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电除尘器电场特性实验研究与数值分析 ＊ 党小庆 李 伟 杨雪莲 马广大 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西 710055 摘要 数值分析是研究电除尘器电场特性的重要手段, 有助于电除尘器电极配置的设计选型以及提高其供电控制水 平。 本文在实验的基础上, 建立和求解电晕电场的数学模型, 采用有限元-有限差分法对 RS 线的电晕电场进行计算, 计算结果与实验测试结果基本吻合。 关键词 电除尘器 RS 线 数值分析 有限元法 ＊陕西省教育厅产业化项目 0 概述 目前, 燃煤电厂烟尘净化设备 90左右采用电 除尘器,烟尘排放标准的日趋严格需要不断提高其除 尘效率 。理论和实践经验表明 , 优化极配形式 、 供电 控制技术能在不增加电除尘器规格和大小的前提下 提高电除尘器效率 [ 1-6] 。电除尘器的效率随着有效电 晕功率的增大而增大 ,提高火花电压和电晕电流大小 能有效提高电除尘器的电晕功率。电除尘器运行电 压的高低 、 火花控制水平和能耗与极板表面电流密度 分布状况密切相关 ,资料显示, 电晕电流密度分布不 均,通常发生反电晕时极板平均电流密度仅相当于根 据粉尘层击穿场强和粉尘比电阻计算值的1 10 [ 7 -8] 。 因此 ,电晕电流密度的大小和均匀程度是反映电除尘 器电极配置电场性能的一个重要指标。 本研究选择燃煤电厂电除尘器常用的放电极和 C480 收尘极板配置 , 通过实验测试极板表面电流密 度大小和分布, 对不同电极配置形式的电场特性进行 了讨论。并根据实验结果, 用MATLAB 语言编程, 用 有限元法-有限差分法求解 RS 线电晕电场数学模型, 得到求解区域电场的电位、电场强度、空间电荷密度 和电流密度分布 。 1 实验装置和测试结果 实验采用 Tassicker 边界探针法测量极板表面的 电流密度及其分布 [ 9] 。实验选择的 RS 线长 1 m。收 尘极板采用 6 块高 0. 8 m 的 C480 极板。测试探针 25 枚,水平间距 10 mm 。通过螺杆调节极板上下移 动, 移 动范围 150 mm 。 电流 测试系 统主 要由 Tassicker探针、采样开关箱 、偏压电源 、电流表等组 成。实验装置和实验用电晕线分别见图 1 和图 2。 实验收尘极之间距离分别为350、 400、 450mm ,放 图 1 实验装置示意图 图2 实验用 RS 电晕线 电极之间距离按 C480 板规范的配置方式确定 。电流 密度测试电压取火花电压的 85。不同电极间距条 件下极板表面电流密度大小和分布状况的部分测量 结果如表 1 和图 3 所示 ,图中 x 轴、y 轴分别表示极 板宽度和高度, x 0 对应极板中心线 ,色谱表示极板 表面电流密度大小 [ 10 -11] 。根据表 1, 同极距 400mm 时 板面电流分布均匀性比较理想 。 表 1 实验测量数据 实验条件 2Va Sd3. 15 kVcm- 1 同极距350 mm同极距400 mm同极距450 mm j mA m- 2σ j mA m- 2σ j mA m- 2σ R S 线0. 7230. 6890. 7080. 5980. 6100. 711 2 电晕电场的计算模型 2. 1 电晕电场的数学模型 实际运行的电除尘器中 , 电晕极一般施加负高 压,在不产生反电晕的情况下, 电除尘器内部实际上 只存在负的空间电荷 ,为单极性的电晕电场。电晕电 47 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 图 3 RS 线在不同极距下板面电流密度分布 场满足Poisson方程和电流连续性方程 E - 2 V ρ ε 0 1 j 0 2 j -ρ k V ρ kE 3 式中 V 电位 V ; ρ 电荷密度 C m 3 ; j 电流密度 A m 2 ; k 离子的迁移率 m 2 s V ; ε 0 真空介电常数, 8. 85 10 -12m-1 ; E 场强矢量 V m 。 式 1 为泊松方程, 表明电场的分布与空间电荷 的关系,式 2 ～ 3 是空间电荷运动应满足的方程。 上述方程组求解的边界条件为 φ |S1V φ |S20 φ |S3ρ 0 式中 S1 带电导体的表面; S2 接地导体的表面; S3 电晕区的表面 。 边值问题根据 Kapstov 假设 ,即电晕导体表面的 场强为电晕起始场强值 。对电晕电场的数值分析不 考虑包含强烈电离过程的电晕区内的物理过程,将电 晕区以外的整个场域看成是恒定的离子流传导区 域 [ 12-16] 。 2. 2 电晕电场的求解模型 在外加电场作用下, 气体电离产生的离子在电场 力的作用下向阳极板移动形成电晕电流 。电子和离 子形成的空间电荷在空间的分布受电场的作用, 同 时,又影响电场的分布,因为二者的相互作用 ,不可能 独立计算这两个参数 ,必须求解统一的电晕电场。将 求解静电场电位与求解电流的方法相结合,每一步同 时计算这两个相互依赖的参数 ,循环迭代直至收敛 。 用有限元法求解泊松方程 1 式 ,用有限差分法 求解电流连续性方程 2 式 ,最后求得所关注区域的 物理量的分布。在直角坐标系中,将方程组离散为 2 φ x 2 2 φ y 2- ρ ε 0 φ x ρ x φ y ρ y ρ 2 ε 0 4 将式 4 中的泊松方程 2 φ x 2 2 φ y 2- ρ ε0 5 转变为有限元方程 [ K][ φ ] [ P] 6 其中 Kije e N e i x N e j x N e i y N e j y dxdy 7 Pje e 1 ε0 Njeρ jdxdy 8 用有限差分法解 4 式中的电流连续性方程 φ x ρ x φ y ρ y ρ 2 ε 0 9 将这一拟线形双曲型方程转化为代数方程 ρ01 2 ε0 E0 x hx E 0y hy 2 4ε0 E0 x hx ρ1E 0y hy ρ2 -ε 0 E0 x hx E 0y hy 10 3 电晕电场的数值解 3. 1 计算区域、网格及边界条件 应用四边形四节点单元 矩形 对整个计算场域 进行剖分, 网格及节点编号,见图 4、 图 5。边界条件, 放电极 A 点和边界 CD 为第一类边界条件φ C f s ,即 φ AφA、φ CD0。电位 φA为操作电压; BC 、AB 、AD 边 为第 二类边 界条 件 φ n C 0, 即 φ n BC,AB , A D 0。在初始条件中, 放电极电晕区边界 48 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 处空间电荷密度通过试算 、 调整来确定 。 图 4 计算区域和网格划分示意图 图 5 局部网格及网格编号示意图 3. 2 RS 电晕线计算讨论 由实验结果 ,400 mm 极距时 RS 线电流密度分布 沿极线高度方向上变化不大, 可以近似认为电流分布 均匀, 将 RS 线的三维问题简化为二维问题来求解。 边界条件 AB 240 mm, 为 1 2 线线距; BC 200 mm, 为1 2同极距 。施加电压 V 64 kV,空间电荷密度初 值 ρ0采用试算 ,计算总电流与实测总电流的误差 10。计算结果见图 6～ 9。 图6 RS 线板面电流密度的分布 图7 RS 线的电场强度矢量分布 图6 中电流密度的实验值为芒刺正对处极板表 面宽度方向上电流密度的分布 。总电流相等时,计算 图8 RS 线的电场强度表面分布 图9 RS 线的电荷密度表面分布 值与实验值有相同的电流密度分布趋势 。实验值测 点20～ 24 之间的折线是由 C480 型极板折边引起的, 计算值的边界条件为平板 。 图7 和图 8 是计算区域电场强度分布图, x 轴为 极板宽度方向 , y 轴为电晕线到极板连线方向, z 轴 为电场强度值。可以清楚地看出在靠近极板附近电 场强度有增大趋势。 图9 是计算区域的电荷密度表面分布图 。RS 线 的放电点集中在芒刺的尖端, 支撑管与芒刺有相同的 电位 ,空间电荷很难在电场的作用下到达支撑管正对 的空间区域 。所以, 在芒刺正对的极板表面出现零电 流密度区, 这与实验结果一致 。 3. 3 多根电晕线的计算结果 计算多根电晕线的电晕电场,可以了解电晕线之 间的相互影响, 更接近于电除尘器真实情况。本实验 对4 根圆形电晕线对应平行极板的电晕电场进行了 初步的分析, 求解结果如图 10 ～ 12。计算条件为同 极距 400 mm,线线距 240 mm ,施加电压 V 35 kV。 图 10 电位分布 49 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 图 11 电场强度分布 图 12 空间电荷密度分布 4 结论 1 实验表明 ,RS 线与 C480 收尘极板配置在同 极距 400 mm 时板表面电流密度分布 j 和 σ较理想, 实验结果对电除尘器极配的优化设计有一定的参考 价值 。 2 数值分析是研究电除尘器电场特性的重要方 法之一。文章在实验结果的基础上 ,通过建立和求解 电晕电场的数学模型, 简化计算了同极距 400 mm 条 件下的 RS 线和 4 根圆线的二维电场空间的电位、场 强、 电荷密度和电流密度分布, 计算结果与实验结果 基本吻合 。 参考文献 [ 1] 党小庆等. 三电极电除尘器电极配置优化实验研究. 西安建筑 科技大学学报, 1996, 6 152 -156. 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Through the practical debugging experiment, the operating liquid gas ratio is confirmed as 3. 0, the urea concentration is 5. 0, the concentration of additives is different according to their kinds. All checking indicators for the disposed gas are prior to the local environmental criteria. Keywords oil-fired boiler, urea, additive, FGD and denitrification EXPLORATION OF DENTRIFYING ADSORBENT MADE FROM FLY ASH Tang Bing Li Jian Wang Yanlei et al 45 Abstract Itwas discussed the efficiency to remove NOxby an adsorbent made from fly -ash, silicates and alkali etc. It was also discussed the effect of chlorides on the activity of this adsorbent. Keywords NOx, adsorption and fly -ash STUDY ON ELECTRICAL FIELD CHARACTERISTICS OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR BY MEANS OF NUMERICAL ANALYSES AND EXPERIMENT Dang Xiaoqing Li Wei Yang Xuelian et al 47 Abstract Numerical analyzing is an important to research the electric field characteristics of electrostatic precipitator. It is help to design combinations of discharge electrodeswith collecting plates and to improve the level of power controlling. On the basis of the experiment, the mathematic model of corona electric field is built. Finite element-finite difference is used to compute electric field of RS discharge electrode. The calculated results are basically agreedwith the results of experiment. Keywords electrostatic precipitator, RS discharge electrode, numerical analyses and finite -element THE STUDY ON NOISE BARRIER BUILT BETWEEN TWO PATHS TO CONTROL THE RAILWAY TRAFFIC NOISELiu Xiujuan Jiang Weikang 51 Abstract The insertion loss of the noise barrier built between the two pathsof the sixth track-traffic in Shanghai is calculated by the software SOUNDPLAN, which is used for predicting and analyzing noise environment. The calculated results indicate that the noise barrier built between paths can make the sound pressure level at the distance of 20～ 30 m decrease by 2～ 4. 7 dB. As the height of the noise barriers installed along both sides increases, the incidence of the noise barrier built between paths will reduce. The nearer the building is away from railway, the bigger the insertion loss of the noise barrier built between paths becomes. Keywords railway traffic, noise barrier, insertion loss DIFFRACTION ANALYSIS OF “ ADDED DEVICE” OF NOISE BARRIER USING IMPULSE Zhu Xiaotian Hou Qiuwen 54 Abstract The uation standard and testing for “ added device” of a noise barrier were introduced. Four barriers with different added device were studied and the diffraction fields were visualized using finite element analysis. The insertion losses of four added devices installing on the barrierswith and without absorbent material were calculated and compared. Keywords noise barrier, added device, diffraction and insertion loss NOISE CONTROL OF VIBRATING SCREENLuo Jun Wang Yimin 57 Abstract In allusion to noise pollutions caused by the vibrating screen, by considering specific requests of worker operators and scientific design, several effective measuresfor noise reduction and practical new technology were adopted according to situation and process flow of vibrating screen, so the noise pollutions of vibrating screen were under control effectively . Keywords vibrating screen, noise and control RESEARCH ON SWELLING GRANULAR PLUGGING AGENT OF OILY SLUDGE Li Ruili Liu Guoliang Zhao Zhenxing et al 59 Abstract The technology of manufacturing a granular plugging agent by oily sludge is studied. The tests show that on conditions of 20 monomer concentration, 14 oil content of dry sludge, sludge 110 of monomer mass, gellant0. 14 of monomer mass, and reaction temperature35℃, the polymerization product with good property can be got. A suitable amount of drag reducer shall be added in the process of pelletizing. The expansion of the granular plugging agent in tap water and the solution with 0. 5NaCl is 40 and 15 times respectively. Keywords oily sludge, swelling granular plugging agent and reuse of resources 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24,No. 3, Jun. , 2006