静电除尘器粉尘运动轨迹的数值模拟与分析.pdf

静电除尘器粉尘运动轨迹的数值模拟与分析 * 张建平 1，2 杜玉颖 1 戴咏夏 1 潘卫国 1 1. 上海电力学院能源与环境工程学院， 上海200090;2. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240 摘要 为了分析线 － 管式静电除尘器的流动特性以及粉尘收集过程， 建立流场、 电场和颗粒动力场的数学模型， 利用 fluent 软件对其进行数值模拟。结果表明 逃逸粉尘平均粒径随工作电压增高呈非线性递减关系， 但随入口流速增大 基本呈线性递增关系; 而粉尘向收尘板偏移趋势随工作电压增高而增强， 但随入口流速增大而减弱。 关键词 静电除尘器; 粉尘颗粒; 运动轨迹; 数值模拟 NUMERICAL SIMULATION AND ANALYSIS OF DUST PARTICLE TRAJECTORY IN ELECTROSTATIC PRECIPITATOR Zhang Jianping 1，2 Du Yuying1Dai Yongxia1Pan Weiguo1 1. School of Thermal Power and Environmental Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China; 2. School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China AbstractIn order to study the flow characteristics and trapping process of the dust particles in a wire-duct electrostatic precipitator，the mathematic model of the flow field，electric field and particle dynamic field was built，and the numerical simulation was achieved by FLUENT software. The results indicate that the average diameter of escaping particle is nonlinearly decreasing with the increase of operating voltage，but linearly increasing with the increase of inlet velocity. Furthermore，the movement trend towards the dust collection plate can be obviously strengthened by the increase of the voltage， but weakened by the increase of the inlet velocity. Keywordselectrostatic precipitator;dust particles;trajectories;numerical simulation * 上海市教育委员会科研创新项目资助 11ZZ172， 11ZZ171 ; 上海市教 委 重 点 学 科 第 五 期 G51304;上 海 市 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 09ZR1413000 ; 上海市教委第三期本科教育高地建设项目资助。 0引言 静电除尘器是从气流中分离粉尘的重要工业设 备， 其除尘效率直接影响排向大气的粉尘浓度， 从而 影响环境质量。Neimarlija 等 ［ 1］用 FVM 方法计算了 静电除尘器电场。Chun 等 ［ 2］对电晕线附近的 EHD 场进行 了 数 值 模 拟。Lei H 等 ［ 3］采 用 迎 风 格 式 对 线 － 板式静电除尘器的电场进行了数值计算。实际 上， 采用实验和数学方法对 EHD 场求解比较困难， 因 此文中采用数值模拟的方法分析线 － 管式静电除尘 器粉尘的运动规律。 1数学模型 静电除尘器内部存在流场、 电场和颗粒动力场三 种场量。 1. 1流场 含尘气体流过静电除尘器时， 颗粒悬浮在气体中 并随之运动。气体可采用质量守恒方程和动量守恒 方程来描述， 其二维连续性方程见式 1 ρg t  x ρg u  y ρg v 0 1 其中， 广义源外力项可由空气动力学拖曳力和电体积 力表示 ［ 2］， 流场动量方程见式 2 、 式 3 ρg  u t ρ gu  u x ρ gv  u y － P x μ μt  2u x 2  2u y 2 FDx ρEx 2 ρg  v t ρ gu  v x ρ gv  v y － P y μ μt  2v x 2  2v y 2 FDy ρEy 3 式中 ρg为空气的密度， kg/m 3; u、 v分别为气体 x、 y 方 87 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 向的速度， m/s; P 为气体压强， Pa; μeff为有效扩散系 数， μeff μ μt; μ 为气体动力黏性系数， kg/ ms ; μt为湍流动力黏性系数， kg/ ms ; FDx， FDy分别为 x、 y 方向的空气动力学拖曳力; ρ 为空间电荷密度， C /m3; E 为电场强度， V/m。 湍流 k 动能方程和湍流耗 散率 ε 方程选用 RNGk － ε 模型 ［ 4］。 1. 2电场 静电除尘器电场由外加电场和空间电荷形成的 电场两部分组成。描述电场分布特性的电势 Poisson 方程和电流连续方程见式 4 、 式 5  2V －ρ ε0 4 Vρ ρ 2 ε0 5 式中 V 为空间电势， kV; ε0为真空介电常数， ε0 8. 854 10 － 12F/m。 电晕放电使气体分子电离成电子和正离子， 由于 烟气的多种成分皆是电负性气体， 容易俘获电晕产生 的电子而形成负离子。正负离子通过电场荷电和扩 散荷电这两种方式荷电。研究的问题只涉及到电场 荷电见式 6 Qp 3π εr εr 2 ε 0d 2 pE 6 式中 Qp为尘粒表面的饱和电荷量， C; εr 为粒子相对 介电常数。 1. 3颗粒动力场 为分析粉尘颗粒的运动轨迹， 需要建立颗粒的运 动方程。考虑电场力、 黏性阻力以及重力三种主要颗 粒受力。笛卡尔坐标系下颗粒动量方程见式 7 mp duj dt QpEj FDj 1 6 πd 3 pρpg 7 式中 mp为粉尘粒子质量， kg; uj表示颗粒物在 j 方向 的速度 j 代表 x， y 方向 ， m/s; 空气动力学拖曳力 ［ 5］ FDj mpFdj， Fd 1 2 π 4 d2 p ρ gCDug－ u p | ug－ up| ， CD为气体 － 颗粒阻力系数; dp为颗粒直径。 2数值计算 2. 1简化模型与网格划分 由于线 － 管 式 静 电 除 尘 器 具 有 轴 对 称 特 性， 采用四边形单元 将计 算区 域离散 为 结 构网 格， 这 样既加快 了运算 速度， 同 时 也避 免 了 假 扩 散。采 用的静 电 除 尘 器 结 构 简 化 模 型 如 图 1a 所 示， 其 中， 电 晕 线 半 径 为 0. 5 mm，收 尘 电 极 半 径 为 200. 5 mm， 电极线长1 200 mm。选取纵剖面的右 半 面 为 计 算 区 域。 相 应 的 网 格 划 分， 如 图 1b 所示。 a结构简化模型; b 网格划分 图 1线 － 管式静电除尘器 2. 2边界条件 简化模型的边界条件包括进口条件、 出口条件及 壁面条件等。由于进口速度已知， 设进口条件为速度 进口， 颗 粒 与 气 流 采 用 同 一 速 度 值， 各 边 界 条 件 如表 1 所示。 表 1边界条件 位置 x 方向 的速度 y 方向 的速度 工作 电压 电荷 密度 颗粒相 入口0vV 0ρ 0逃逸 出口压力压力V 0ρ 0逃逸 电晕线无滑移无滑移 V0 Peek 定律反射 集尘板无滑移无滑移 V0 0 ρ 0 捕获 入口粉尘颗粒粒径分布符合某种分布函数， 可描 绘其分布曲线。选用山西漳泽电厂粉尘作为模拟对 象， Rosin － Rammler 分布回归后得到 中位粒径dp 22. 5 μm， 分布指数 n 1. 12。 2. 3数值计算 利用 FLUENT 计算静电除尘器内湍流场， 采用 SIMPLE 算法对控制容积进行数值求解。采用有限容 积法离散化耦合求解电势泊松方程和电流连续性方 程， 可得到粒子荷电密度和电场分布。认为空气是连 续相， 采用 Euler 方法对流场进行数值计算; 认为粉 尘颗粒是离散相， 采用 Lagrange 颗粒轨迹法对颗粒运 动进行追踪 ［ 6］。选用分离式求解依次求解流场、 颗 97 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 粒动力场以及电场的各个方程， 经过多次迭代可得到 收敛解。 3结果与讨论 为了验证数值计算的可靠性， 施加工作电压V0 60 kV， 选取五种颗粒粒径， 两种入口流速。从图 2 可 以看出， 模拟结果与文献［ 7］ 数据吻合很好， 误差在 1 以内。 av 0. 5 m/s;bv 0. 9 m/s 图 2数值结果与文献数据对比 3. 1工作电压对粉尘运动轨迹的影响 工作电压是影响荷电粉尘运动轨迹的重要因素 之一。图 3 给出了不同工作电压下， 线 － 管式静电除 尘器荷电粉尘的运动轨迹， 入口气流流速设定为 v 0. 7 m/s。由图 3 可见， 随工作电压的增加， 粉尘向圆 筒收尘板偏移运动的趋势逐渐增强， 这主要是因为电 压升高使得离子浓度急剧升高， 导致电场强度增大和 荷电粉尘所受电场力增大。 图 3 给出了五种不同工作电压下粉尘颗粒流的 运动轨迹， 通过对比可知， 对同一荷电条件下的运动 颗粒， 不同粒径颗粒的流动分散性随工作电压的增高 而逐渐增强。与颗粒运动轨迹图 3 的工况一一对应， 入射颗粒数和捕集颗粒数的统计结果如图 4 所示。 从图 5 可以看出， 逃逸粉尘平均粒径随施加电压的增 加而减小， 与电压呈非线性递减关系， 这说明电压对 细微粉尘颗粒的捕集有明显作用。 图 3不同工作电压下粉尘运动轨迹对比 图 4入射与捕集颗粒数的统计直方图 图 5逃逸粉尘的平均粒径随电压变化的曲线 3. 2入口流速对颗粒运动轨迹的影响 图 6 给出了不同入口流速下粉尘运动轨迹情况， 给定工作电压为 V0 30 kV。从图 6 中可以发现， 随 入口流速增大， 颗粒向圆筒收尘电极方向的偏移趋势 明显减弱。由于流速的增大使得颗粒沿 y 轴方向通 过静电除尘器的时间减少， 在相同电场力下， 颗粒向 收尘板电极方向偏移的距离必然减少。 08 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 图 6不同入口速度下颗粒运动轨迹对比 从图 7 也可以看出， 当烟气在线 － 管式静电除尘 器中的 流 速 v 0. 5 m/s 时， 除尘效率最 高， 接 近 80 。当流 速增高 到1. 0 m/s 时， 除 尘 效 率 降 低 到 61. 52 ; 当流速增大到1. 8 m/s时， 除 尘效率 只有 33. 48 。由此可见， 随着含尘气体流速的增高， 除尘 效率大幅度下降。此外， 出口处逃逸粉尘的平均粒径 随入口流速变化的关系曲线如图 8 所示， 由图 8 可以 看出， 逃逸粉尘的平均粒径随入口流速的增大而增 大， 并基本呈线性递增的关系。 图 7入射与捕集颗粒数的统计直方图 图 8逃逸粉尘的平均粒径随速度变化的曲线 4结论 本文 对 线 － 管 式 静 电 除 尘 器 中 满 足 Rosin- Rammler 粒度分布的粉尘运动进行了数值模拟。认 为空气是连续相， 采用 Euler 方法对气体流场进行数 值计算; 认为粉尘是离散相， 采用 Lagrange 颗粒轨迹 法对颗粒运动进行追踪。得出以下结论 1 在线 － 管静电除尘器的数值模型中， 电场通 过电场力影响颗粒动力场; 流场通过空气动力拖曳力 作用于颗粒动力场; 颗粒动力场通过空间电荷影响电 场分布， 通过气固两相耦合作用于流场。 2 随工作电压增高， 粉尘向收尘板的偏移趋势 逐渐增强， 流动分散性随之提高， 而逃逸粉尘平均粒 径随之减小。 3 随入口流速增大， 粉尘向收尘板偏移的趋势 明显减弱， 出口处逃逸粉尘平均粒径随之增加。 参考文献 ［1 ］ Neimarlija N，Demirdic ＇ I， Muzaferija S. Finite volume for calculation of electrostatic fields in electrostatic precipitators ［J］ . Journal of Electrostatics，2009，67 1 37- 47. ［2 ］ Chun Y N，Chang J S，Berezin A A，et al. Numerical modeling of nearcoronawireelectrohydrodynamicflowinawire-plate electrostatic precipitator［J］ . IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14 1 119- 224. ［3 ］ Lei H，Wang L Z，Wu Z N. Applications of upwind and downwind schemes forcalculatingelectricalconditionsinawire-plate electrostatic precipitator ［J］ .Journal of Computational Physics， 2004，193 2 697- 707. ［4 ］ 张建平，戴咏夏. 除尘管道湍流场特性的三维建模与数值仿 真［J］ . 煤矿机械，2010，31 1 85- 87. ［5 ］ Lei H. Charge current conservation model for calculating electrical conditions in a wire-plate electrostatic ［J］ . IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2006，13 4 795- 801. ［6 ］ 王以飞，沈恒根. 袋式除尘器在线清灰流场分布的研究［J］ . 环境工程，2010，28 2 72- 77. ［7 ］ 黄钊，邓启红，蔡慧煊. 线管式静电除尘器性能研究［J］ . 建 筑热能通风空调，2007，26 3 95- 98. 作者通信处张建平200090上海市平凉路 2103 号上海电力学 院能源与环境工程学院 E- mailjpzhanglzu 163. com 2010 － 07 － 05 收稿 18 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期