范瑞華，常玉鋒，2，石 零,2

(1.江漢大學湖北省工業(yè)煙塵污染控制重點實驗室，湖北 武漢 430056；2.江漢大學 化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430056)

1 引言

靜電除塵器是工業(yè)煙塵凈化領域廣泛應用的高效除塵器，能有效地控制微細顆粒物排放，以滿足“超低排放”技術標準[1]。靜電除塵器的主要優(yōu)點體現(xiàn)在凈化效率高和運行阻力低等方面，而靜電除塵器內的氣流分布對凈化效率和運行阻力均有較大的影響[2，3]，因此有必要研究靜電除塵器內的氣流分布特性。常規(guī)靜電除塵器的收塵極板平行于氣流方向，研究側重于電場內氣流均布和降低電暈粒子風對二次揚塵的影響以提高除塵效率，以及氣流優(yōu)化以降低系統(tǒng)阻力。而橫向雙極靜電除塵器的收塵極板垂直于氣流方向布置，其主要除塵機理是空氣動力和電場力的復合收塵作用。本文對橫向雙極電除塵器內的氣流分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，分析空氣動力對電場力的增效作用，以促進橫向雙極電除塵技術的工業(yè)應用。

2 靜電除塵器內帶電粒子的運動

2.1 常規(guī)靜電除塵器內帶電粒子的運動軌跡

常規(guī)靜電除塵器內氣流運動方向平行與收塵極板，帶電粒子在常規(guī)靜電除塵器內的運動軌跡如圖1所示。

圖1 常規(guī)靜電除塵器內帶電粒子的運動軌跡

由圖1可知，常規(guī)靜電除塵器內，帶電粒子在電場力作用下的驅進速度(ω)方向垂直于收塵極板，而氣流速度(v)方向為平行于收塵極板，因此驅進速度和氣流速度方向垂直，二者共同決定了帶電粒子在電場中的運動軌跡，但氣流速度不會改變電場驅進速度的大小。因此帶電粒子的驅進速度(ωe)就等于電場力作用下的驅進速度(ω)。

ωe=ω

(1)

2.2 橫向雙極電除塵器內帶電粒子的運動軌跡

橫向極板靜電除塵器的將收塵極板垂直于氣流運動方向布置，含塵氣流垂直沖擊收塵極板，遇到收塵極板的阻擋，形成繞收塵極板的直角流，氣流運動速度(u，v)和電場力作用下的驅進速度(ω)共同決定了帶電粒子的運動軌跡，橫向極板靜電除塵器內收塵極板迎風面帶電粒子的運動軌跡如圖2所示。

圖2 極板迎風面帶電粒子的運動軌跡

在收塵極板迎風面，帶電粒子向收塵極板的驅進速度(ωe)可以表示為垂直于收塵極板的氣流分速度(v)和電場力作用下的電場驅進速度(ω)之和：

ωe=v+ω

(2)

而在收塵極板背風面，由于存在回流區(qū)，垂直于收塵極板的氣流分速度(v)和電場力作用下的電場驅進速度(ω)也均朝向收塵極板，故帶電粒子向收塵極板背風面的驅進速度同樣為公式(2)。因此，橫向雙極靜電除塵器內帶電粒子向收塵極板的驅進速度大于單獨電場力作用下的電場驅進速度，其增加值為氣流速度向垂直于收塵極板的分量，氣流速度越大，驅進速度增加越明顯。同時也進一步證明了橫向雙極靜電除塵技術能適應于高電場風速。

由多依奇(Deutsch)效率[4]公式可知，相對于常規(guī)靜電除塵器，橫向雙極靜電除塵器內驅進速度增加明顯，相同工況條件下除塵效率也會大幅度提升。

3 橫向雙極電除塵器計算模型

3.1 幾何模型

采用COMSOL Multiphysics計算軟件進行模擬計算。由于橫置極板對氣流的強烈擾流作用，橫向雙極電除塵器中氣流運動狀態(tài)為湍流，因此計算選用計算流體力學(CFD)的湍流模塊[5,6]，其中流體模型選用Navier-Stokes不可壓縮流體(穩(wěn)態(tài)方程)，湍流類型選用RANS模型。考慮到橫向雙極電極結構的對稱性，在垂直氣流方向上僅選取一個陽極收塵板和一個陰極收塵板，同時為減少運算量及提高運算收斂性，計算中忽略電暈線的影響，只進行二維模擬。采用COMSOL Multiphysics自帶建模工具進行建模和網(wǎng)格劃分，如圖3所示，其中網(wǎng)格劃分采用自由三角形網(wǎng)格。

(a)幾何模型 (b)網(wǎng)格劃分

模型幾何尺寸采用實驗室規(guī)模的實驗裝置，其中收塵極板長度L=100 mm，陽極板和陰極板之間的異極距b=50 mm，極板排數(shù)n=10。

3.2 邊界條件

模型左側入口采用速度入口邊界，進口風速1.0 m/s。模型右側出口采用壓力出口邊界，壓力值為環(huán)境壓力P=P0。

由于氣流分布的對稱性，模型上下壁面設置為滑移壁面。模型內收塵極板設置為無滑移壁面。

4 計算結果與討論

4.1 除塵器內速度分布

在1.0 m/s的進口風速下，橫向雙極靜電除塵器內的速度分布如圖4所示。

圖4 橫向雙極靜電除塵器速度分布

由圖4可知，橫置極板對氣流有強烈的擾流作用，橫向雙極靜電除塵器內為典型的紊流，極板兩側的流速較高，而極板前后區(qū)域的流速相對較低，且在收塵極板的背風面存在較大范圍的回流區(qū)，有利于粉塵的充分荷電和沉淀。

氣流通道，異極距中心截面和收塵極板前后等特征斷面的速度分布曲線如圖5所示。

氣流通道的速度呈M雙峰對稱分布，兩側受收塵極板壁面影響速度為0，遠離收塵極板后速度急劇增加到最大值，隨后緩慢降低，在極板中心處降至平均風速1.0 m/ s。中心截面的速度變化趨勢相對于氣流通道較緩，也呈雙峰對稱分布，但該區(qū)域平均速度均大于2.0 m/s。極板前的速度呈V對稱分布，兩側速度最大，與氣流通道的速度較為接近，只在極板中心少部分區(qū)域的速度值小于1.0 m/ s，因此收塵極板迎風面不利于粉塵的沉積。極板后的速度呈V對稱分布，兩側速度大中間速度小，且極板中心大部分區(qū)域的速度值小于1.0 m/m，因此收塵極板背風面有利于粉塵的沉積。

圖5 不同截面速度分布曲線

4.2 收塵極板附近速度分布

收塵極板附近的氣流擾動容易引起沉積在收塵極板上粉塵的脫落，進而產(chǎn)生二次揚塵現(xiàn)象[7,8]；同時，為驗證氣流分速度對場驅進速度的增效作用，選取收塵極板前后1 mm，3 mm，5 mm和10 mm等特征斷面分析其速度變化對二次揚塵和驅進速度的影響。

收塵極板前后不同截面氣流速度及速度分量的變化曲線如圖6所示。

圖6 收塵極板附近速度分布曲線

在收塵極板前極板兩側區(qū)域離收塵極板越近，其速度越大，主要受擾流氣流的影響較大，擾流氣流在沖擊極板后形成典型的繞直角壁面流動；極板中心區(qū)域離收塵極板越近，其速度越小，也說明極板中心區(qū)域受擾流氣流的影響較小。垂直于極板的速度分量在極板兩側受擾流影響變化較大，中部的速度波動不大，隨著離極板的距離減小而減小。由于垂直于極板的速度分量(0.1～1.2 m/s)相對于一般工業(yè)粉塵的有效趨近速度(約0.1 m/s)增加明顯。

收塵極板后的速度分布規(guī)律同極板前，極板兩側區(qū)域受擾流氣流的影響較大，離收塵極板越近速度越大；極板中心區(qū)域離收塵極板越近速度越小，但其速度絕對值遠小于極板前，且大部分區(qū)域均位于低流速區(qū)。極板中部的速度分量為負值，說明與氣流運動方向相反，即該區(qū)域為回流區(qū)[9]。垂直于極板的速度分量隨著離極板的距離減小而減小，速度分量的(0.1～0.4 m/s)相對于一般工業(yè)粉塵的有效趨近速度(約0.1 m/s)也有所增加。

5 結論

(1)理論分析表明，橫向雙極靜電除塵器內氣流速度能有效地增加帶電粒子向收塵極板的驅進速度，其除塵機理主要體現(xiàn)在空氣動力分離和電場力的復合收塵作用。

(2)收塵極板前垂直于極板的速度分量較大，有利于粉塵向收塵極板的遷移和沉淀，但由于氣流速度較大容易引起二次揚塵，因此在極板選型與設計中應增加防風溝。

(3)收塵極板后的速度分量朝向收塵極板，有利于粉塵向收塵極板的遷移和沉淀，同時由于回流作用氣流速度較低，有利于粉塵的充分荷電和沉淀。