百分数，是衡量电除尘装置性能的主要技术指标，除 尘效率的高低决定了除尘设备对含尘气体所能达到的净化程度。 假设烟气气流的流向为x 轴方向，气体与尘粒的流速皆为v ( m s ) ，烟气流量 为a ( m 3 - s 。) ，烟气的含尘浓度为c ( g n 1 m 。) ，在气流流动方向上每单位长度的集 尘极板面积为am 2 m 。1 ) ，集尘极板总面积为a ( m 2 ) ，电除尘器内电场长度为l ( m ) ，烟气在电除尘器除尘区域内流动方向上的横断面积为s ( m 2 ) ，荷电粒子的驱 进速度为( m s ) ，则在出时间内，电除尘器在血空间中捕集到的尘粒质量可表 示为： d m = a c o c ( d x ) ( d t ) = 一s ( a x ) ( d c )( 2 1 ) 由于v d t = d x ，代入上式得： 9 江苏大学硕士学位论文 口缈，如 积= 一 s vc ( 2 2 ) 将2 2 式由电除尘器入口的含尘浓度为c o 到出口的含尘浓度为c 1 进行积分， 同时由于s v = q ，吐= a ，便可以得到电除尘器理论除尘效率方程( 即多依奇除 尘效率方程) ： ，7 = 卜c 0 = 1 - e x p ( 一西a 缈) ( 2 - 3 )c 0 蟛 由电除尘器除尘效率计算公式可以得知，影响电除尘器除尘效率的因素主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 烟气流量；电除尘器的除尘效率是指待处理烟气量在设计范围内而言的， 如果处理烟气量超出电除尘器的允许范围时，将会造成除尘效率显著降低，主要 原因是由于气体流速增大，降低了烟气中的粉尘与除尘区域中电离离子结合的机 会，加大了粉尘微粒被高速气流带走的机率，同时也会产生二次扬尘现象。 传统结构电除尘器为了获得较高的除尘效率，气流流速一般为0 6 1 3 m s ， 这样虽然增大了粉尘微粒的荷电机率，但是降低了电除尘器内气流速度，多使电 除尘器普遍体积庞大。本文主要针对这一问题进行研究探讨，力图通过改进电除 尘器的内部结构形式，提高电除尘器在高风速条件下的除尘效率，从而减少钢材 的浪费和投资成本。 ( 2 ) 烟尘浓度；气体在电晕极和集尘极所形成的非均匀电场中发生电离，电 离产生的正离子向电晕极运动；电离产生的负