磁場(chǎng)作用下煙氣流速對(duì)靜電旋風(fēng)除塵器收集微粒影響的模擬研究*

張建平 江澤馨 車(chē) 鵬 劉 銀

(1. 上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

旋風(fēng)除塵器是一種被廣泛應(yīng)用的除塵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，能用于高溫、高壓的環(huán)境中，對(duì)大顆粒粉塵有較高的除塵效率[1]。2017年5月，我國(guó)發(fā)布了《電除塵器性能試驗(yàn)方法》(GB/T 13931—2017)以滿(mǎn)足當(dāng)前燃煤電廠顆粒物排放控制的需要以及除塵設(shè)備改造升級(jí)的需求。可見(jiàn)，傳統(tǒng)的旋風(fēng)除塵器已逐漸無(wú)法適應(yīng)煙塵排放控制的新要求[2]。因此，提高旋風(fēng)除塵器的除塵效率，對(duì)除塵領(lǐng)域的發(fā)展將具有重要意義。

靜電旋風(fēng)除塵器(ECP)最早誕生于美國(guó)，通過(guò)在旋風(fēng)除塵器排氣管中心添設(shè)一根放電極來(lái)抑制粉塵隨氣流的逸出[3]，適合在高溫、高顆粒濃度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)氣體和固體顆粒分離[4]。ECP中電暈電極的數(shù)量和位置會(huì)影響靜電場(chǎng)的強(qiáng)化效果，從而影響旋風(fēng)除塵器的除塵效率[5-6]。杜勝男等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了接地極霧化電暈放電旋風(fēng)除塵器和傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器的性能，發(fā)現(xiàn)接地極霧化電暈放電旋風(fēng)除塵器的分級(jí)效率比傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器提高15%。此外，DIETZ等[8]發(fā)現(xiàn)逆流式ECP內(nèi)的靜電力隨氣體流速的降低而增大。BOERICKE等[9]證明了當(dāng)ECP內(nèi)氣流速度較低時(shí)，粉塵在其中的滯留時(shí)間增加，此時(shí)靜電力發(fā)揮主導(dǎo)性作用，除塵效率得到大幅提高。LI等[10]建立了ECP單相準(zhǔn)三維湍流的k-ε模型，得出了一定條件下ECP內(nèi)三維速度數(shù)值模擬結(jié)果并經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為ECP設(shè)備的深入研究提供了理論支持。CAI等[11]利用五孔球形探針系統(tǒng)對(duì)直筒式ECP模型的三維流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)定與分析，得知供電電壓的大小對(duì)流場(chǎng)分布形狀影響較小，但對(duì)3個(gè)方向氣流速度的影響較明顯，驗(yàn)證了入口風(fēng)速、供電電壓、筒體直徑變化時(shí)ECP內(nèi)氣流速度的增減趨勢(shì)。資新運(yùn)等[12]在總結(jié)前人研究成果基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電暈式ECP，發(fā)現(xiàn)該ECP對(duì)低速、小粒徑顆粒物的除塵效果比高速、大粒徑顆粒物更好。

磁控電除塵技術(shù)是利用磁場(chǎng)對(duì)攜帶電荷的運(yùn)動(dòng)顆粒產(chǎn)生洛倫茲力來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)方向，將這一原理運(yùn)用于ECP的設(shè)計(jì)和改造，會(huì)成為除塵領(lǐng)域的一個(gè)突破口。MOON等[13]發(fā)現(xiàn)采用電磁場(chǎng)進(jìn)行的磁約束電暈放電方式能有效脫除有害氣體。WANG等[14]通過(guò)分析磁場(chǎng)對(duì)帶電顆粒的影響，證明了在一定范圍的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度下洛倫茲力對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用。胡毅飛[15]利用洛倫茲力改變帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的原理，提出了可行的電磁除塵器結(jié)構(gòu)模型。ZHANG等[16]通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了磁場(chǎng)可以提升靜電除塵器的捕集性能。

綜上所述，ECP在理論和實(shí)驗(yàn)研究方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是通過(guò)引入磁場(chǎng)來(lái)分析外渦型ECP的除塵機(jī)理，并對(duì)有無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境中除塵效率隨煙氣流速的變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析的研究鮮有開(kāi)展。因此，本研究對(duì)外加磁場(chǎng)環(huán)境下ECP的除塵機(jī)理進(jìn)行了探索，建立了磁場(chǎng)環(huán)境下氣體流場(chǎng)、電場(chǎng)和微粒動(dòng)力場(chǎng)的多場(chǎng)耦合理論模型，模擬和分析了不同煙氣流速下外渦型ECP的除塵效率。

1 磁場(chǎng)作用機(jī)理與物理模型

粉塵微粒進(jìn)入ECP后，首先在荷電區(qū)荷電，然后具有初速度的荷電微粒在電場(chǎng)力的作用下沿拋物線(xiàn)軌跡向收塵極運(yùn)行，最終被吸附于收塵極上，但是部分微粒由于初速度過(guò)大會(huì)從集塵區(qū)逸出。引入磁場(chǎng)后，粉塵微粒在電場(chǎng)力和洛倫茲力的聯(lián)合作用下做螺旋運(yùn)動(dòng)，大大延長(zhǎng)了微粒在ECP中停留的時(shí)間，改變了微粒撞擊收塵極的運(yùn)動(dòng)方向，使其更容易被收塵極捕集，從而抑制微粒的逃逸，達(dá)到提高除塵效率的目的[17]。

三維外渦型ECP的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，物理模型如圖1所示。在ECP電暈極線(xiàn)上施加負(fù)高壓，電場(chǎng)力方向指向器壁，電子向器壁運(yùn)動(dòng)使微粒帶負(fù)電，外加磁場(chǎng)使微粒受力發(fā)生變化，沿收塵壁方向螺旋運(yùn)動(dòng)下行，將較大的顆粒物甩到壁面上并滑向底部排塵口，這時(shí)煙氣運(yùn)動(dòng)到ECP底部轉(zhuǎn)為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)上行，至頂部排氣口排出。

表1 ECP結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 磁場(chǎng)作用下ECP物理模型Fig.1 Schematic diagram of ECP physical model under magnetic field

2 數(shù)學(xué)模型

ECP內(nèi)的煙氣流動(dòng)滿(mǎn)足質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)和動(dòng)量守恒方程(Navier-Stokes方程)，假定模型中煙氣不可壓縮，并用空氣動(dòng)力學(xué)拖曳力和電體積力之和來(lái)替代Navier-Stokes方程中的廣義源項(xiàng)[18]。

在電暈穩(wěn)定放電情況下，ECP的電場(chǎng)可由Poisson方程和電流連續(xù)性方程電場(chǎng)分布進(jìn)行描述，數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

(2)

運(yùn)動(dòng)電荷周?chē)瑫r(shí)存在著電場(chǎng)和磁場(chǎng)，本研究假設(shè)引入的磁場(chǎng)在ECP空間內(nèi)均勻分布，且大小和方向均不隨時(shí)間變化，因此不涉及麥克斯韋方程組的求解計(jì)算。

此外，在分析ECP內(nèi)的微粒受力時(shí)，由于微粒質(zhì)量較小，重力可以被忽略，因此只考慮電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力以及拖曳力的聯(lián)合作用，微粒的動(dòng)量守恒方程如下：

(3)

Fm=QupB

(4)

Fe=QE

(5)

(6)

式中：mp為微粒質(zhì)量，kg；up為微粒速度，m/s；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；Fm、Fe、FDj分別為離子受到的磁場(chǎng)力、電場(chǎng)力和拖曳力，N；Q為帶電微粒的荷電量，由電場(chǎng)荷電量和擴(kuò)散荷電量?jī)刹糠纸M成，C；B為外加磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；Ap為微粒的迎流面積，m2；ρg為煙氣密度，kg/m3；CD為氣流和微粒間的阻力系數(shù)；uj為煙氣速度，m/s。

3 數(shù)值求解

3.1 假設(shè)條件

為了便于計(jì)算，首先對(duì)微粒性質(zhì)進(jìn)行假定。根據(jù)燃煤電廠中的可吸入顆粒物特點(diǎn)，假定微粒為球狀物，密度為1 800 kg/m3，粒徑范圍為0.5～2.5 μm。入射微粒的參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表2。對(duì)煙氣性質(zhì)進(jìn)行假定，將煙氣視為不可壓縮流體，所以在Fluent軟件中，設(shè)定氣-固兩相流中氣相物質(zhì)為連續(xù)介質(zhì)，由于煙氣與粉塵幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故可將煙氣簡(jiǎn)化為空氣，煙氣壓力視為大氣壓。

表2 入射顆粒的物性參數(shù)

3.2 邊界條件

ECP需要的求解域邊界包括：煙氣入口邊界、煙氣出口邊界、排灰口、電暈線(xiàn)表面及電暈線(xiàn)所在軸線(xiàn)。對(duì)于排灰口表面，采用無(wú)滑移邊界條件，壁面粗糙度采用默認(rèn)值。在近壁面處，黏性作用增強(qiáng)，湍流擴(kuò)散作用減弱，因而采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。ECP入口與出口處的離散相邊界條件設(shè)為逃逸；將電暈線(xiàn)所在對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)定義為Symmetry，不做離散相邊界條件的設(shè)置，而電暈線(xiàn)表面為反射；排灰口離散相邊界條件為捕捉?？臻g電荷密度為常數(shù)，則進(jìn)口、出口和電暈線(xiàn)表面邊界條件設(shè)置為ρ=0。ECP的邊界條件如表3所示。

3.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了保證數(shù)值模擬的精度，需對(duì)ECP的網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證來(lái)確定最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)。表4顯示了不同網(wǎng)格單元數(shù)下1 μm微粒的除塵效率及其相對(duì)誤差。可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)的增大，除塵效率的相對(duì)誤差逐漸減小。當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)達(dá)到128 357時(shí)，相對(duì)誤差僅為1.55%，可保證計(jì)算的精度和速度，因此本研究中網(wǎng)格單元數(shù)取128 357。

表3 靜電旋風(fēng)除塵器邊界條件1)

表4 ECP網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

3.4 可靠性驗(yàn)證

為了保證ECP計(jì)算結(jié)果的可靠性，選取參考文獻(xiàn)[19]中的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得到除塵效率隨煙氣流速變化的對(duì)比曲線(xiàn)如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，本研究的數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合較好，這說(shuō)明根據(jù)ECP理論和數(shù)值模型可以真實(shí)地模擬ECP的除塵性能。

圖2 ECP可靠性驗(yàn)證Fig.2 Reliability verification of ECP

4 模擬結(jié)果與分析

將劃分好的網(wǎng)格文件和用戶(hù)自定義(UDF)程序?qū)隖luent軟件，數(shù)值模擬有無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境中不同煙氣流速下微粒的除塵效率，將仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到除塵性能變化規(guī)律。設(shè)定工作電壓為50 kV、溫度為200 ℃，計(jì)算煙氣流速分別為2、4、6 m/s，磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度為0、0.125、0.250、0.375、0.500 T時(shí)ECP的分級(jí)逃逸率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同煙氣流速下ECP內(nèi)微粒分級(jí)逃逸率Fig.3 Grade escape rate at different gas velocities in ECP

由圖3可知，隨著微粒粒徑的增大，ECP分級(jí)逃逸率上升速度先快后慢，直至趨于平緩；同一粒徑下，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，微粒的分級(jí)逃逸率不斷減小，表明外加磁場(chǎng)可有效促進(jìn)ECP對(duì)微粒的除塵效果。整體看來(lái)，煙氣流速越大，ECP的分級(jí)逃逸率越高。

圖4給出了不同煙氣流速下ECP內(nèi)顆粒綜合逃逸率隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化?？梢钥闯觯⒘５木C合逃逸率均隨著煙氣流速的等幅提高不斷增大，說(shuō)明煙氣流速的提高削弱了ECP的除塵效率，低煙氣流速有利于ECP內(nèi)微粒的捕集；同一煙氣流速下，磁約束作用的微粒綜合逃逸率相比于無(wú)磁約束作用時(shí)更小，且隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，磁場(chǎng)對(duì)降低微粒綜合逃逸率的相對(duì)貢獻(xiàn)逐步減小，外加磁場(chǎng)在一定程度上促進(jìn)了ECP對(duì)微粒的捕集；相同磁感應(yīng)強(qiáng)度下，微粒綜合逃逸率隨著煙氣流速的升高而不斷升高，低煙氣流速下ECP捕集性能更佳。

圖4 ECP內(nèi)微粒綜合逃逸率Fig.4 Overall escape rate of fine particals in ECP

5 結(jié) 論

外加磁場(chǎng)可明顯提高ECP對(duì)微粒的捕集性能，在同一煙氣流速下，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，磁場(chǎng)對(duì)微粒捕集的促進(jìn)作用逐漸增大，但增大幅度逐步減小。同一磁感應(yīng)強(qiáng)度下，微粒綜合逃逸率隨煙氣流速升高而不斷增大，說(shuō)明ECP除塵性能在低煙氣流速下更為優(yōu)越。