线板式电除尘性能影响因素的研究*

丁厚成 庄丁丁 邓权龙 秦浩 包巧云 许媛媛 刘亚凯

（安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032）

0 引言

随着我国工业化进程的加快，各行业排放的颗粒污染物对大气环境产生了许多不可逆的危害。在国家政策的影响下，许多企业开展了对除尘设备的超低排放改造，以期实现针对细微颗粒物的控制［1-2］。其中针对电除尘器的优化改造是电除尘行业的热点问题，近年来科研人员展开了大量的实验研究和数值模拟，对线板式电除尘器除尘性能的影响因素进行探究。

线板式静电除尘器的除尘性能受到电极电压、粉尘的粒径、含尘气流的流速、电极半径、电极和极板的形状、电极数量、极板板长、极板间距等因素影响［3-4］。电极电压的增加会提高电除尘器内带电粒子的迁移速度，且会产生旋涡状的离子风［5］；在入口风速＜0.5 m/s时，电子风的作用较大，当入口风速＞1 m/s时，电子风的作用消失［6］；粉尘粒径的增大提高了颗粒的荷电量，增大了颗粒所受电场力，从而提高了粉尘捕获率［7］；极线间距和极板间距的改变也会影响电场性能，极线间距减小会降低总表面放电电流的值，提高除尘效率［8-10］，且极线间距与极板间距存在一个最优的比值，此工况下的除尘效率最高［11］。

尽管诸多学者已经对线板式静电除尘器进行了大量的理论分析与实验探索，但是对于线板式电除尘中各参数对电场特性和除尘效率的影响趋势及其数值仿真还没有得到更深入的研究。因此本文基于COMSOL软件搭建了线板式静电除尘的二维模型，将静电场、湍流场和流体粒子追踪模块进行多物理场耦合，对电极电压、颗粒粒径、入口风速、极板间距、极线间距进行数值模拟分析，明确各参数对除尘性能的影响趋势，为电除尘器的超低排放改造提供理论设计的依据。

1 数学模型

1.1 电晕模型

电晕模型建立的依据是带电粒子传输电流的守恒性，因此模型使用Poisson方程和电流连续性方程来对带电粒子输运问题进行求解。在有电流源项的情况下，电晕模型的控制方程为：

式中，J为电流密度，A/m2；S为电流源；zq为电荷数；为离子迁移率，m2/（V·s）；q为空间电荷数密度，C/m3；E为电场强度，V/m；u为流体速度，m/s；V为电势，V；0为真空介电常数。

1.2 湍流模型

选用流体流动湍流模块中的k-接口进行湍流模型的计算，湍流模型使用质量守恒的连续性方程和动量守恒的Navier-Stokes方程进行求解。

k-湍流模型由湍流动能方程和耗散率方程进行求解，方程为：

1.3 颗粒运动、荷电模型

根据牛顿第二运动定律，对颗粒位置矢量分量的二阶运动方程进行求解，以求得运动颗粒的位置，计算方程为：

式中，q为颗粒的位置，m；v为颗粒运动的速度，m/s；m为颗粒的质量，kg；Ft为施加在粒子上的合力，N。

使用Lawless模型对颗粒上累积的电荷进行计算，计算方程为：

式中，Z为单个颗粒上累积的电荷数；c为特性充电时间；Rf为场引起的无量纲充电速率；Rd为扩散传输引起的无量纲充电速率；fa为扩散充电速率和场充电速率相结合的函数；ve为粒子荷电量；vs为粒子的饱和荷电量。

2 模型条件与验证

2.1 几何模型

使用COMSOL软件的二维几何模块搭建物理场的几何模型，线板式电除尘模型极板长度为1 200 mm，板间距设置为100~600 mm，电极线半径为2 mm；电极数量选择为2~10根，由于确定了电极s入口、出口的距离为150 mm，则对应的电极间距为900~100 mm。网格设置采取用户控制网格，对电极线附近网格进行局部加密，提高了计算精度，获得了较高质量的网格模型，同时降低了计算成本，二维模型网格划分如图1所示。

图1 线板式电除尘二维模型网格划分

气流入口设置在模型的左侧，入口的边界条件选择为速度，指定入口的法向流入速度设置为0.6~2.0 m/s，空气温度设置为293.15 K，压力设置为101.3 kPa，电极电压设置为20~60 kV，颗粒粒径设置为1~5，出口的压力条件设置为静压；极板和出口的边界条件设置为冻结，当粒子碰撞到极板上或出口边界时，粒子位置和速度将保持静止状态；在出口处设置粒子计数器，以准确记录冻结在出口边界上粒子的数量，从而计算出模型的除尘效率。

2.2 模型验证

为验证模拟软件建立的仿真模型的准确性，对电势场进行数值模拟验证。电势场选择PENNEYG W等［12］的研究论文进行验证，实验模型尺寸：极板长度为0.61 m，板间距为0.23 m，电极间距为0.08 m（4根电极），电极直径为0.002 m。对收尘极板到第2根电极线的电势变化进行数值模型验证，验证结果如图2所示。

图2 收尘极板到第2根电极线的电势变化

3 模拟结果分析与讨论

3.1 电极电压对除尘效率的影响

当极板间距与极线间距之比在一定范围内［11］，线板式电除尘器才会有较好的除尘性能，因此选定极板间距为250 mm、电极间距为180 mm的二维模型进行确定电压、颗粒粒径、风速的数值模拟计算。不同电极电压工况下，线板式电除尘内部电势分布如图3所示。较大的电极电压会形成较大的电势梯度，以提供较好的颗粒荷电条件，实现较好的收尘效果。

图3 电势场（极板间距为250 mm、电极间距为180 mm）

电压的提高增加了电场力的作用，如图4所示。当颗粒粒径为2.5时，在低电压工况下，荷电颗粒运动偏转角度较小，除尘效率较低；在50 kV的电压工况下，颗粒的捕集效率可达到100%；当电压为60 kV时，电场力再次提升，颗粒运动轨迹偏转角度增大，荷电颗粒全部被收集在收尘极板上，如图4（e）所示。

图4 不同电极电压下2.5 m颗粒运动轨迹

3.2 颗粒粒径对除尘效率的影响

将电极电压与颗粒粒径联合考虑，进行控制变量实验，探究电极线电压与颗粒粒径对除尘效率的影响趋势。不同粒径的捕集效率如图5所示，由图可得，电压为45 kV工况时，4、5颗粒除尘效率为100%，2.5、3颗粒的除尘效率分别为84%、95.2%，而小粒径的颗粒除尘效率较低，1颗粒的除尘效率仅有56%。为使风速、间距等参量的作用效果更明显，则需选择合适的电极电压和粒径大小合适的颗粒进行数值模拟实验。在综合考虑参数的影响效果与经济性因素后，选定电极电压为45 kV、颗粒粒径为2.5，进行下一步实验。

图5 不同粒径的捕集效率（电压为20~60 kV）

3.3 入口风速对除尘效率的影响

在选定电极电压、颗粒粒径参数后，对入口风速的大小进行调控，研究分析入口风速对2.5颗粒除尘效率的影响。不同入口风速工况下2.5颗粒的运动轨迹如图6所示，入口风速的增大降低了除尘效率。入口风速在0.6~0.8 m/s时，除尘效率为100%；当风速为2.0 m/s，除尘效率仅有52.8%。在低风速工况下，颗粒在电场中受到电场力的影响时间加长，颗粒的运行轨迹偏转角度增大，使得除尘性能提高，但由于入口风速较低，处理风量相应也会较小，不符合实际生产的运行工况；当入口风速较大时，颗粒受到流场影响大于电场，由于收尘极板长度有限，颗粒没有充分偏转向收尘极板便从出口离开，降低了除尘效率。为保证极板、极线间距对除尘性能的影响效果明显，选择入口风速在1.0 m/s的工况作为下一步实验初始条件。

图6 不同入口风速工况下2.5 m颗粒运动轨迹

3.4 间距对除尘效率的影响

电极线间距固定不变，通过改变极板间距分析其对除尘效率的影响，变极板间距模型示意如图7（a）所示。选取极板间距200~600 mm工况进行研究分析，设置AB线探究电场性能参数的变化趋势，其中AB线为从入口到出口过电极的直线。

图7 电除尘尺寸示意

极板间距的改变会对电场内的电势值产生影响。在改变极板间距时AB线上的电势值如图8所示，极板间距增大，极线上的电势大小不会改变，入口与出口处的电势值增大，电极之间的电势值提高，电势梯度变化的大小明显降低，数据振荡幅度逐渐减小。

图8 变极板间距工况AB线上电势值

增大极板间距值降低了除尘效率，如图9所示。当极板间距较小时，由于正负极之间距离较近，电场力较大，对颗粒的影响较大，除尘效率较高；当极板间距过大时，流场对颗粒的作用大于电场，则除尘效率较低。当极板间距为200 mm时，除尘效率为100%；当极板间距为250 mm时，颗粒捕集效率为84%。考虑到极线间距对除尘效率的影响效果，选择极板间距为250 mm作为下一步实验的研究工况。

图9 极板间距对2.5 m颗粒除尘效率的影响

确定极板间距之后，通过改变极线间距分析其对除尘效率的影响，变极线间距模型示意如图7（b）所示。电势值会随着电极间距的改变而改变，如图10所示，电极间距增大，电极之间电势值不断减小，电势梯度变化的值增大，数据振荡幅度增大，但入口和出口的电势大小不变，且电极线上的电势值保持恒定。

图10 变极线间距工况AB线上电势值

图11 极线间距对2.5 m颗粒除尘效率的影响

4 结论

1）增大电极电压会产生较大的电势梯度，提高了颗粒捕集效率；增大颗粒粒径会增大荷电颗粒运动轨迹的偏转角度，提高颗粒的捕集效率，对2.5颗粒在电压为45 kV工况时，颗粒捕集效率为84%。

2）在较低风速工况下，荷电颗粒可以充分受到电场力影响，除尘效率较高；而在较高风速工况时，风流对荷电颗粒的作用力大于电场，除尘效率较低。

3）极板间距的增大，增大了电极之间的电势值，提高了入口、出口的电势值；极线间距的增大，降低了电极之间的电势值，不改变入口、出口的电势值；极板、极线间距的增大，降低了除尘效率。