电除尘器内亚微米细颗粒物动态的可视化测试

沈欣军,王仕龙,韩 平,郑钦臻,曾宇翾,闫克平

（1.浙江大学生物质化工教育部重点实验室,浙江杭州310027；2.神华国能集团有限公司,北京100140；3.沈阳工业大学理学院,辽宁沈阳110870）

电除尘器内亚微米细颗粒物动态的可视化测试

沈欣军1,3,王仕龙2,韩 平2,郑钦臻1,曾宇翾1,闫克平1

（1.浙江大学生物质化工教育部重点实验室,浙江杭州310027；2.神华国能集团有限公司,北京100140；3.沈阳工业大学理学院,辽宁沈阳110870）

为了研究电除尘器内气流场对细颗粒物捕集的影响,采用二维粒子成像测速法（2D-PIV）对电除尘器内亚微米细颗粒物的运动规律进行测试.实验中,采用艾灸烟作为示踪粒子,线－板式电除尘器板间距为200 mm,通过改变高压放电极或电晕放电极性进行实验.结果表明,对单线电极电除尘器施加50 kV高压时,线电极周围会形成4个涡旋.对双线电极电除尘器来说,由于涡旋的相互作用,会形成更多的涡旋,且分布在双电晕线之间的4个涡旋更加均匀对称.从涡旋形貌来看,正电晕或负电晕放电具有相似的涡旋分布,采用线电极或芒刺电极时,也具有相似的涡旋分布.采用双芒刺电极时,由于注入更高的放电能量,颗粒物速度大幅提高,最高值可达1.6 m／s,是一次流速的3倍.

ESP；2D-PIV；气流分布；离子风；亚微米细颗粒物

我国是燃煤大国,电除尘器是燃煤锅炉控制颗粒物排放的主要除尘设备之一.2011年最新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）规定,所有新建项目于2012年1月1日起正式实施此排放标准,现有火电厂最迟于2014年7月1日前完成贯标工作,其中烟囱烟尘排放浓度限值为30 mg／m3,对于重点区域的火电厂实行20 mg／m3烟囱烟尘排放浓度特别限值.而我国目前现役的电除尘器大部分是按老标准（GB13223-2003）规定的50 mg／m3排放浓度配置设计的,这促使我国需对现有陈旧落后的电除尘器进行提效改造.

电除尘器对亚微米颗粒物的收集效率较低［1-3］.研究表明,电除尘器内的离子风是影响细颗粒物捕集的主要因素之一［4-5］.因此,采用有效的测试手段对电除尘器内的流场进行测试,观察电除尘器内细颗粒物特别是亚微米细颗粒物的动态规律,为解决现行电除尘器存在的技术问题提供了可视化的依据.

粒子成像测速法（PIV）是一种非接触、瞬时、动态、全流场的直接速度场测试技术,应用于电除尘器内的流场测试已有十多年的历史,研究主要集中在实验室内窄间距（板-板间距小于100 mm）电除尘器模型的测试,从常见的2D-PIV发展到3D-PIV测试.应用2D-PIV的有针对不同电极结构形式的线-板式［6-7］、多线-板式［8.9］、针-板式［10.11］和线-筒式［12］电除尘器内的流场测试.应用3D-PIV的有针对板-板间距为窄间距（30 mm）［13-14］和宽间距（100 mm）［15-16］线-板式电除尘器内的流场测试.此外,还有针对不同的电除尘器电源和放电类型进行的测试研究［17-18］,但多以2D-PIV测试为主.

本文的研究目的在于实现对工业实际应用中宽间距电除尘器下的2D-PIV流场测试.为探明电除尘器对细颗粒物去除效率低的问题提供可靠的依据,同时选择一种更适合PIV流场测试技术应用的示踪粒子.

1 实验系统与方法

1.1 实验系统

实验系统由电除尘系统和2D-PIV测试系统2部分组成（如图1所示）.

1）电除尘系统

电除尘器整个箱体均采用有机玻璃制作,箱体内部尺寸为长×宽×高＝600 mm×200 mm×200 mm.收尘极为不锈钢薄板（长×宽＝400 mm×200 mm）,位于箱体上下壁面位置,考虑到相机拍摄范围和数据分析精度等因素,电除尘器板-板间距选为200 mm.放电极采用不锈钢线电极（直径0.15 mm）或不锈钢芒刺电极（如图2所示,芒刺直径0.15 mm）,长均为200 mm,位于两收尘极板中间位置,具体电极布置方式见图1（b）.正直流高压电源型号：ZGF-60kV／2m A；负直流高压电源型号：ZGF-60kV／5m A,自带数字电压表（精度0.1 kV）和数字电流表（精度1μA）.

2）2D-PIV测试系统

2D-PIV测试系统见图1（a）.其主要组成设备型号和参数如表1：

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic illustration of experimental setup

图2 芒刺电极结构尺寸Fig.2 Structure and size of spike electrode

2D-PIV系统的测试方式如图1（b）所示,激光束经导光臂转换为0.5～1 mm厚的激光面,从电除尘器一端射入,经过电除尘器中轴线并垂直于放电极和收尘极,含有示踪粒子的烟气则从另一端进入电除尘器,相机的拍摄位置与激光面垂直,拍摄分布在激光面上散射了激光的示踪粒子,相机每次拍摄一对照片,应用图像分析处理软件Micro Vec V3.2.1对其进行分析处理,结果通过软件Tecplot10以速度矢量图（或流线图）的形式显示,即完成了瞬时流场的2D-PIV测试.矢量图（或流线图）中的X为电除尘器轴线方向,Y为与轴线垂直的方向,与图1（b）中的x和y方向相对应.

表1 2D-PIV测试系统主要设备型号和参数Tab.1 Main equipment types and parameters of 2D-PIV measurement system

3）示踪粒子

示踪粒子直接反映流场特性,它的选取及布置是PIV测量的关键环节之一.示踪粒子通常应具有良好的跟随性、散射性和合适的浓度,通常适用于气相PIV测试的示踪粒子有氧化铝粒子、二氧化钛粒子以及雾化的油滴等.本实验中选取香烟及艾灸烟进行了粒径测试,以便选取一种更接近于亚微米级的细颗粒物作为示踪粒子.测试仪器为芬兰产电子低压冲击仪（electrical low pressure impactor,ELPI）,该仪器利用颗粒物的惯性按动力学粒径将颗粒物分成12级,对应中位粒径从小到大分别为0.039、0.072、0.121、0.204、0.318、0.486、0.766、1.239、1.966、3.102、5.191和8.181μm.ELPI可以实时在线进行颗粒物浓度c、粒径da以及荷电量Q的测试［19］.测试时,将香烟或艾灸点燃后放入图1（a）中的发烟装置,并与风机引入的空气混合后进入电除尘器,然后在电除尘器的出气口取样测试.如图3所示给出了ELPI自带分析软件对香烟和艾灸烟粒径分布的测试结果.可以看出,香烟颗粒物分布在0.039～1.966μm,主要以中位粒径0.766μm和1.239μm的颗粒物为主.艾灸烟颗粒物则分布在0.039～0.766μm,基本为亚微米颗粒物,且以中位粒径0.039μm居多,可见艾灸烟比香烟具有更好的跟随性.同时,实验中艾灸烟比香烟具有更好的浓度可控性和持久性.

图3 示踪粒子粒径分布Fig.3 Size distribution of tracer particle

1.2 实验方法

发烟装置产生的烟气进入电除尘器后,通过气流分布板后实现近似层流分布,一次流速大约控制在v＝0.5 m／s,流体的雷诺数Re＝V×L／ν＝6 370（其中收尘板间距L＝0.2 m,空气运动黏度ν＝1.57×10－5m2／s）,所有实验均在室温和相对湿度大约为55%的条件下完成.实验中,分别考察了不同放电极极性、形状和数量等参数时,电除尘器内流场的2D-PIV测试.

操作时,调好各项参数,CCD相机连续拍摄48对照片,分析处理后,对得到的48个瞬时流场进行平均处理,得到最终测试结果.

2 实验结果

2.1 单线电极时±50 kV高压下的流场测试

本实验采用单线电极,分别施加±50 kV高压进行流场测试,结果见图4和5.从图中可以看出,在50 kV高压下,虽然电压极性不同,但都得到了相近的流场测试结果.原本呈层流运动的一次气流,改变了原有的运动方向,向收尘极运动,到达收尘极后又分别向相反方向运动,从而在两收尘极间形成了上、下、左、右的4个涡旋.从流线图可以更为直观的看出,上游方向的2个涡旋与下游方向的2个涡旋形状略有不同.

2.2 单芒刺电极时±50 kV高压下的流场测试

实验采用单芒刺电极,芒刺尖端与集尘板垂直,激光面位于两芒刺之间（避免芒刺反光而造成流场失真）,分别施加±50 kV高压进行流场测试,结果见图6和7.从图中可以看出,得到了与2.1中近似的实验结果.只是在芒刺电极的作用下,对一次流速的改变更为明显,局部流速增速更高.

2.3 双线电极时±50 kV高压下的流场测试

本实验采用双线电极,电极间距d＝155 mm,分别施加±50 kV高压进行流场测试,结果见图8和9.从图中可以看出,在50 kV高压下,不同极性的电压同样获得了相近的流场测试结果.从流线图可以更为直观的看出,左、右电极间涡旋的相互作用,对一次流影响更大,形成了更为均匀对称的4个涡旋.由于拍摄区域的限制,左、右电极以外其他区域流场的变化情况仅有小部分显示了出来,可以判断该区域也有涡旋的存在.

2.4 双芒刺电极时±50 kV高压下的流场测试

图5 单线电极正高压（U＝50 kV,I＝352μA）条件下的流场和流线Fig.5 Flow field and flow line under single wire electrode and positive high voltage（U＝50 kV,I＝352μA）

图6 单芒刺电极负高压（U＝－50 kV,I＝397μA）条件下的流场和流线Fig.6 Flow field and flow line under single spike electrode and negative high voltage（U＝－50 kV,I＝397μA）

本实验采用双芒刺电极,电极间距为155 mm,电极和激光面布置方位同2.2,分别施加±50 kV高压进行流场测试,结果见图10和11.从图中可以看出,得到了与2.3中近似的结果.但在双芒刺电极的作用下,局部形成的二次流速可达1.6 m／s,已超出一次流速的3倍以上.

图7 单芒刺电极正高压（U＝50 kV,I＝382μA）条件下的流场和流线Fig.7 Flow field and flow line under single spike electrode and positive high voltage（U＝50 kV,I＝382μA）

图8 双线电极（d＝155 mm）负高压（U＝－50 kV,I＝489μA）条件下的流场和流线Fig.8 Flow field and flow line under double wire electrode（d＝155 mm）and negative high voltage（U＝－50 kV,I＝489μA）

图9 双线电极（d＝155 mm）正高压（U＝50 kV,I＝421 μA）条件下的流场和流线Fig.9 Flow field and flow line under double wire electrode（d＝155 mm）and positive high voltage（U＝50 kV,I＝421μA）

3 结果分析与讨论

1）电除尘器中颗粒物的去除,主要受电场强度、空间电荷分布、气体流场和颗粒物本身性质等因素的影响,这些参数会影响到作用在颗粒物上电场力和黏性力的平衡,即决定了颗粒物在向收尘极运动的驱进速度［20］.此外,颗粒物的去除还受到一次流和离子风产生的二次流（电流体动力流electrohydrodynamic,EHD）相互作用的影响［21］.EHD值可以通过以下公式计算［22］：

式中：I为总放电电流（A）；L＝0.2 m；ν＝1.57× 10－5m2／s；ρ为空气密度,1.205 kg／m3；μi为正放电下的离子迁移率,2×10－4m2／Vs；负放电下的离子迁移率,2.7×10－4m2／Vs；A为收尘面积,2×0.4×0.2＝0.16 m2.

EHD与Re平方的比值（EHD／Re2）可以反映出离子风引起的电流体动力流和黏性力的大小关系.如表2所示给出了实验中不同条件下计算所得到的EHD／Re2值.可以看出在50 kV高压下,改变放电极的极性、形状和数量等参数,EHD／Re2分布在5.8～13.6,可见高电压下离子风对亚微米艾灸烟颗粒物的影响占有主导地位.

图10 双芒刺电极（d＝155 mm）负高压（U＝－50 kV, I＝660μA）条件下的流场和流线Fig.10 Flow field and flow line under double spike electrode（d＝155mm）and negative high voltage（U＝－50 kV,I＝660μA）

表2 不同条件下的EHD值Tab.2 EHD under different conditions

2）在速度高达十几m／s［23］甚至几十m／s［24］的离子风作用下,电除尘器内形成复杂的湍流,从单电极和双电极下的流场和流线图可以看出,这种湍流形式主要以涡旋的形式表现出来.而芒刺电极的局部尖端电晕放电要比光滑线电极更为强烈,伴随有更高速度的离子风产生,所以对一次流速影响更为强烈.

3）双电极下流场内的涡旋比单电极下更为均匀对称,是由于2个相同电极之间的涡旋相互交汇形成的,结果表现为二次流速更高.从多次实验的结果来看,二次流速的最大值往往随机出现,应该与实际运行中的不确定因素影响有关.此外,受拍摄区域所限,不能完全显示出2根电极周边流场的分布情况,但可以推断,随着电极数量的增加,流场中涡旋数量也会增加,从而在集尘板间形成一系列涡旋,涡旋之间交汇的影响,使二次流速更高.

图11 双芒刺电极（d＝155 mm）正高压（U＝50 kV, I＝655μA）条件下的流场和流线Fig.10 Flow field and flow line under double spike electrode（d＝155 mm）and positive high voltage（U＝50 kV, I＝655μA）

4）正电晕与负电晕是有区别的,负电晕放电下电极附近会产生tufts效应,造成更强的湍流现象［25］.而从图4～11的流场图来看,在相同的高电压下这种现象并不明显,这是因为高电压下无论正、负电极都会产生高速的离子风,迅速地将电极周围的艾灸烟吹走,电极附近艾灸烟浓度极低,就失去了示踪粒子的作用,从流场图中表现为黑色空洞,这种现象在芒刺电极周围表现更为明显,所以不能完全显示出正、负电晕附近的流场差别.

5）从流场和流线图来看,亚微米细颗粒物受到涡旋的湍流运动,不停地在收尘极之间旋转运动,不易被收尘极捕获,这是电除尘器对亚微米细颗粒物捕集效率低的主要影响因素之一.此外,有研究表明,颗粒物进入电除尘器后,瞬间完成荷电,其中粒径大于2μm的颗粒物以场致荷电为主,粒径小于0.2μm的颗粒物以扩散荷电为主,介于期间的颗粒物兼有2种荷电机制,且更难以去除［1］.对于艾灸烟中中位粒径在0.204～0.766μm的颗粒物,兼具2种荷电机制,而中位粒径在0.039～0.121μm的颗粒物,主要以扩散荷电为主.从图3可以看出,中位粒径在0.204～0.766μm的颗粒物占亚微米颗粒物的相当比重,可见,这也是影响电除尘器对亚微米细颗粒去除的另一个因素.

6）从流场图来看,图中心和涡旋中心都有黑色空洞出现（速度值接近为零）,4）中已经给出了一种情况,其他3种情况主要有：（a）涡旋中心处的速度接近为零；（b）4个涡旋交汇处速度接近为零；（c）放电极特别是芒刺电极的反光现象,掩盖了周围示踪粒子的散射,造成该区域较大范围的流场失真,这也是本实验中将激光平面选在经过2个芒刺中间位置投射的原因.

4 结 论

采用2D-PIV技术对宽极板间距（200 mm）电除尘器模型内的流场进行测试研究,通过改变放电极极性、形状和数量等参数,得到了如下实验结论.

（1）电除尘器施加50 kV高压后,不同放电极极性、数量和形状下,流场内都会形成涡旋.正、负电晕放电下形成的流场相近；芒刺电极比线电极下的流场增速更高；双电极比单电极下流场内形成的涡旋更多.

（2）电除尘器内涡旋的存在,改变了原有一次流的流速和方向.在双芒刺、正电晕放电下,二次流速最高可达1.6 m／s,是一次流速的3倍以上.

（3）电除尘器内涡旋的存在,严重影响了亚微米细颗粒物的捕集.

（4）艾灸烟粒径主要分布在亚微米级范围内,作为示踪粒子更利于2D-PIV对电除尘器内流场的测试.

（References）：

［1］MIZUNO A.Electrostatic precipitation［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2000,7（5）：615-624.

［2］OHYAMA R,URASHIMA K,CHANG J S.Numerical modeling of wire-plate electrostatic precipitator for control of submicron and ultra fine particles［J］.Journal of Aerosol Science,2000,31（supplement）：162-S163.

［3］ZHU J B,ZHAO Q X,YAO Y P,et al.Effects of high-voltage power sources on fine particle collection efficiency with an industrial electrostatic precipitator［J］.Journal of Electrostatics,2012,70（5）：285-291.

［4］PODLINSKI J,NIEWULIS A,MIZERACZYK J.Electrohydrodynamic flow and particle collection efficiency of a spike-plate type electrostatic precipitator［J］.Journal of E-lectrostatics,2009,67（2／3）：99-104.

［5］曾宇翾,沈欣军,章旭明,等.电除尘器中离子风的实验研究［J］.浙江大学学报：工学版,2013,47（12）：2208 -2211.

ZENG Y X,SHEN X J,ZHANG X M,et al.Experimental study on ionic wind in an electrostatic precipitator［J］.Journal of Zhejiang University：Engineering Science,2013,47（12）：2208-2211.

［6］PODLINSKI J,DEKOWSKI J,MIZERACZYK J,et al.Electrohydrodynamic gas flow in a positive polarity wireplate electrostatic precipitator and the related dust particle collection efficiency［J］.Journal of Electrostatics, 2006,64（3／4）：259-262.

［7］PODLINSKI J,NIEWULIS A,MIZERACZYK J,et al.ESP performance for various dust densities［J］.Journal of Electrostatics,2008,66（5／6）：246-253.

［8］MIZERACZYK J,DEKOWSKI J,PODLINSKI J,et al.Laser flow visualization and velocity fields by particle image velocimetry in an electrostatic precipitator model［J］.Journal of Visualization,2003,6（2）：125-133.

［9］PODLINSKI J,DEKOWSKI J,KOCIK M,et al.Measurement of the flow velocity field in multi-field wire-plate electrostatic precipitator［J］.Czechoslovak Journal of Physics,2004,54（supplement）：922-930.

［10］PODLINSKI J,DEKOWSKI J,MIZERACZYK J,et al.EHD flow in a wide electrode spacing spike-plate electrostatic precipitator under positive polarity［J］.Journal of Electrostatics,2006,64（7／9）：498-505.

［11］PODLINSKI J,NIEWULIS A,MIZERACZYK J.Electrohydrodynamic flow and particle collection efficiency of a spike-plate type electrostatic precipitator［J］.Journal of E-lectrostatics,2009,67（2／3）：99-104.

［12］NIEWULIS A,BERENDT A,PODLINSKI J,et al.Electrohydrodynamic flow patterns and collection efficiency in narrow wire-cylinder type electrostatic precipitator［J］.Journal of Electrostatics,2013,71（4）：808-814.

［13］PODLINSKI J,KOCIK M,BARBUCHA R,et al.3D PIV measurements of the EHD flow patterns in a narrow electrostatic precipitator with wire-plate or wireflocking electrodes［J］.Czechoslovak Journal of Physics,2006,56（supplement）：1009-1016.

［14］NIEWULIS A,PODLINSKI J,KOCIK M,et al. EHD flow Measured by 3D PIV in a narrow electrostatic precipitator with longitudinal-to-flow wire electrode and smooth or flocking grounded plane electrode［J］.Journal of Electrostatics,2007,65（12）：728-734.

［15］PODLINSKI J,NIEWULIS A,MIZERACZYK J.Electrohydrodynamic turbulent flow in a wide wireplate electrostatic precipitator measured by 3D PIV method［C］//11th International Conference on Electrostatic Precipitation.Hangzhou：［s.n.］,2008：134-139.

［16］PODLINSKI J,NIEWULIS A,MIZERACZYK J.Electrohydrodynamic flow in a wire-plate non-thermal plasma reactor measured by 3D PIV method［J］.European Physical Journal D,2009,54（2）：153-158.

［17］PODLINSKI J,KOCIK M,MIZERACZYK J.Measurements of EHD flow patterns in ESP with DC plus Pulsed voltage hybrid power supply［C］／／Electrostatics 2007 Conference.St Catherines Coll,Oxford,England：Journal of Physics Conference Series,2009：1-4.

［18］ZOUZOU N,DRAMANE B,MOREAU E,et al.EHD flow and collection efficiency of a DBD ESP in wire-to-plane and plane-to-plane configurations［J］.IEEE Transaction on Industry Applications,2011,47（1）：336-343.

［19］RISTIMAKI J,VIRTANEN A,MARJAMAKI M,et al.On-line measurement of size distribution and effective density of submicron particles［J］.Journal of Aerosol Science,2002,33（11）：1541-1557.

［20］DUMITRN L M,ATTEN P,BLANCHARD D,et al.Drift Velocity of fine particles estimated from fractional efficiency measurements in a laboratory-scaled electrostatic precipitator［J］.IEEE Transactions on Industry Applications,2002,38（3）：852-857.

［21］ATTEN P,MCCLUSKEY F M J,LAHJOMR A C I.The electrohydrodynamic origin of turbulence in electrostatic precipitators［J］.IEEE Transactions on Industry Applications,1987,IA-23（4）：705-711.

［22］IEEE-DEIS-EHD Technical Committee.Recommended international standard for dimensionless parameters used in electrohydrodynamics［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2003,10（1）：3-6.

［23］OHYAMA R,AOYAGI K,KITAHARA Y,et al.Visualization of the local ionic wind profile in a DC corona discharge field by laser-induced phosphorescence emission［J］.Journal of Visualization,2007,10（1）：75-82.

［24］RICKARD M,RANKIN D D,WEINBERG F.Characterization of ionic wind velocity［J］.Journal of Electrostatics,2005,63（3）：711-716.

［25］SCHWABE R J,SNADDON R W L,NELSON J K, et al.An optical study of negative-corona tuft distribution for pulsed electrostatic precipitator［J］.Journal of Physics D：Applied Physics,1988,21（4）：546-551.

Visualization measurements of submicron particle movement inside an electrostatic precipitator

SHEN Xin-jun1,3,WANG Shi-long2,Han Ping2,ZHENG Qin-zhen1, ZENG Yu-xuan1,YAN Ke-ping1
（1.Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education,Zhejiang University, Hangzhou 310027,China；2.Shenhua Guoneng Energy Group Co.Ltd.,Beijing 100140,China；3.School of Science,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China）

In order to investigate the influence of gas flow field on fine particles precipitation of electrostatic pricipitator（ESP）,submicron particle movement inside an ESP was measured by using two-dimensional Particle Image Velocimetry（2D-PIV）technique.Moxa-moxibustion smoke was used as the tracer for the experiments.The wire-plate type ESP had gap distance of 200 mm.Experiments were performed with changing the high-voltage wires or corona discharge polarities.For a single high-voltage wire ESP and at the applied voltage of 50 kV,four generated vortexes around the wire are usually observed.For the ESP with double corona wires,more vortexes are produced due to their interaction.The four vortexes become much more symmetrical in between the two corona wires.Positive or negative corona discharges give similar vortexes in terms of their shapes.They are also similar each other when using wire or spike type electrodes.The particle velocity,however,can be significantly increased when using the double spike electrode due to its larger discharge power.The observed maximum velocity is about 1.6 m／s,which is almost three times of the primary gaseous velocity.

ESP；2D-PIV；gas flow distribution；corona wind；submicron particle

闫克平,男,教授,博导.E-mail：kyan＠zju.edu.cn

TQ 9

A

1008-973X（2015）05-0985-08

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.05.025

2014-04-17. 浙江大学学报（工学版）网址：www.journals.zju.edu.cn／eng

国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2013AA065000）；浙江省公益技术应用研究项目（2010C31013）.

沈欣军（1973－）,男,博士生,从事电除尘器内细颗粒物的控制.E-mail：11114027＠zju.edu.cn