電極結構對電流體運動的影響

武磊,郭朋朋,陳旭東, 李慶

(河北大學 物理科學與技術學院,河北 保定 071002)

自20世紀60年代以來,世界經濟的飛速發(fā)展也帶來了一系列的環(huán)境問題,大氣污染更是直接影響人類的生存和發(fā)展,而其中的細顆粒物排放更是與人類健康息息相關.國家為了解決這一問題,在2014年出臺了GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》,將細微顆粒物排放限值降低至30 mg/m3,這進一步提升了對除塵器除塵性能的要求.目前,在工廠應用的除塵技術主要有旋風除塵、濕法除塵、布袋除塵和電除塵等[1],其中電除塵技術由于其設備阻力小、能耗低、煙氣處理量大等優(yōu)點而被廣泛使用[2-6].

盡管靜電除塵器具有諸多優(yōu)勢,但仍存在一些制約其進一步發(fā)展的因素.靜電除塵器對較大顆粒物的除塵效率可達99%以上,然而由于細顆粒物攜帶電荷較低,在靜電除塵器中的運動受流體擾動較大,其去除效率僅為70%～80%[7].為了進一步提高靜電除塵器的除塵效率,人們對其進行了深入的研究.Bacher等[8]測定了不同形狀電極的線管式靜電除塵器的除塵效率,結果表明電源電壓剛好低于擊穿電壓時除塵器工作效率最高,且實驗組中帶有長尖峰的電極除塵效率最高的同時,能耗最低.Maria等[9]使用實驗室規(guī)模的單級電除塵器進行實驗,發(fā)現電暈電極幾何形狀對除塵效率的影響很大,管道型和雙尖電極的收集效率最高.沈欣軍等[10]使用二維激光粒子成像技術,研究了針-板型電除塵器中,離子風的產生和傳播規(guī)律,得出了離子風速度與輸入功率的關系.Xu等[11]對不同材料陰極的電除塵器除塵效率進行了測定,結果表明:相比于不銹鋼、鈦合金等常用陰極材料,稀土鎢陰極在較高溫和較低電壓下能顯著提高除塵效率.Jaworek等[12]設計了一種帶并流與逆流裝置的靜電除塵器,放電尖峰正對氣流入口方向的逆流陰極靜電除塵器能有效提高PM2.5粒子的收集效率.Kazunori 等[13]研究了一種無電暈放電的兩級靜電除塵器,粒子與低壓電極接觸后荷電,而后進入二級收塵極去除,這一設計可以減少功耗以及臭氧的產生.

靜電除塵是一個涉及電場,流場和粒子運動的多物理場耦合的過程.如上所述,為了提高粉塵的收集效率,人們主要關注了高壓電源類型、放電極形狀、濕式或煙灰調質等因素對除塵效率的影響[14-16],但是實際上收塵極附近流場對電場和顆粒的擾動對微細顆粒的收集也具有重要影響.

Wang等[17]使用粒子圖像測速技術(particle image velocimetry,PIV)抽象研究了線板式除塵器內電暈放電誘導的電流體流動,研究表明離子風表現為收集板附近的流動流線向放電極彎曲,隨著電壓增加,形成一個導線向極板的射流狀流動結構.Ning等[18]研究表明,隨著電壓的不斷增大,流場中離子風作用明顯超過電場力,通道內流場狀態(tài)發(fā)展為對稱的雙螺旋結構.柳林等[19]使用擴縮板對收集電極進行改造,結果表明擴縮板結構能改變電除塵器內電場,流場分布,有效提升除塵效率.王伊凡等[20]研究表明二次揚塵效應與除塵器通道內近壁區(qū)流速有關,流速越大,二次揚塵效應越顯著.本課題組的實驗研究也表明當改變收塵極板結構時可以改變收塵極附近的電場與流場分布,從而影響除塵效率[21].由于除塵器內部結構復雜,高電壓下收塵極附近的復雜紊流以直接觀測,電極結構對除塵器內部電流體狀態(tài)的影響難以量化,因此數值模擬以能形象展示電流體狀態(tài)、快速提取數據進行分析以及成本低等優(yōu)點,為實驗及理論分析提供依據.

本文設計了線-傳統板與2種不同結構的線-開孔板極配方式.建立了電暈放電和流場的多物理場耦合數值模型,并利用COMSOL軟件模擬研究了3種不同極配方式下的電除塵器通道內的電場與流場特征.

1 電除塵器流場的數值模擬

1.1 放電結構

現今大部分實際應用中的靜電除塵器為線板結構,如圖1可知線板式靜電除塵器的結構極具對稱性,且其在z方向上具有相似性.故選取單線板式除塵器為研究對象,并截選其x-y平面建立模型,將三維除塵器簡化為二維模型,簡化計算.圖2a為單線板式靜電除塵器二維截面圖,其中,上下2部分為收塵極板,左側1為除塵器入口,右側3為出口,正中部位2為放電極.上下兩邊4為收塵極板.為了分析問題方便,取坐標如下:以電極中心正對入口處為原點,平行于收塵極板方向為x軸,垂直于收塵極板方向為y軸.

圖1 線板式除塵器三維結構Fig.1 Three-dimensional structure drawing of line plate dust collector

a.傳統A模型;b.線對板B模型;c.線對孔C模型圖2 不同收塵極板除塵器二維模型Fig.2 Two dimensional model diagram of different dust collector plate

為了研究不同極板及板間距對除塵器內部流場,除塵性能的影響,設置了線對傳統板、線對板孔板以及線對孔開孔板3種不同收塵極板型除塵器.為方便后續(xù)分析,分別將其稱為A、B、C模型,分別如圖2a、2b、2c所示.均將其線板距設置為15 cm,其中電極半徑為2 mm,模擬計算區(qū)域長度為50 cm,左側入口寬30 cm,右側出口寬30 cm.對于B、C模型,將A模型的收塵極板向后延5 cm,位置如圖2b、2c中5所示,在原收塵極板處放置設計好的開孔板,位置如圖2b、2c中4所示.開孔板開孔孔徑為3.5 cm,相鄰兩孔之間間距為1.5 cm.開孔板與后延收塵極板之間形成的相對密閉空間稱為區(qū)域D.B模型為電極正對開孔板中心兩孔間隔中心處,而C模型板則是電極正對開孔板中心孔圓心.

1.2 電場模型

假設荷電顆粒對電場特性分布影響可以忽略[22],因此,電場分布可以由泊松方程[23]確定.

(1)

式中,V為電勢,ρ為空間電荷密度,ε0為真空中的介電常數,使用經驗公式peek定律計算圓形電極電暈放電起暈電壓,即

(2)

式中,ES為電極表面電場強度,E0則為擊穿電場強度常數,一般認為為3.1×106V/m,a為無量綱曲面參數,δ為相對氣體密度,r0為電極半徑.由此根據該定律計算不同半徑下電暈放電的起暈電壓.

1.3 流場模型

由于除塵器通道內流速遠小于聲速,所以在模擬中,除塵器內部流體流動被視為不可壓縮流動.故在模擬時選擇等溫,低流速湍流模型,即使用標準k-ε模型[24-25].

(3)

式中,C1、C2與σε為常數,其值分別取1.44、1.92以及1.3.ut為湍流黏性系數,uj為速度分量,xj為坐標方向,其中k為k-ε模型中的湍流動能,ε則為湍流耗散率,其滿足以下輸運方程:

(4)

式中,G為湍流剪切應力,σk為常數,取值為0.09.

1.4 網格劃分與邊界條件設置

由于電極曲率半徑較小,附近電場強度很強,為了確保模擬精度,對二維模型中的電極周圍網格進行加密處理,如圖3a.分析極板附近電場強度,板前風速等對除塵效率有影響的因素,故對極板附近邊界層進行加密處理,如圖3b.入口、出口及除塵器剩余內部網格均遵循等離子體物理場控制方式進行劃分,如圖3c.對于線孔板式除塵器,其開孔板附近湍流強度大,故對其孔板附近進行網格加密,如圖3d.

a.電極周圍;b.收塵極板附近;c.整體網格;d.開孔板附近圖3 網格劃分示意Fig.3 Grid division diagram

在氣體流場中,除塵器入口設置為固定速度入口,為抑制回流,除塵器出口壓力設置為靜壓出口.同時,入口與出口均設置為零電荷,即表面電荷密度為零.上下極板設置為接地,即接地電壓為零,收塵極與放電極邊界應用Dirichlet邊界條件.收塵極電壓設置為0,放電極電壓設置為U.除塵器內部溫度設置為恒溫293.15 K,壓力設置為絕對壓力條件.

2 物理場數值模擬

2.1 電勢分布

圖4為當施加電壓為45 kV時,傳統A模型除塵器內部的電勢分布圖.線對板B模型與線對孔C模型電勢分布與A模型相似.3種電除塵器模型電勢均沿電極線向收集電極方向逐漸減小.3個放電電極附近的電勢分布呈橢圓形.由于收塵極板接地,相較于入口與出口而言,電極離收塵極板較近,故在電極垂直于收塵極板方向上,電勢變化較大,故除塵器內電勢呈橢圓形分布.如圖4在顏色為深藍色的部位,即靠近收塵極板附近B區(qū),電勢變化較小,即電場強度小,在顏色為紅色的部位,即在電極附近A區(qū),電勢變化大,即電場強度大.

圖4 A模型除塵器內部電勢分布Fig.4 Potential distribution inside type A dust collector

2.2 空間電荷密度分布

空間電荷密度分布對除塵器內部灰塵顆粒荷電與捕集有著重要影響,由圖5可以看出,空間內電荷主要集中在電極附近,呈橢圓形分布.峰值出現在極線正對極板的上下2個小橢圓內,其中傳統A模型峰值為2.71×10-5C/m3,線對板B模型與線對孔C模型峰值略小,均為2.58×10-5C/m3.在靠近陽極板時,A模型除塵器上電荷分布為電極正對極板處最高,而后分別向入口和出口逐漸減小的類高斯分布,B、C模型電荷密度整體分布趨勢與A型相似,只是在兩孔間隔處電荷密度存在小幅躍變,在開孔處電荷密度減小,在兩孔間電荷密度增大.

a.A模型傳統板;b.B模型線對板;c.C模型線對孔 圖5 除塵器內空間電荷密度分布Fig.5 Space charge density distribution inside the dust collector

2.3 流場分布

除塵過程的本質是一種氣固兩相流運動,即將灰塵顆粒從氣流中分離出來的過程.故除塵器中的氣體流動對粉塵顆粒的收集效率有很大影響,而電暈放電過程中因離子高速運動產生的離子風現象對除塵器中氣體流動有較大影響[26-27].

從圖6可以看出,入口流速為0.1 m/s時,電壓為45 kV時,3種結構除塵器內部受離子風影響產生一系列復雜的湍流現象,即在電極附近產生4個離子風漩渦,且4個漩渦具有沿x軸對稱的性質,風漩方向是從電極射出,向收塵極板發(fā)展.線板式除塵器中的主流與近板平均風速最高,對收塵電極進行改造后的2種除塵器近板風速均低于線板式除塵器.

a.A模型;b.B模型;c.C模型圖6 入口流速為0.1 m/s時A、B、C模型除塵器流場Fig.6 Flow field diagram when the inlet flow rate is 0.1 m/s for A,B,C type dust collector

當入口流速提升至0.5 m/s,其他條件不變時,除塵器內部流場如圖7.由圖7可知,當入口流速提升時,除塵器內部湍流渦旋有所減緩,僅在電極正對極板附近區(qū)域,離子風對氣流擾動較大.線板式除塵器內部最大風速略低于改造后除塵器內最大風速,且最高風速均出現在電極附近.在B、C模型區(qū)域D內,形成了較小的湍流渦旋,但區(qū)域D內平均流速僅為主流流速的20%甚至更低.

a.A模型;b.B模型;c.C模型圖7 入口流速為0.5 m/s時A、B、C模型除塵器流場Fig.7 Flow field diagram when the inlet flow rate is 0.5 m/s for A,B,C type dust collector

當入口流速提升至1 m/s時,由圖8可知,3種極板除塵器內部主流均近似為層流,離子風對流場影響極小,3種除塵器內部最大風速相近,開孔板電除塵器內部主流流速略高于傳統極板除塵器,但其在開孔板與后收塵極板之間的相對密閉空間內的流速極低,平均流速小于0.15 m/s.當灰塵顆粒進入該低速區(qū)時,不僅能提高了灰塵顆粒在除塵器內部的停留時間,也能有效減少二次揚塵效應.

a.A模型;b.B模型;c.C模型圖8 入口流速為1.0 m/s時A、B、C模型除塵器流場Fig.8 Flow field diagram when the inlet flow rate is 1.0 m/s for A,B,C type dust collector

2.4 板前5 mm電場強度

除塵器中灰塵顆粒運動過程中,受到電場力和流體拖曳力作用,其中電場y方向分量大小,決定了顆粒向收塵極板運動時的y方向電場力大小.y方向電場強度越大,荷電顆粒受到y方向電場力越大,顆粒向收塵極板運動的趨勢越明顯.

圖9為當施加電壓為45 kV時,3種電除塵器板前5 mm的電場強度分布曲線,可知改變收塵極板結構對電場強度分布有較大影響.3種不同極板結構的除塵器板前電場強度分布趨勢均在極線正對極板附近達到最大,然后分別向入口和出口逐漸減小,其中孔板線對孔型板前電場強度最大,最大值為2.8×105V/m,線對板型其次,達到2.6×105V/m,線對傳統板型板前電場強度最低,僅為2.2×105V/m,由此可知,開孔板能有效增大除塵器板前5 mm電場強度分布,增大顆粒到達極板時y方向受到的電場力.

圖9 板前5 mm電場強度分布Fig.9 Electric field intensity distribution in 5 mm from the front of the plate

傳統A型除塵器內部電場強度變化較小,呈電極處高、入口出口低的分布,而線對板B型與線對孔C型開孔板除塵器板前電場強度分布則是在開孔處和未開孔處存在躍變,形成電場強度差,這既有助于荷電顆粒在到達孔板時一部分吸附在孔板上,又能使一部分荷電顆粒在開孔位置穿過孔板,到達開孔板與后收塵極板之間的密閉空間內,進一步提高收塵效率.

2.5 板前1 cm速度分布

在對除塵器進行數值模擬時,一般都忽略了二次夾帶效應,而在電除塵器實際運行中,收塵極板附近流速決定了二次揚塵的強弱,從而影響整體除塵效率.由于除塵器具有良好對稱性,故A模型取傳統板板前1 cm截線,B、C模型則取開孔板前1 cm截線,分析這3條截線上的速度分布.

當入口流速為0.5 m/s時,如圖10所示,3種除塵器板前速度均為從入口進入后,速度不斷減小,在電極附近達到最小值,而在越過電極后,速度出現一定程度的上升.傳統A模型除塵器在收塵極板板前1 cm平均風速為0.37 m/s,線對板B模型除塵器在收塵極板附近平均風速為0.29 m/s,線對孔C模型除塵器則是0.28 m/s,即B、C模型除塵器板前速度均小于A模型除塵器,尤其是在收塵極板靠近出口附近,傳統板出口附近速度達到0.45 m/s,而開孔板出口附近速度只有0.325 m/s.

圖10 板前1 cm速度分布圖(入口風速0.5 m/s)Fig.10 Velocity distribution diagram of 1 cm in front of plate(inlet wind speed 0.5 m/s)

當入口流速提升至1.0 m/s時,開孔板對極板板前1 cm主流速度的削弱作用更大,如圖11.A模型板前流速變化與入口流速為0.5 m/s時變化規(guī)律相同,最大速度在出口處,達到了0.81 m/s,但B、C模型則是從入口進入后速度大幅減小,在電極附近達到極小值后,小幅上升后繼續(xù)下降,在出口處速度最小.最小值分別為0.59 m/s和0.61 m/s.A模型板前平均流速為0.768 m/s,B模型與C模型則分別為0.656、0.648 m/s,相比于A模型板前1 cm平均流速分別下降了14.58%和15.62%.且在除塵器通道的后半段,即放電極至出口部分,開孔板對流速的抑制效果更為明顯.在后半段,A、B、C三模型的板前平均流速分別為0.772、0.618、0.616 m/s .相比于A模型的板前平均流速分別下降了19.94%和20.20%.這一速度分布是由于開孔板后形成了與主流速度反向的湍流,在開孔處與主流匯聚后削減了主流在這一區(qū)域的速度造成的.這一結果說明開孔板結構能有效減小收塵極板附近風速,即減小離子風對極板的沖刷這一負面作用,同時減少由板前風速過大吹起吸附在極板上的細微顆粒物而造成的二次揚塵現象,進而提高除塵器對細微顆粒物的捕集效果,與實驗結果相符[21].

圖11 板前1 cm速度分布圖(入口風速1.0 m/s)Fig.11 Velocity distribution diagram of 1 cm in front of plate(inlet wind speed 1.0 m/s)

3 結論

采用數值模擬的方法,研究了新型開孔板對靜電除塵器中離子風與主流一次流之間的相互擾動,結果如下:1)新型開孔板的近板電場強度高于傳統線板式靜電除塵器.而開孔板之中:線對孔C模型板板前5 mm電場強度高于線對板B模型,且其均在開孔處電場強度存在躍變.這一變化能有效促進微細粉塵進入開孔板與后收塵極板之間形成的相對密閉空間內,提高收塵效率.2)當除塵器通道入口流速為0.1 m/s時,離子風對主流作用明顯,在通道內形成4個明顯且具有對稱性質的湍流漩渦.隨著入口流速的增大,除塵器內部湍流渦旋逐漸減小,當入口為0.5 m/s時,僅在電極線正對極板處對主流有一定擾動,在入口流速達到1.0 m/s后,通道內主流可近似為層流流動,渦旋完全消失.3)新型開孔板能有效降低靜電除塵器通道內近板風速.在通常流速下(1.0 m/s左右)開孔板前平均流速相比傳統板分別降低了14.58%和15.62%,且在放電極到出口的除塵器通道后半段削弱效應極為明顯.相比傳統板分別降低了19.94%和20.20%.這表明開孔板結構能有效降低收塵極板附近流速,減少因二次揚塵造成的除塵效率降低現象,且與線對板B,線對孔C模型相比,線對孔C模型綜合效果更好.