（环境工程专业论文）高风速横向极板电除尘器的数值模拟.pdf

独创性声明 l i l l111t ll l lli iii i i iiil 17 4 8 7 4 3 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。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已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。 学位论文作者签名：王廷艮 日期：别d 年6 月j l 囫 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rh i g hg a sv e l o c i t ye l e c t r i c a l p r e c i p i t a t o rw i t h t r a n s v e r s ec o l l e c t i n gp l a t e s 姓 2 0 1 0 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 电除尘器是目前最有效和应用最广的除尘装置之一。但由于其体积大， 一次投资过高，钢材用量过多等因素严重制约了其更进一步的应用，也给 实验室研究带来很多困难。 高风速横向极板电除尘器采用一种新的设计方法，能够提高电除尘器 内部离子浓度，有利于粉尘荷电进而有利于除尘效率的提高。而且随着计 算机技术的发展，尤其是数值模拟技术的应用，使得电除尘数学模型的更 精确求解以及形象直观地显示求解结果成为可能。电除尘器数学模型己经 成为电除尘器设计、评价和研究的重要辅助手段。本文在全面系统地介绍 静电除尘器去除空气中颗粒污染物原理的基础上，研究f l u e n t 计算流体 软件在电除尘器中的应用，建立了适合该软件求解的电除尘器数学物理模 型，构造了适合该软件求解的控制方程及边界条件，控制方程包括- 颗粒荷 电方程，电场方程和离子守恒方程，气体质量、动量的时均守恒方程，颗 粒运动动力学方程。 利用计算流体力学( c f d ) 技术对高风速横向极板电除尘器进行数值 模拟。计算采用s i m p l e 算法，用前处理软件i c e m 对几何模型进行网格 划分，用f l u e n t 软件借助离散相模型考查风速，粉尘粒径，电压三种因 素与除尘效率之间的关系，得出除尘效率随电压，粉尘粒径的提高而增大， 风速在一定范围内成为了提高除尘效率的有利因素。数值模拟的结果可以 指导高风速横向极板电除尘器的设计和运行优化。结果表明，高风速横向 极板电除尘器在保证除尘效率的情况下可以提高电除尘器处理烟尘量，实 江苏大学硕士学位论文 现电除尘器的小型化，降低了其一次性投资，从而有利于其更广泛的应用。 关键词：电除尘器，横向极板，计算流体力学( c f d ) ，数值模拟，气固两相 流 江苏大学硕士学位论文 e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o ri so n eo ft h ed u s t p r e c i p i t a t e de q u i p m e n t sw h i c h i sm o s te f f e c t i v ea n dw i d e l yu s e d b u tt h el a r g es i z e ，c o s t l yi n v e s t m e n t ，a n d h i l g h s t e e lc o n s u m p t i o ns e r i o u s l yr e s t r i c t ei t sw i d ea p p l i c a t i o n ，a n da l s ob r i n gm a n y d i f f i c u l t i e si nl a b o r a t o r ys t u d i e s an e w d e s i g nw a s u s e di nt h i sr e s e a r c h ，a n dc o r o n aw i r ew a s p l a c e di nt h e g a po ft h ec o l l e c t i o np l a t ew h e r et h e r ew a sah i g hg a sv e l o c i t y t h er a t eo fi o n t r a n s p o r ta n d t h ed u s tc h a r g e dc o u l db ei m p r o v e d i tw a sf e a s i b l et oo b t a i nm o r e a c c u r a t ea n dv i s u a lr e s u l t sw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rs c i e n c ea n dt h e a p p l i c a t i o no ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em o d e l i n go ft h 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 h a sb e e na n i m p o r t a n t a s s i s t a n to f d e s i g n i n g ，e v a l u a t i n ga n d s t u d y i n ge l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r s ( e s p s ) t h i sp a p e rs t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no ft h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n a ls o f t w a r e f l u e n ti ne l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r s ，b u i l tt h em a t h e m a t i c a lp h y s i c a lm o d e l a n dc o n s t r u c t e dt h eg o v e r n i n ge q u a t i o n s ( p a r t i c l ec h a r g i n ge q u a t i o n ，e l e c t r i c f i e l d e q u a t i o n ，i o n s c o n s e r v a t i o n e q u a t i o n ，g a s f l o w b yt i m e - a v e r a g e d c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n so fm a s sa n dm o m e n t u mt o g e t h e rw i t hp a r t i c l em o t i o n a n dd y n a m i c se q u a t i o n s ) a n db o u n d a r yc o n d i t i o n sb a s e do nt h es y s t e m i c c o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o na b o u t t h ep a r t i c l er e m o v a lm e c h a n i s mb ye s p s a t t h es a m et i m e ，t h ec o m p l i c a t e dm a t h e m a t i c sm o d e l sh a v eb e e ns o l v e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l u e n ts o f t w a r e n 1 江苏大学硕士学位论文 h i g hg a sv e l o c i t ye l e c t r i c a lp r e c i p i t a t o rw i t ht r a n s v e r s ec o l l e c t i n gp l a t e s w a ss i m u l a t e d b yc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t e c h n o l o g y t h e s i m p l ea l g o r i t h mw a su s e dt oc a l c u l a t ea n dt h eg e o m e t r ym o d e lw a sd i v i d e d b yi c e m ，w 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 t h er e l a t i o n s h i po fg a s v e l o c i t y ，d u s tp a r t i c l es i z ea n dv o l t a g ew a se x a m i n e db yf l u e n ts o f t w a r e t h e r e s u l t ss u g g e s t e dt h a tw i t ht h ei m p r o v e m e n to fa p p l i e d v o l t a g ea n dd u s tp a r t i c l e s i z e ，c o l l e c t i o ne f f i c i e n c yw a si n c r e a s e da n dg a sv e l o c i t yb e c a m eaf a v o r a b l e f a c t o rt oi m p r o v ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yi nac e r t a i nr a n g e t h er e s u l t ss h o w n t h a t h i g hg a sv e l o c i t ye l e c t r i c a lp r e c i p i t a t o rw i t ht r a n s v e r s ec o l l e c t i n gp l a t e sc a l l n o to n l yh a sah i g he f f i c i e n c y ，b u ta l s oi n c r e a s et r e a t m e n tc a p a c i t y ，a c h i e v e m i n i a t u r i z a t i o n ，a n dr e d u c ed i s p o s a b l ei n v e s t m e n t t h e r e f o r e ，t h e s ec a l l c o n t r i b u t et oi t sw i d e r a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i c a l p r e c i p i t a t o r ；t r a n s v e r s ec o l l e c t i n gp l a t e s ； c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；g a s - s o l i dt w op h a s e f l o w 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 我国能源结构特点1 1 2 烟尘污染及治理现状2 1 3 电除尘技术发展现状2 1 4 高风速横向极板电除尘器研究4 1 4 1 高风速横向极板电除尘器研究进展4 1 4 2 高风速横向极板电除尘器研究的重要意义5 1 5c f d 技术在电除尘领域的应用研究进展7 1 5 1 电除尘器流场特性8 1 5 2 数学模型8 1 5 3 应用研究进展9 1 5 4 应用前景1 1 1 6 本课题研究的内容与目的1 1 第二章计算流体动力学及其工作步骤1 2 2 1 计算流体动力学概述1 2 2 1 1 计算流体动力学定义1 2 2 1 2 计算流体动力学的特点一1 3 2 1 3 计算流体动力学的应用领域1 3 2 1 4 计算流体动力学的分支1 4 2 2 流体与流动的基本特性1 5 2 2 1 流体的基本性质。1 5 2 2 2 流体运动的描述一1 6 2 3 流体流动基本控制方程1 7 2 3 1 气体连续性方程1 7 2 3 2 流体动量方程一1 8 2 3 3 湍流控制方程。1 8 2 4 计算流体动力学的工作步骤1 9 v 江苏大学硕士学位论丈 第三章试验部分2 1 3 1 几何建模及网格划分2 l 3 1 1 几何建模2 l 3 1 2 网格划分2 2 3 2 数学模型的选取2 5 3 2 1 颗粒荷电方程2 5 3 2 2 气体连续性方程2 8 3 2 3 流体动量方程2 8 3 2 4 湍流动能k 与湍流扩散率两方程2 9 3 3 边界条件的确定。2 9 3 4 计算方法及流程2 9 3 4 1 模型求解的假设条件2 9 3 4 2 计算方法3 0 3 4 3 计算及软件设置步骤3 0 3 5 本章小结3 4 第四章数值模拟及试验结果分析3 5 4 1 采用块结构化网格时模拟结果3 5 4 1 1 压力分布3 5 4 1 2 速度分布3 6 4 1 3 不同影响因素下的颗粒轨迹3 7 4 1 4 除尘效率。4 1 4 2 未加档板采用非结构化网格时模拟结果4 4 4 3 试验部分4 6 4 3 1 主要仪器及试验条件4 6 4 3 2 气体速度对离子浓度的影响4 6 4 3 3 气体风速对除尘效率的影响4 7 4 4 本章小节4 9 第五章结论及展望5 0 5 1 研究结论5 0 5 2 进一步工作建议5 1 v 江苏大学硕士学位论文 1 1 我国能源结构特点 第一章绪论 中国是世界第二大能源生产大国和消费大国。根据国家发改委2 0 0 7 年的数 据，2 0 0 5 年中国一次能源生产总量2 0 6 亿吨标准煤，消费总量2 2 5 亿吨标准 煤，分别占全球的1 3 7 和4 8 。我国能源消费总量及结构如表1 1 所示。 表1 1 中国能源消费总量及结构 t a b l e1 1e n e r g yc o n s u m p t i o na n ds t r u c t u r e o fc h i n a 煤炭不仅在中国一次能源消费结构中占主导地位，而且煤炭转换为电力或其 他液态及气体能源的比例也很低，终端能源消费中直接烧煤的比重偏高。在过去 半个世纪内，由于能源消费的快速增长和供应结构的缓慢改善，大规模的常规能 源使用已经对人类生存与发展的环境本身构成了严重威胁，其中因能源消费所造 成的c 0 2 、粉尘及s 0 2 等废气排放已成为全球关注的焦点问题之一【1 1 。 我国能源生产及消费的主要特点是以煤为主，煤在能源结构中约占7 8 ，全 国燃煤消耗量达1 2 亿妇，发电及热电联产消耗原煤6 亿垤，煤炭消耗量在一次 能源总量中所占比重由1 9 9 0 年的7 6 2 降为2 0 0 0 年的6 7 ，石油、天然气、水 电、核电、风能、太阳能等所占比重由1 9 9 0 年的2 3 8 上升至2 0 0 0 的3 3 0 。 江苏大学硕士学位论文 由于煤的储藏量大，在今后的5 0 年内我国煤的消费结构仍占主要部分。 在今后相当长的时期内，中国能源发展的特点仍以煤电为主。燃煤烟尘是空 气污染的主要原因之一，火电厂燃煤锅炉粉尘排放量占工业粉尘排放量的3 7 。 因此，降低火电厂烟尘排放浓度能有效控制我国大气污染程度【2 4 l 。 1 2 烟尘污染及治理现状 自1 9 9 5 年起，我国城市的空气质量总体有明显好转的趋势，工业烟粉排放 总量见图1 。但烟尘污染状况仍不容乐观，全国有6 3 2 的城市的空气质量未达 到二级标准，颗粒物仍然是影响城市空气质量的主要污染物之一。 目前电除尘器和袋式除尘器是除尘器的主导设备。锅炉烟气除尘仍以电除尘 器为主，电除尘技术水平也在不断提高。2 0 0 1 年以前我国国内火电厂使用静电 除尘器的比例达9 0 以上，发达国家燃煤电厂锅炉烟气除尘主要采用电除尘器， 如美国约9 5 的发电厂用电除尘器控制颗粒物排放【3 】。 在我国火电厂大气污染物排放标准( c b1 3 2 2 3 1 9 9 6 ) 规定：1 9 9 7 年1 月1 日以后新扩改建电厂的烟尘排放浓度标准为2 0 0m g m 3 ( 标) ，的情况下仍有近3 0 的电除尘器不能满足达标要求。火电厂大气污染物排放标准( g b1 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 标准更是将我国燃煤电厂的烟尘排放浓度标准降低。 电除尘器多年来一直是除尘器的主导设备，但目前我国的电除尘技术在满足 达标排放时存在一定的困难。客观上要求对电除尘技术进一步研究，挖掘其除尘 潜力【5 1 。 1 3 电除尘技术发展现状 电除尘技术发展殊多受益于其它相关科学的研究，这些科学所研究的现象涉 及到电除尘原理，其成果构成了电除尘技术历史背景的一部分。早期对电晕放电 的一些研究是由汤森( t o w n s e n d ) 和汤姆森( j j t h o m s o n ) 在二十世纪初进行 的。汤森对气体导电理论的贡献在于他证实了天然辐射可使气体产生自由电子， 此外还确立了气体电离的定量关系。这此研究成为放电理论、伏安特性和电场方 程的先导，为现代电除尘技术奠定了基础。 洛布( l o e b ) 及其在伯克利加里福尼亚大学的同事们进一步揭示电晕现象的 2 江苏大学硕士学位论丈 基础，他们的工作大约于1 9 3 0 年并持续到二十世纪七十年代。 二十世纪三十年代米尔多( m i e r d e l ) 和西利格( s e e l i g e r ) 进一步研究了电 场和荷电尘粒对伏安特性的影响。库珀曼于1 9 5 2 年研究了电子附着的概率和气 体成分对伏安特性的影响。 1 9 2 3 年罗曼( r o b _ m a n ) 发表了有关尘粒荷电现象的初始基础研究结果，确立 了电场荷电的原理。这种电场荷电过程是尘粒与受电除尘器电场影响而移动的气 体离子相碰撞而获得电荷。1 9 3 2 年波德尼尔( p a u t h e n i e r ) 和莫罗哈诺特 ( m o r e a u h a n o t ) 发表了类似的方程式。尘粒与无规则运动的气体离子相碰撞而 荷电的过程称为扩散荷电，这是细小尘粒荷电的主要方式。1 9 2 6 年阿伦德特 ( a r e n d t ) 和卡尔曼( k a l l m a n n ) 对此首次加以论述。他们的研究结果以数学形 式表示出来，即电荷数目为离子密度、温度和时间的函数，但未包括电场的影响。 1 9 5 1 年怀特导出了更精确的扩散荷电方程式。 1 9 5 7 年郝韦特( h e w i t t ) 发表了尘粒荷电最重要的试验结果。试验测得的小 尘粒荷电数值，现在仍被普遍承认。 1 9 6 8 年刘( l i u ) 和叶( y c h ) 研究了中等大小尘粒的荷电，对于这种尘粒， 电场荷电和扩散荷电都起作用。最近史密斯( s m i t h ) 和麦克唐纳( m c d o n a l d ) 于1 9 7 4 年对这类荷电理论进行了定量研究，所提出的尘粒荷电方程式与实验室 试验所得的荷电数据相当一致。但这种理论对工业电除尘器的适用程度尚未确 定。 1 9 2 2 年多依奇( d e u t s c h ) 对细粒子在带电板面上的沉积理论进行了开拓性 的研究，为几年前安德森通过试验研究所得到的收尘关系式奠定了理论基础。人 们因此把效率与收尘表面积和气体流量之间的数学表达式冠以多伊奇的姓氏，成 为目前收尘理论的基础。1 9 5 0 年怀特又根据概率理论，重新导出了多伊奇公式。 1 9 7 0 年前后库珀曼( c o o p e r m a n ) 进一步研究了收尘的基本理论和扩散的作用。 气体的温度和湿度都会影响粉尘的比电阻，1 9 5 1 年斯普劳尔( s p r o u l l ) 和 纳卡达( n a k a d a ) 对此进行了试验。粉尘的化学成分对比电阻也有重大影响。对 飞灰来说，这种影响已由比克尔豪普特( b i c k e l h a u p t ) 进行了报导。 收尘极上的沉积的粉尘，需定期地通过机械振打清除下来，拉克尔肖逊 ( r u c k e l s h a u s e n ) 于1 9 5 7 年，斯普劳尔于1 9 6 5 年，达尔蒙( d a l m o n ) 和骆( l o w e ) 3 江苏大学硕士学位论文 于1 9 6 0 年左右均对振打作用进行过试验研究和理论分析。1 9 5 3 年骆和卢卡斯 ( l u c a s ) 以及1 9 6 2 年彭尼( p e n n e y ) 对在电晕电流影响下作用于粉尘层内尘粒 上的力进行了更基本的研究。彭尼和克林勒( k l i n g l e r ) 于1 9 6 2 年，塔西克 ( t a s s i k e r ) 于1 9 7 2 年以及达尔蒙和泰迪( d y ) 于1 9 7 2 年先后研究了附着， 粘结以及粉尘沉积方法对这些力的影响。 捕集高比电阻粉尘时，会受到反电晕放电或收尘电极火花放电的干扰。1 9 4 8 年怀特以及1 9 6 1 年波德尼尔报导了反电晕影响的研究结果。沃尔柯特( w o l c o t t ) 于1 9 1 8 年、弗兰克( f r a n c k ) 于1 9 3 4 年以及彭尼和克雷格( c r a i g ) 于1 9 6 0 年 对火花放电进行了研究。1 9 7 0 年奥格尔斯比( o g l e s b y ) 和尼科尔斯( n i c h o l s ) 提出了包括影响除尘器性能的理论和经验因素在内的电除尘器数学模型，1 9 7 5 年古奇( g o o c h ) 等人对这一模型作了改进1 6 , 7 1 。 1 4 高风速横向极板电除尘器研究 1 4 1 高风速横向极板电除尘器研究进展 常规的电除尘器一般采用收尘极板与烟气方向平行摆放的结构形式，此时尘 粒的合速度为风速与驱进速度的向量和。要提高收尘效率，只能采取如降低气流 速度，加大收尘极板面积等手段。而降低气流速度，加大收尘极板长度会引起电 除尘器一次造价太高，因此，从技术经济角度上来讲，提高粉尘的驱进速度是最 好的选择。传统电除尘器由于受电场的击穿强度限制，电场中的库仑力几乎处于 临界值，尘粒驱进速度只能在很小范围内得以改善。而采用与气流垂直的收尘极 板分布形式，则粉尘的运动速度为风速与驱进速度的代数和。风速成为了提高收 尘效率的有利因素，且提高电除尘器的处理风量，有利于节约成本和实现电除尘 器的小型化。 邬长福 8 1 对横向极板电收尘器进行了试验研究，通过不同电晕线，收尘板， 外加电压的试验得出了横向极板电除尘器荷电粒子在电场力与流场力共同作用 下向收尘极板运动粒子向收尘极板运动的速度是驱进速度与气流速度之和；横向 布置收尘极板，类似一道道气流分布板，有利于提高电场气流均匀性：在相同电 晕功率下横向极板电除尘器比常规电除尘器有更高的收尘效率，有利于节约能 耗；横向极板电除尘器适合在较高的风速下运行，且可比常规电除尘器节省收尘 4 江苏大学硕士学位论文 极板面积，有利于电除尘器的小型化和成本的降低。 2 0 0 6 年陈祖云1 9 等人对纵横复合收尘极板电除尘器的性能进行了研究，结果 表明，纵横复合收尘极板电除尘器的平均极板电流密度优于常规电除尘器；纵横 复合收尘极板电除尘器的电场气流分布良好；纵横复合收尘极板电除尘器的折算 驱进速度高于常规电除尘器，且在同等条件下其除法效率优于常规电除尘器：纵 横复合收尘极板电除尘器的有效收尘面积大于常规电除尘器，适合在高风速条件 下运行具有除尘效率高，体积小的优点。 白希尧【1 0 l 等人对横向极板电除尘器进行了试验研究，结果表明，在处理相同 烟气量、收尘效率相同的条件下，横向极板电除尘器的体积比常规电除尘器成倍 减小，成本明显降低；其运行费用降低，有利于减少烟尘二次飞扬。 依成武【1 1 】等人对横向极板电除尘器进行了试验研究，采用了双c 型极板布置 形式，结果表明，横向极板电除尘器可以在短时间内以较大的气流速度把尘粒驱 赶到集尘极表面加以捕集，成倍的减少了电除尘器的截面积和长度，体积也较常 规电除尘器少，实现了电除尘器的小型化并减少了成本。 苗现化、依成武【珐1 3 】等人对横向极板电除尘器优越性进行了试验研究，结果 表明横向极板电除尘器具有良好的应用前景，并对其具体参数进行了试验研究。 根据前人的研究成果，横向极板电除尘器性能优异，能够降低电除尘器制造， 运行成本，有利于其普及并创造巨大的经济效益。但是横向极板电除尘器也存在 一些不足，如何利用新的科研成果，使其得到更进一步的优化成为当今研究的热 点之一。 1 4 2 高风速横向极板电除尘器研究的重要意义 由于电晕电离电场强度存在着临界击穿电场强度的极限值( 板线型， 夕5 k w c m ) ，进而烟尘的荷电量、驱进速度也相应存在极限值。所以目前电收尘 器均采用自动火花跟踪临界击穿电场强度的供电方法，使电收尘器运行在现有技 术的最佳临界极限值上。可见，进一步提高电收尘器性能的可能性就很小了，这 一问题引起了等离子体物理和气体放电物理学者的关注，并着手寻求解决问题的 理论基础及方法。 白希尧等人对电除尘器及其电离荷电机制的研究表明，从等离子体物理的观 念来看，电收尘器是等离子体源和反应室的组合体，其电离放电过程中产生大量 5 江苏大学硕士学位论文 的正负离子。从宏观来说，电收尘器的电离处于平衡状态，用电离连续方程观点 来看，电离过程中离子的产生项等于其损失项与输运项之和【1 4 1 。可见，离子产 生率、离子输运率在电收尘器烟尘荷电过程中起着主导作用，也是解决电除尘技 术存在问题的关键技术。 描述控制电离放电通道物理过程的电离连续性方程如下【1 5 】： i o n = c - - ( ) 一v ) d 式中c 、l 夕分别为产生率( 项) 、损失率( 项) ，它们分别表示单位时间 单位体积中由电离产生的离子一电子对，由复合而湮灭的比率，单位均是 ( c m 3 s )v ( n v ) 为输运项，是通量( v ) 的散度。表示单位时间单位体积内 由输运过程引起带电粒子浓度变化的迁移率。在平衡情况下a n ：0 ，则 西 v ( ) = c 一工( ) 由于电晕放电存在一个临界击穿电场强度值，所以现在电晕电离放电的注入 功率密度也就相应存在一极限值，因而产生率也相应存在一个极限值。当注入电 离电场中能量密度为3 3 m j c m 3 时，电离区域流光放电通道中的电子浓度可达到 1 3 x 1 0 1 4 c m 3 1 垌。如果不考虑电离区域内的电子与离子、离子与离子复合反应， 计算电除尘器电场的电离占空比约为1 8 x 1 0 。5 ，此时除尘电场中离子浓度应为 2 3 x 1 0 9 c m 3 左右。实际上，由于电场力作用，电子、离子被束缚在电离放电通 道中进行复合反应，其损失率在2 个数量级以上，所以目前电除尘器电场中平均 离子浓度仅为1 0 m 3 左右。从带电粒子的运动规律可知，离子在输运过程中， 需要克服电离电场对带电粒子的束缚力，方能解决除尘电场离子浓度低下的问题 1 4 1 a 白敏冬等人对电离放电特征参量时空演变规律及其除尘应用的研究结果表 明，电除尘技术目前主要存在的问题有：电离占空比低下，电除尘器电场中的离 子浓度大小将主要取决于电离占空比的大小；离子输运项低下，即由于电场力束 缚，电子离子被束缚在电离通道中从而导致复合率高。而电离占空比低下可以通 过改变放电特性的形式解决，如采用介质阻挡的方式可以大幅度的提高电离占空 比。而采用增加离子动量的方法却可以增加电离占空比，又可以解决离子输运项 低下的问题，为从根本上改良电除尘器性能提供了一条可行的方法【1 7 1 。 孙健【1 8 1 等人在粉尘的电晕荷电物理模型的研究结果表明，当离子动量每增 6 场强度为3 8 4t d ，粒子动量由7 2y g m s 增加到1 1 9 5y g m s 时，负离子输运项( 控制 电离区域离子在输运过程中引起浓度变化的速率) 则相应地由5 1 4 1 0 8 ( c m 3 s ) 于l - 高至u 8 1 0 x 1 0 1 0 ( c m 3 s 1 ，增加了2 个数量级。 周建刚【1 9 1 等人在强电场电离等离子体输运特性的研究中得出，对离子施加 垂直电场方向的接近电场对离子的作用力，就能把放电通道中的离子从电场中输 送出去。试验表明，有效体积仅l c m 3 的等离子体源，其输运离子率可达到 1 0 1 2 ( c r n 3 s ) 。而根据其试验资料计算，等离子体源的输运率还有几个数量级的提 ，l 一 商。 这些研究成果表明，对离子施加垂直电场方向的作用力，能够提高电离占空 比，解决离子输运项低下的问题，为电除尘性能的提高，小型化与节约成本提供 了理论依据。 1 5c f d 技术在电除尘领域的应用研究进展 现代工业对电除尘器的性能、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。况且，由于一次投资过高，体积庞大，钢材用量过多 等原因，给电除尘器的实验室研究带来很多困难。利用c f d 技术对电除尘进行 模拟就能有针对性地采取措施，进行结构上的优化，从而最大限度的避免这类情 况的发生。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 7 江苏大学硕士学位论丈 特性和粉尘颗粒的运动轨迹【2 0 , 2 1 】。 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 ，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。例如f i ，i 甩n t 软件是基于 有限体积法，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f 2 删。 1 5 1 电除尘器流场特性 在电除尘领域中，一般采用以流场为研究对象分析流场各质点运动情况的欧 拉法来分析和描述电除尘器中的气固两相流的运动规律。一般认为，电除尘器流 场是一种气溶胶体系，其中固体或液体颗粒为分散相，气体为连续相。因为气体 与固体或液体颗粒相的相对速度远小于音速，所以含尘气流可看作是不可压缩 的。 在工业静电除尘器中，电场，流场和粒子运动之间存在着复杂的相互作用。 库仑力的作用使带电的粉尘粒子迁移到了收尘极，但由于气动阻力的存在，粒子 也受到气流的影响，故精确的预测静电除尘器的粒子运动要求考虑这些现象之间 的强耦合作用，并依照理论对此进行分析【2 5 1 。 1 5 2 数学模型 对静电除尘器运行情况的描述是以质量和动量守恒方程，粒子运动和粒子荷 电，电场特性方程为理论分析的依据。分析包括了描述离子运动，气体，固体颗 粒，空间粒子电荷，和粒子荷电过程的控制方程。这些方程须耦合计算求解，最 终得出出口颗粒物浓度值，从而得出净化效率。 闻建龙等从研究连续相中的荷电颗粒受力着手，选择s t o k e s 阻力作为基准， 确定了荷电两相流动中的主要受力，并对在荷电情况时颗粒群的粘性阻力系数进 8 江苏大学硕士学位论文 行了修正。根据牛顿运动定律，给出了一般形式的运动微分方程。又从荷电两相 流中荷电离散相粒子的受力分析及量级比较出发，采用雷诺输运原理，建立了适 合荷电离散相和连续相的雷诺输运方程。在此基础上，导出了荷电两相流中颗粒 相和连续相的连续性方程，动量方程和能量方程，从而在荷电两相流动的研究中， 完整地建立了荷电两相流动的基本方程【掘嘲。也有报道运用简化的试验模型对 小型静电除尘器进行试验研究的文献【2 9 3 3 】。 在这些研究中，大部分的运行参数比如放电金属线的直径，线线距，线板距， 气流速度，放电金属线外加电压等都是经校正和优化过的。基于经验公式，模拟 的结果与经典的理论模型相合在一起，运用有限差分法开发出了一些求解电压和 空间电荷之间的耦合方程【蚋6 】。 s c h m i d 3 7 ，3 s l 开发出的模型广泛的检验了液体流动和电场之间的强耦合作 用。在这个模型中通过比较可以发现欧拉法和拉格朗日法两者中拉格朗同法比较 优良，紊流对于电场具有的显著作用受到重视。 1 5 3 应用研究进展 1 5 3 1 国内研究情况 杨衡【柏】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f 3 9 】。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 1 】。党小庆等用计算流体动力学( c f d ) 方法对电场进口断面气流分 布状态进行了数值计算，计算结果与模型实验吻合。 党小庆【4 1 ，4 2 1 以计算流体动力学( c f d ) 方法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，并且利用模型试验验证了数值计算的结果，吻合 较好。 胡满银【删等利用f l u e n t 软件对横向极板电收尘器内的流场进行模拟，通过 与实测数据进行对比，可以看出使用的模型和方法是合理的，可以对流场情况进 行合理的模拟。并在此基础上，对不同异极间距和隙宽比下的流场均匀性进行了 9 江苏大学硕士学位论文 对比计算，得出了最佳的配置的异极间距和隙宽比。并对横向极板电收尘器内的 流场和粒子轨迹进行了模拟，所得结果可以为电收尘器的设计和工业应用提供参 考【4 3 】。胡满银等还以f i j 脚软件为手段对横向极板电除尘器内二维流场进行了 数值模拟，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，具有较强的研究参考价值。 施项【5 l 等运用c f d 软件对出口未采取对称形式的电除尘器进行数值模拟， 并在此基础上寻求了优化烟道结构和烟道导流板的最佳方案，具有实际运用参考 价值【4 5 1 。袁胜利等利用c f d 软件( 1 ；_ ij 呻在电除尘器气流分布模型试验基础上， 求解了电除尘器模型内的流场分布，研究电除尘器流场的计算流体动力学的数值 计算方法。计算结果与模型试验结果一致，满足电除尘器设计技术标准要求。 黄钊【蛔等以f i ，i 踟软件对管式电除尘器中的气固两相流进行了数值模拟， 分析了不同的颗粒粒径、极线电压，进口流速与除尘效率的关系。得出了电除尘 器的除尘效率随颗粒的粒径，极线的电压的提高而增大，随着进口流速的增大而 减小的关系，与实际情况相符。 1 5 3 2 国外研究情况 k s p n i k a s 4 7 ，镐】等以c f d 软件模拟了电除尘器内部流动和收尘机制，考虑 了静电驱进力和气体流动的因素，并指出了这两者对粒子横向输运速度的影响。 指出了气流是影响收尘机制的最主要因素，而离子风对由电除尘器内部的二次绕 流也起着重要作用，主要影响小粒径尘粒的收集。 s h a hm e h a q u e 4 9 】用计算流体力学软件f u j e n t 研究了板线式电除尘器内 部的气体流速分布，模拟结果与试验测得结果相吻合。 c h o ib s 和n o o r p o o ra r 5 0 - 5 2 用c f d 软件模拟了电除尘器中粉尘颗粒的 运动轨迹，并分析流场特性和粉尘颗粒的运动轨迹对粉尘荷电的影响。结果表明， 流场特性对粉尘荷电有非常重要的影响，可用f l u e n t 软件辅助电除尘器的设 计。 g s k o d r a s 矧用c f d 软件充分联系了气流，质点动力学和静电学三个领域， 综合考虑了气流( 压力、速度，湍流度) ，粒子特性( 迹线、荷电、速度、停留 时间，衰亡等) ，和静电场参数( 电压、电场强度，离子电流密度) 等方面对电 除尘进行了仿真。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 5 4 应用前景 如何使电除尘器的性能达到高效，缩短产品的研发时间和减少试验的成本， 是电除尘领域工作者所面临的一大难题，而利用计算流体力学技术对电除尘器进 行模拟是解决这一问题的一条合适之路。利用c f d 技术对电除尘器进行调整，使 之速度场，压力场和温度场达到最优化，无疑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。但用c f d 技术模拟电除尘器的研究还处于刚起步阶段，这一技术的就用还 面临着许多问题，此领域的工作者还应进行更深一步的研究，开发出更适用的模 型和分析手段，使此技术得到更广泛的应用。 1 。6 本课题研究的内容与目的 根据前人的研究成果，本课题研究的高风速横向极板电除尘器采用新的设计 形式，收尘板垂直于气流方向布置，从而收尘极板间隙处的气流速度较高，相当 于对离子施加了一个垂直于电场方向的作用力，这种设计形式必然能够大幅度改 善电除尘器的离子输运特性，有利于粉尘的荷电，有利于电离占空比的提高。加 上横向极板电除尘器本身所具有的如驱进速度高，有利于减少二次扬尘的特性， 必然能够极大的提高电除尘器的收尘效率，减少电除尘器体积，降低成本，从而 有利于电除尘器的广泛应用，产生巨大的经济效益和社会效益。 本课题欲采用f l u e n t 软件对高风速横向极板电除尘器的内部流场，压力 分布，速度分布，颗粒运动轨迹等进行数值模拟，得出在不同风速，电压，以及 颗粒粒径下所对应的除尘效率，与试验研究对比，以得出试验研究中诸多不能得 出的结果。 1 1 江苏大学硕士学位论文 第二章计算流