高壓靜電除塵器中的離子風(fēng)與除塵

李慶，王巧艷，孟姜山，甘罕

（河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 靜電研究所，河北 保定 071002）

學(xué)科綜述

高壓靜電除塵器中的離子風(fēng)與除塵

李慶，王巧艷，孟姜山，甘罕

（河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 靜電研究所，河北 保定 071002）

離子風(fēng)使得高壓靜電除塵器中粒子的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜.它對(duì)高壓靜電除塵器中微細(xì)顆粒的捕集有很大的影響.在2個(gè)多世紀(jì)中，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)離子風(fēng)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)上的探索和研究，并取得了一定的成果.本文回顧與總結(jié)了諸多學(xué)者進(jìn)行的離子風(fēng)與除塵的相關(guān)研究，并提出了建議：在進(jìn)行除塵器內(nèi)部流場(chǎng)研究時(shí)，應(yīng)該針對(duì)三維空間進(jìn)行；考慮除塵空間中離子電荷和顆粒電荷對(duì)流場(chǎng)分析的影響.為以后離子風(fēng)的研究工作提供了一定的理論依據(jù).

離子風(fēng)；電流體；電暈放電；除塵

除塵是大氣污染控制的一個(gè)重要方面.在現(xiàn)有的除塵設(shè)備中，只有電除塵器才能把作用力直接施加到塵粒本身上，使塵粒與氣流脫離.因此，電除塵器分離塵粒所需的能量要比其他形式的除塵設(shè)備小得多，使其在處理氣體量大、除細(xì)塵效率要求高的地方得到廣泛的采用［1］.如廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、燃煤電廠、有色冶金、建材、化學(xué)工業(yè)等.在電除塵器內(nèi)部，除塵效率在很大程度上受電除塵器極配方式、氣流分布等因素的影響.特別是對(duì)于微細(xì)顆粒的捕集，氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)其有很重要的影響.除塵器內(nèi)氣流場(chǎng)為湍流狀態(tài).電場(chǎng)、流體場(chǎng)和顆粒動(dòng)力場(chǎng)相互耦合形成復(fù)雜的電流體場(chǎng).由于微細(xì)顆粒不易被荷電而附著在極板上，所以收集效率較低.離子風(fēng)對(duì)于荷電和非荷電顆粒均有影響，尤其是微細(xì)顆粒影響較為突出.離子風(fēng)也稱“電風(fēng)”，它是由于電暈放電過(guò)程中產(chǎn)生的高速電子碰撞空氣引起的空氣流動(dòng)，這種流動(dòng)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生向電暈極方向的流動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生回流，形成螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致放電空間的紊流更為復(fù)雜.從20世紀(jì)60年代后期起，眾多研究者對(duì)離子風(fēng)進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究.探究離子風(fēng)的產(chǎn)生機(jī)制，分析離子風(fēng)對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的影響，并與除塵實(shí)際相結(jié)合，研究離子風(fēng)對(duì)微細(xì)顆粒捕集的影響.本文對(duì)國(guó)內(nèi)外離子風(fēng)的研究進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)離子風(fēng)在除塵器中產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析，并提出了離子風(fēng)研究中存在的問(wèn)題及建議.國(guó)內(nèi)外對(duì)離子風(fēng)的研究基本可以分為理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究3方面.數(shù)值模擬由于節(jié)省時(shí)間、投入少和研究周期短而得到更廣泛的應(yīng)用.通常研究者用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論研究和數(shù)值模擬相結(jié)合得到的結(jié)果，或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究來(lái)指導(dǎo)實(shí)際的除塵，取得了一系列的研究成果.

1 離子風(fēng)的理論與數(shù)值模擬研究

在理論方面主要從離子風(fēng)的形成機(jī)制和離子風(fēng)對(duì)主流場(chǎng)的影響2個(gè)方面進(jìn)行了研究.將數(shù)值模擬與除塵實(shí)際相結(jié)合進(jìn)行分析.

對(duì)于離子風(fēng)形成機(jī)制方面的研究，Ramadan［2］采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)線板除塵器內(nèi)的電流體場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算.在求解過(guò)程中使用二維層流Navier-Stokes方程，認(rèn)為電荷分布是一個(gè)常數(shù)，從而對(duì)電體積力進(jìn)行估計(jì)，得出離子風(fēng)是從電暈極上發(fā)出的狹窄高速射流，噴射的速度取決于系統(tǒng)的雷諾數(shù)的大小，離子風(fēng)達(dá)到引流風(fēng)速的數(shù)倍的結(jié)論.

Cooperman［3］提出了一種新的理論來(lái)避免Deutsch公式的缺陷，如果空間存在離子濃度梯度，隨機(jī)的粒子運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)的產(chǎn)生，并用2種方式來(lái)描述這種新的理論，在2種方式中分別引入了修正因子.用湍流擴(kuò)散模型描述較低氣流流速時(shí)電場(chǎng)中的粒子運(yùn)動(dòng)及沉降行為，認(rèn)為湍流使得顆粒由高濃度向低濃度擴(kuò)散.

Yabe［4］使用正電暈線板放電形式，用二維層流N-S方程對(duì)電流體場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用了渦量-流函數(shù)法，明確指出離子風(fēng)是由于施加在離子上的庫(kù)倫力使得離子和中性氣體分子碰撞產(chǎn)生.得出在電暈線附近沿平行于電暈線方向存在2個(gè)方向相反的渦的結(jié)論.

Kawamoto等［5］利用有限元法計(jì)算庫(kù)倫體積力產(chǎn)生的圓柱靜態(tài)放電場(chǎng)，用有限差分法計(jì)算離子風(fēng).結(jié)果證實(shí)了離子的遷移產(chǎn)生了離子風(fēng)，離子風(fēng)的產(chǎn)生是針電極電暈放電產(chǎn)生的庫(kù)倫斥力導(dǎo)致的.

Neimarlija等［6］考慮了氣體流動(dòng)，顆粒運(yùn)動(dòng)和靜電場(chǎng)，利用有限體積法，對(duì)靜電除塵器中兩相流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值耦合分析，預(yù)測(cè)了電流體的過(guò)程.

Hinds［7-8］指出，在電暈線附近，電風(fēng)可高達(dá)75m／s，基于此方面，李慶等［9-10］用動(dòng)力風(fēng)代替離子風(fēng)的方法進(jìn)行數(shù)值模擬.分析了電暈放電過(guò)程中電流體的形成過(guò)程及放電空間的流體分布狀態(tài)，提出了離子風(fēng)的雙螺旋結(jié)構(gòu).在特定條件下分析線板電暈放電伏安特性及極板處離子風(fēng)分布變化并確立了離子風(fēng)速與放電電壓之間的關(guān)系式.

對(duì)于離子風(fēng)對(duì)主流流場(chǎng)影響的研究，Yamamoto［11］基于渦量-流函數(shù)法，在控制方程中考慮了電場(chǎng)與氣流場(chǎng)的耦合作用來(lái)研究離子風(fēng)與主流流場(chǎng)的迭加，得出電流體數(shù)大于0.6時(shí)，電暈放電產(chǎn)生的二次流不可忽略，當(dāng)電流體數(shù)大于1.2時(shí)，由于誘導(dǎo)循環(huán)單元引起的強(qiáng)烈的二次流對(duì)主流產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)的結(jié)論.

Kallio和Stock［12］利用電子閃光技術(shù)和激光片技術(shù)研究了線板放電空間的流場(chǎng)情況.結(jié)果顯示：正電暈放電產(chǎn)生穩(wěn)定的二維煙氣流動(dòng)，當(dāng)入口風(fēng)速高于0.7m／s時(shí)，湍流擴(kuò)散可忽略，離子風(fēng)對(duì)主流不產(chǎn)生擾動(dòng)；高于該值則離子風(fēng)占主導(dǎo)地位；負(fù)電暈放電在入口風(fēng)速低于0.7m／s時(shí)產(chǎn)生不穩(wěn)定的三維回流.

Young Nam Chun［13］用Chen-Kim修正的k-ε湍流模型對(duì)電流體二次流進(jìn)行模擬.結(jié)果顯示：即使在低雷諾數(shù)下，在電暈線下游處仍然出現(xiàn)明顯的電流體二次流；二次流可能會(huì)給通道流動(dòng)傳遞動(dòng)量，使得壓降增加.

徐哲淳［14］等對(duì)電場(chǎng)Poisson方程和流場(chǎng)Navier-Stoke方程進(jìn)行了耦合求解，對(duì)二次流進(jìn)行了定量的描述，認(rèn)為二次流對(duì)主流的影響隨電流體數(shù)的增加而增大，從理論上推導(dǎo)出了求解電流體場(chǎng)的基本方程.

亢燕銘，遲進(jìn)華［15］模擬并比較了平板和波形電極結(jié)構(gòu)的EHD流動(dòng)圖譜.結(jié)果顯示：主流對(duì)二次流的影響很大，波形電極比平板電極更有利于抑制和減弱二次流對(duì)主流的影響，強(qiáng)烈的主流速度會(huì)抵消離子風(fēng)效應(yīng).

Niewulis等［16］采用二維PIV技術(shù)測(cè)量并比較了4種電極結(jié)構(gòu)下電暈放電的離子風(fēng)分布情況.4種結(jié)構(gòu)分別是在正方形四邊依次加入1～4塊接地極，正方形中心處放置放電線.結(jié)果表明：極配形式對(duì)粒子流場(chǎng)形態(tài)有很大影響，前3種極配形式會(huì)形成大而規(guī)則的離子風(fēng)漩渦，第4種極配形式產(chǎn)生大而不規(guī)則的漩渦，且可能會(huì)對(duì)收塵效率產(chǎn)生不同的影響.

在與除塵相結(jié)合方面，Leonard［17］針對(duì)理想的管式除塵器，提出靜電傳輸與湍流擴(kuò)散模型.認(rèn)為靜電遷移和氣流的渦流擴(kuò)散綜合作用導(dǎo)致了靜電除塵器中粉塵的沉降，并指出通過(guò)提高氣體流動(dòng)質(zhì)量或減小除塵器本體長(zhǎng)度都可以減少湍流擾動(dòng).

Soldati［18］利用直接數(shù)值模擬的方法對(duì)流場(chǎng)中的粒子進(jìn)行追蹤來(lái)評(píng)價(jià)電流體場(chǎng)對(duì)粒子輸運(yùn)和捕集的影響，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)對(duì)粉塵的運(yùn)動(dòng)有很大的影響，但對(duì)粒子捕集沒(méi)有多大的影響.

王利民，王福成等［19-20］針對(duì)工業(yè)電除塵器的工作過(guò)程，在線板式電除塵器內(nèi)的流場(chǎng)分布的研究中同時(shí)考慮了分子黏性和湍流脈動(dòng)黏性的影響，建立了湍流和紊流流場(chǎng)雙模型，在N-S方程中引入了體積力，獲得了2方程的通用形式，通過(guò)紊流流場(chǎng)的N-S方程的電體積力來(lái)描述電場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的作用，并通過(guò)電流密度與紊流風(fēng)速關(guān)系體現(xiàn)流場(chǎng)對(duì)電場(chǎng)的作用.

2 離子風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究與除塵

Podlinski等［21］通過(guò)PIV方法，測(cè)量7根電暈線在線板靜電除塵器中的顆粒速度場(chǎng)，對(duì)正電暈和負(fù)電暈放電進(jìn)行了研究，表明電流體力對(duì)主流有很大影響，且在上下游都產(chǎn)生漩渦，認(rèn)為進(jìn)行三維速度場(chǎng)的測(cè)量很重要.Schmid［22］對(duì)電場(chǎng)、湍流和粒子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行耦合，認(rèn)為二次流對(duì)整個(gè)顆粒的收集影響很小，電場(chǎng)對(duì)顆粒收集影響很大，尤其是電場(chǎng)的邊界條件對(duì)收塵很重要.Niewulis等［23］通過(guò)二維和三維的粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）測(cè)量正電暈窄極距放電情況，用干燥空氣中粒徑小于1μm的煙霧做示蹤顆粒對(duì)縱向和橫向放置的線電極的流速場(chǎng)進(jìn)行了研究，但沒(méi)有比較2種結(jié)構(gòu)的收集效率.Rickard［24］對(duì)針-環(huán)電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為只有非常低的壓強(qiáng)限制時(shí)，離子風(fēng)才可被克服.

吳暢毅［25］搭建自制的電除塵器實(shí)驗(yàn)?zāi)M臺(tái)，基于相似理論，利用清水代替煙氣進(jìn)行氣流分布實(shí)驗(yàn)，并利用PIV技術(shù)對(duì)電除塵器內(nèi)煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量和分析.結(jié)果顯示：電除塵器內(nèi)的紊流程度隨入口流速的增加而加重，當(dāng)流速大到一定程度，會(huì)有旋渦流動(dòng)產(chǎn)生，在工作流速下，除塵器空間氣流分布均勻穩(wěn)定，但靠近上下部板壁部分紊流程度嚴(yán)重.

在國(guó)內(nèi)，研究者們分別對(duì)線板電極、芒刺電極、針板電極、針針電極等做了不同的實(shí)驗(yàn)與分析.

李慶，孫玉榮等［26］簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)條件，使用對(duì)收塵極進(jìn)行分區(qū)布點(diǎn)的方式，對(duì)線板除塵器在空載條件下的離子風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)量，得出電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)可以增加除塵器中顆粒物的驅(qū)進(jìn)速度的結(jié)論.

向曉東等［27-28］對(duì)實(shí)驗(yàn)室尺度下的長(zhǎng)芒刺ESP與普通的ESP收塵性能作了比較.分別采用了滑石粉、石膏和塑料3種不同材質(zhì)的小球?qū)﹄x子風(fēng)進(jìn)行測(cè)定.他們結(jié)合場(chǎng)強(qiáng)分析力離子風(fēng)效應(yīng)，認(rèn)為長(zhǎng)芒刺產(chǎn)生的強(qiáng)烈離子風(fēng)使其收塵效率高于普通的收塵電極，由于離子風(fēng)效應(yīng)，使得長(zhǎng)芒刺的收塵極板上形成了特殊形狀的圓形粉塵餅.

袁均祥等［29］采用PIV進(jìn)行離子風(fēng)測(cè)量，比較了不同電極參數(shù)下尖-板電極空氣中的離子風(fēng)特性.結(jié)果表明尖電極的曲率半徑越小，三維空間的離子風(fēng)速越大，接地極板對(duì)于離子風(fēng)的發(fā)展影響很大，當(dāng)接地電極采用金屬網(wǎng)時(shí)，在較低電壓下，極板對(duì)離子風(fēng)的影響很小.

楊振興，向曉東等［30］采用較傳統(tǒng)放電極有很大優(yōu)勢(shì)新型的雙極電暈放電器，對(duì)直流高壓與脈沖高壓下產(chǎn)生的離子風(fēng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果顯示：在此裝置中會(huì)產(chǎn)生反向的離子風(fēng)，在平均場(chǎng)強(qiáng)約3.4kV／cm條件下用PIV測(cè)得的電場(chǎng)內(nèi)正、負(fù)離子風(fēng)的核心區(qū)風(fēng)速約2m／s.

3 結(jié)論與建議

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)離子風(fēng)的大量研究，可以歸納為：1）對(duì)離子風(fēng)的形成機(jī)理基本達(dá)成一致，確定了離子風(fēng)的旋渦狀結(jié)構(gòu).2）利用PIV和激光多普勒測(cè)速儀等技術(shù)測(cè)量和顯示離子風(fēng)軌跡，使測(cè)量結(jié)果更接近實(shí)際.然而對(duì)于離子風(fēng)的研究仍然存在需要解決的問(wèn)題：1）大多數(shù)研究者都采用二維的形式簡(jiǎn)化計(jì)算模型，而實(shí)際的除塵空間是三維的；一般采用單相流的簡(jiǎn)便方法進(jìn)行模擬計(jì)算，而忽略了實(shí)際除塵中顆粒物對(duì)空間場(chǎng)強(qiáng)的畸變，從而忽略了顆粒物對(duì)流場(chǎng)的影響，與除塵實(shí)際存在一定差距.2）研究者大多采用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模擬的正確性，對(duì)于模擬不能夠提出一個(gè)通用的結(jié)果，所以用模擬來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究.3）模擬大多針對(duì)放電空間流場(chǎng)進(jìn)行分析，氣流在收塵極處情況較復(fù)雜但對(duì)實(shí)際收塵影響卻很大，所以缺乏氣流在壁面處的分析.

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Ionic wind and dust removal in electrostatic precipitator

LI Qing，WANG Qiaoyan，MENG Jiangshan，GAN Han
（Electrostatic Research Institute，College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China）

The ionic wind makes the particle motion more complex in the high voltage electrostatic precipitator.It has a great influence on the capture of fine particles in the electrostatic precipitator.Over two centuries，domestic and foreign scholars have done a lot of theoretical and experimental explorations and researches on ionic wind，and they achieved some results.In this article，researches on ionic wind and dust removal are reviewed and summarized.Some recommendations are provided：Three-dimensional space should be used in the research of internal flow field of precipitators；the influence that the ionic charge and particles charge have on the flow field analysis should be considered as well in the dust space.These provide theoretical basis for further study of ionic wind.

ionic wind；electrohydrodynamic；corona discharge；dust removal

X511

A

1000-1565（2012）05-0556-05

2012-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10875036；51077035）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（A2010000182）；河北省科技支撐項(xiàng)目（09276712D）；河北大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目（2009-178）

李慶（1968-），男，河北徐水人，河北大學(xué)研究員，主要從事靜電與大氣污染治理研究.E-mail：liqing＠hbu.cn

孟素蘭）