陳兆華，張 琳*，許偉剛，柳 林，陳 俊，吳 然，謝 钘

（1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州大學(xué) 江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇 常州 213164；3.江蘇中興化工設(shè)備有限公司，江蘇 揚州 225225）

在石化、橡膠行業(yè)的生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的高溫廢氣[1]，尤其橡膠的燃燒會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，其中含有大量的?xì)微顆粒物，當(dāng)其排放到大氣中時會對人體產(chǎn)生重大的危害[2]，對這些細(xì)微顆粒物的凈化處理是當(dāng)今工業(yè)社會發(fā)展中急需解決的一項重大問題。板式電濾裝備作為一種能夠高效處理橡膠煙氣的凈化設(shè)備被廣泛地應(yīng)用在石化、橡膠等行業(yè)[3-6]。

國內(nèi)外學(xué)者對于常溫常壓下的板式電濾裝備內(nèi)部除塵機(jī)理、電流場計算等有了相對深入的研究。G.Xiao等[7]在350～700 ℃高溫下對線管式靜電除塵器進(jìn)行了相關(guān)的試驗研究，發(fā)現(xiàn)溫度的升高增大了凈化裝備的能耗。G.Xiao等[8]研究了顆粒床技術(shù)對高溫?zé)煔獾母咝艋匦裕鋾a(chǎn)生較大的床層阻力。A.Villot等[9]研究了靜電除塵器在510～680 ℃下對合成氣的凈化效果。朱唯卓等[10]搭建了板式電濾裝備試驗系統(tǒng)，對高溫下的顆粒脫除性能進(jìn)行了相關(guān)試驗研究。N.Noda等[11]研究了溫度對煤灰顆粒物電阻率等物理屬性的影響，發(fā)現(xiàn)溫度的變化改變了飛灰顆粒物的電阻率，從而影響凈化效率。N.Neimarlija等[12]利用有限體積法離散電濾裝備內(nèi)部的空間電場，可以相對精確地計算出常溫下電濾裝備內(nèi)部的電場分布。張琳等[13]對管式電濾裝備內(nèi)部的復(fù)雜流場進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果很好地反映了常溫下管式電濾裝備內(nèi)介質(zhì)宏觀上的運動規(guī)律，但有關(guān)溫度對電濾裝備內(nèi)部流場特性的影響研究還相對缺乏。何林菊等[14]對低溫省煤器內(nèi)溫度、密度及流速的變化規(guī)律及分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，準(zhǔn)確地指導(dǎo)了電除塵器內(nèi)部進(jìn)出口煙道內(nèi)導(dǎo)流、阻流板布置方案設(shè)計。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者的試驗研究發(fā)現(xiàn)溫度對流場有影響，但是影響機(jī)制不甚清晰；前人對高溫下電濾裝備的數(shù)值研究還相對缺乏。本工作利用數(shù)值模擬深入研究裝備內(nèi)部介質(zhì)的溫度、放電電壓、顆粒物大小等對凈化效率的影響，計算在多場相互耦合作用下板式電濾裝備對高溫橡膠煙氣的凈化效率，以期更好地指導(dǎo)工業(yè)實踐。

1 數(shù)學(xué)模型

高溫?zé)煔馔ㄟ^電濾裝備時，其內(nèi)部存在流場（氣相）、電場、顆粒動力場（固相）、溫度場相互耦合的復(fù)雜的場量，電濾裝備中多場之間的相互作用關(guān)系如圖1所示。電場通過電場力Fe影響顆粒運動場，通過EHD流作用于氣流場；氣流場通過拖曳力Fd作用顆粒運動場，顆粒運動場通過空間電荷q的分布影響電場；溫度的變化改變氣流密度ρg、空氣粘度v和熱導(dǎo)率c影響氣流場，通過改變空間電荷密度ρ、離子遷移率K和起暈場強(qiáng)Ej來影響電場，通過改變空氣曳力和電場力來影響顆粒運動場。

圖1 電濾裝備中多場耦合關(guān)系

1.1 氣體流場

含塵氣流通過電濾裝備時，顆粒懸浮在氣流中并隨之運動?？紤]到氣體是連續(xù)相，氣體流場可以采用湍流流動的Navier-Stokes方程進(jìn)行描述。

在電濾裝備二維模型中，氣體連續(xù)性方程可寫為

氣體運動方程可寫為

式中，ug和vg分別為氣體x和y方向的速度，m·s-1；ux和vy分 別 為 顆粒x和y方 向的 速 度，m·s-1；P為氣體壓強(qiáng)，Pa；μ為氣體動力粘性系數(shù)，kg·（m·s）-1；μt為 湍 流 動 力 粘 性 系 數(shù)，kg·（m·s）-1；Cc為Cunningham修正因數(shù)；ρ為空間電荷密度，C·m-3；E為電場強(qiáng)度，kV·m-1；dp為顆粒物直徑和ρE為源項。湍動能k方程和湍流耗散率ε方程選用RNGk-ε模型。

1.2 電場

1.2.1 電場方程

電濾裝備中由泊松方程和電流連續(xù)方程來描述電暈放電電場的分布特性：

式中，U為空間電勢，kV；ε0為真空介電常數(shù)。

1.2.2 顆粒荷電方程

放電極放電使周圍氣體電離成離子和電子，與煙氣中的顆粒物碰撞使其附上電荷（電場荷電），或者通過自由擴(kuò)散而附著在顆粒物上，使其帶電（擴(kuò)散荷電）。本工作研究的顆粒物粒徑大于1 μm，電場荷電起主導(dǎo)作用，其荷電情形為

式中，εs為相對介電常數(shù)，τ為電場荷電時間。

1.3 顆粒動力場

顆粒運動方程可以很好地研究顆粒物的運動軌跡。顆粒主要受空氣曳力、電場力和重力作用，顆粒作用力平衡方程如下：

式中，mp為顆粒物質(zhì)量，kg；Ex為x軸方向電場強(qiáng)度；q為顆粒物所帶電荷，C；ρp為顆粒物的密度，kg·m-3；ρg為氣體密度，kg·m-3。

2 數(shù)值計算

2.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

如圖2（a）所示，采用板式電濾裝備的一個基本工作單元作為研究對象，煙氣從左端進(jìn)入，從右端流出，上下為收塵極板，極板長（L）為1 000 mm，兩極板距離（h）為300 mm，其中布置5根電極線，電極線間距離（S）為200 mm，電極線直徑（D）為6 mm?？紤]到模型的對稱性，選取電極線上部分為計算區(qū)域，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，將其劃分為71 750個控制體積。相應(yīng)的模型與網(wǎng)格劃分如圖2（b）所示，其電極線周圍由于受電場影響較大，應(yīng)進(jìn)行加密。

圖2 物理模型及網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

模型的邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件

2.3 計算方法

為了準(zhǔn)確描述電濾裝備內(nèi)部氣流流動特性和顆粒運動軌跡，利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，采用DPM模型模擬電濾裝備內(nèi)部固體相的運動情況。運行時，空氣和固體顆粒分別作為連續(xù)相和離散相，采用RNGk-ε湍流模型來計算電濾裝備內(nèi)部復(fù)雜的湍流流動，采用SIMPLE算法對控制容積進(jìn)行數(shù)值求解，采用Lagrange顆粒軌跡法對顆粒運動進(jìn)行追蹤。利用用戶自定義UDF編寫程序，鏈接到FLUENT當(dāng)中，通過數(shù)學(xué)方法簡化電場，將其加載到整個模擬過程中。整個計算采用基于壓力的算法進(jìn)行求解，連續(xù)相和離散相的計算結(jié)果耦合迭代計算直到收斂。

3 試驗驗證

取本研究前3根電極線模擬數(shù)值，進(jìn)行歸一化處理。圖3示出了正規(guī)化坐標(biāo)系下不同X′值時，距離電極板5 mm處顆粒橫向運動速度大小，模擬數(shù)值與N.Parasram[15]試驗值在兩端具有較好的吻合性，而在電極線附近有相對的偏差，可能是由于顆粒湍流速度脈動的影響，隨機(jī)軌道的模型導(dǎo)致了這些脈動，由此產(chǎn)生了一定的偏差。但其整體趨勢及平均數(shù)值量大小與試驗數(shù)值仍然比較吻合。

圖3 顆粒橫向運動速度與N.Parasram[15]試驗數(shù)值對比

將本研究模擬凈化效率與K.D.Kihmt等[16]試驗數(shù)值進(jìn)行比較，如圖4所示。由于本研究收塵板較長，顆粒在裝備中的運動時間較長，荷電時間也相對偏長，其除塵效率也相對偏高，但本研究模擬凈化效率趨勢與試驗值趨勢相對吻合，證明本研究模擬方法具有較高的可信度。

圖4 凈化效率模擬數(shù)值與K.D.Kihmet試驗數(shù)值對比

4 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

4.1 電場的數(shù)值解

圖5（a）和（b）分別為電濾裝備放電電壓在45 kV時通過耦合迭代泊松方程和電流連續(xù)性方程求解出的電濾裝備內(nèi)部電極線附近的電場強(qiáng)度和空間電荷密度分布，x和y坐標(biāo)分別表示圖2（c）中距電極線的橫向和縱向距離。由圖5可知，電極線附近電場強(qiáng)度和空間電荷密度均為最大值，隨著距離電極線距離的延長，電場強(qiáng)度迅速降低，電極線附近的電場強(qiáng)度梯度很大，空間電荷密度降低的趨勢較為平緩，在極板位置趨近于零。

圖5 電場強(qiáng)度和空間電荷密度分布

4.2 溫度對電場的影響

圖6為不同溫度下電極線附近的空間電荷密度分布。由圖6可知，在電極線周圍，隨著溫度的升高，離子電荷密度越來越小，這是由于溫度的升高減小了電濾裝備內(nèi)部空氣的相對密度，且伴隨著離子遷移率增大導(dǎo)致電荷密度的減小。此外，隨著到電極線距離的延長，溫度對離子電荷密度的影響逐漸變小。

圖6 溫度對空間電荷密度的影響

圖7示出了不同溫度下電極線附近的電流密度（J）分布。由圖7可知，在相同的放電電壓下電流隨著溫度的升高而增大，這是由于溫度的升高使裝備內(nèi)部空氣分子的自由程增大，離子之間相互撞擊的動能增大，使得分子更易被撞擊電離出離子和電子，從而隨著溫度的升高，裝備內(nèi)部的電流密度也隨之變大。

圖7 溫度對電流密度的影響

4.3 溫度對除塵效率的影響

圖8示出了不同溫度下顆粒的運動軌跡。由圖8可知，當(dāng)?shù)退俸瑝m氣流通過電濾裝備時，隨著溫度的升高，氣流中顆粒物所受電場力減小，空氣曳力增大，顆粒運動軌跡發(fā)生變化，顆粒向收塵極板運動的時間延長，收塵效率降低。

圖8 溫度對顆粒運動軌跡的影響

圖9示出了不同溫度下電濾裝備的凈化效率。由圖9可知，隨著顆粒粒徑的增大，除塵效率越來越高，對大顆粒而言，溫度對除塵效率的影響較弱。當(dāng)顆粒粒徑大于5 μm時，電濾裝備對顆粒的除塵效果非常好，且不易受到溫度的影響，在高溫下除塵效率基本可達(dá)100%；當(dāng)顆粒粒徑變小至1 μm以下時，隨著溫度的升高，電濾裝備對細(xì)顆粒物的除塵效果越來越低，當(dāng)溫度到達(dá)723 K時，對粒徑為0.1 μm的細(xì)顆粒物的除塵效率降低到62.3%左右。

圖9 溫度對凈化效率的影響

4.4 入口氣流流速對除塵效率的影響

圖10示出了不同入口氣流流速下顆粒的運動軌跡，入口氣流流速為ug。由圖10可知，隨著氣流流速的增大，顆粒向收塵極板偏移量明顯減小。這是因為流速的增大縮短了細(xì)顆粒物所受電場作用的時間，從而降低了凈化效率。

圖10 入口空氣流速對顆粒運動軌跡的影響

圖11示出了不同入口氣流流速下電濾裝備的凈化效率。由圖11可知，相同入口氣流流速下，放電極電壓越小，電濾裝備凈化效率越低。在入口氣流流速均為1 m·s-1時，放電極電壓由50 kV增大到60 kV時，可以將凈化效率由58%提高到100%。在放電極電壓為50 kV時，凈化效率隨著入口氣流流速的增大而減小，凈化效率由100%減小到28%，整體凈化效率小于放電極電壓較大（60和70 kV）時的情況。當(dāng)放電極電壓升至60 kV時，凈化效率隨入口氣流流速的增大而減小，效率由100%減小到33%，且當(dāng)入口氣流流速不大于1 m·s-1時，凈化效率最高，可以達(dá)到100%。

圖11 入口空氣流速對凈化效率的影響

5 結(jié)論

（1）溫度場通過影響電場特性參數(shù)來影響電場分布，靠近電極處電場特性參數(shù)受溫度影響較為明顯，隨著到電極距離的延長，其影響越來越小。溫度的升高減小了顆粒所受庫侖力，增大了顆粒所受牽引力，尤其是對1 μm以下的細(xì)微顆粒物，溫度對其所受各項力的影響更加明顯。溫度的升高還增大了湍流強(qiáng)度，從而增強(qiáng)了顆粒物與流體之間的相互作用，導(dǎo)致了顆粒物運動的波紋趨勢的增大，從而降低了除塵效率。

（2）電濾裝備除塵效率隨著內(nèi)部氣流流速的增大而減小，隨著工作電壓的增大而增大，電濾裝備在工程實際使用時，可以控制進(jìn)入除塵器的煙氣流量，在允許的范圍內(nèi)提高放電極電壓，以提高對細(xì)微顆粒物的脫除效果。