双区静电除尘模拟设计中的颗粒荷电模型选用
[高梦翔, 姚鑫, 朱勇, 张益坤, 施建伟, 上官文峰* 
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引用本文
高梦翔, 姚鑫, 朱勇, 张益坤, 施建伟, 上官文峰. 双区静电除尘模拟设计中的颗粒荷电模型选用[J]. 工业催化, 2018,26(10): 124-129.
Gao Mengxiang, Yao Xin, Zhu Yong, Zhang Yikun, Shi Jianwei, Shangguan Wenfeng. Particle charging models selection in two-stage electrostatic precipitator simulation design[J]. Industrial Catalysis, 2018,26(10): 124-129.
DOI:10.3969/j.issn.1008-1143.2018.10.018
Gao Mengxiang, Yao Xin, Zhu Yong, Zhang Yikun, Shi Jianwei, Shangguan Wenfeng. Particle charging models selection in two-stage electrostatic precipitator simulation design[J]. Industrial Catalysis, 2018,26(10): 124-129.
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双区静电除尘模拟设计中的颗粒荷电模型选用
作者简介:高梦翔,1994年生,男,江苏徐州人,在读硕士研究生。
摘要
大气污染治理水平的提高对静电除尘器的净化效率提出更高要求。利用数值模拟设计静电除尘器有助于优化结构和提高性能,而模拟过程中选用的颗粒荷电模型很大程度决定了模拟结果的准确性。通过建立双区静电除尘器电场、流场和颗粒运动模型,计算两种荷电模型下双区静电除尘器内部颗粒运动轨迹,分析荷电模型对荷电区和收尘区内颗粒轨迹的影响。通过两种荷电模型下0.4 μm颗粒和7.5 μm颗粒去除率模拟值与实测值的对比,发现荷电模型导致的模拟值差异随颗粒粒径的减小而增大。定电量模型适用于电场荷电为主的大粒径颗粒,对扩散荷电的忽略使得该模型下小粒径颗粒的模拟去除率远小于实测值。综合考虑电场荷电量和扩散荷电量随时间变化的模型可以很好地反映小粒径颗粒的荷电特性,更适用于对小粒径颗粒荷电行为特征的数值模拟。
关键词:
三废处理与综合利用; 静电除尘; 数值模拟; 荷电模型; 实验验证
中图分类号:X773
文献标志码:A
文章编号:1008-1143(2018)10-0124-06
Particle charging models selection in two-stage electrostatic precipitator simulation design
Abstract
Improvement of air pollution control raises higher requirements for dust-removal efficiency of electrostatic precipitators(ESP).Designing ESP with numerical simulation is beneficial to structure optimization and performance improvement,while the accuracy of simulation results depends largely on charging models selected in the simulation process.A numerical model was developed for the description of physical process in two-stage ESP,including fluid flow,corona discharge and particle dynamics.Particle tracks in charging part and dust-removal part were calculated and analyzed with two charging models.With the comparison of simulated and experimental values of 0.4 μm and 7.5 μm particle removal efficiency,it was found that the gap between simulated values caused by charging model increased with decreasing particle size.Constant charging model is suitable for particles whose field charging is dominant.While its neglection of diffusion charging makes the simulated particle-removal efficiency of fine particles far more less than the measured value.The model assuming both field charging and diffusion charging are functions of time reflects charge characteristics of fine particles well and suits for the simulation process of fine particles.
Keyword:
treatment and integrated application of three wastes; electrostatic precipitator; numerical simulation; charging model; experimental verification
近年来, 我国多数城市雾霾天气频发, 空气细颗粒物污染引起广泛关注。由于细颗粒物极易通过缝隙对建筑墙体进行渗透, 室内人员健康也会受此威胁。在这一背景下, 人们更倾向于使用室内空气净化设备应对空气污染, 而静电除尘因效率高、阻力小和无耗材的特点受到关注, 其在室内空气净化领域的潜力正被挖掘和研究[1]。
常用的静电除尘器按结构分为单区和双区, 区别在于前者内部颗粒的荷电和捕集过程同时进行, 而后者颗粒荷电和捕集过程则分别在荷电区和收尘区完成。单区静电除尘器结构简单, 处理流量大, 常应用于工厂尾气处理。但内部电流体的作用使其对小粒径颗粒的捕集效果较低[2, 3], 臭氧发生率也较高[4], 不适用于室内空气净化。相较而言, 在这两方面表现更优的双区静电除尘器更能满足室内空气净化的需求。
双区静电除尘器荷电区的中央电极接有高压电, 内部空气在高压电场下发生电离, 颗粒穿过电离空气时荷电。而收尘区带电平行极板间的强电场使带电颗粒向极板趋近, 逐渐与空气分离, 最终被收尘极板捕获。
许多学者对静电除尘器建立了数学模型以反映收尘过程及估算收尘效率。Walther Deutsch[5]提出以烟气流量、收尘面积和趋近速率等参数描述收尘效率的公式, 其后又有学者对该公式进行推广和发展, 总结了反映静电除尘器性能的宏观规律[6, 7]。随着计算流体动力学的发展, 使用数值模拟的手段对静电除尘过程的研究逐渐兴起, 人们在生产过程中也经常使用数值模拟的方法指导静电除尘器的设计[8, 9, 10]。
在双区静电除尘数值模拟过程中, 颗粒荷电量直接影响静电除尘器内部的颗粒运动轨迹, 因而合理选用荷电模型以反映颗粒实际荷电过程至关重要。本文建立了线板式双区静电除尘器流场、电场和颗粒运动模型, 实际测量一个双区静电除尘器0.4 μ m和7.5 μ m颗粒的去除率, 模拟两种荷电模型下颗粒在双区静电除尘器内的运动过程, 比较荷电模型导致的颗粒运动轨迹、荷电特性以及去除率的差异, 最后将不同荷电模型下颗粒物去除率的模拟值与实验结果进行比较, 确定双区除尘过程数值模拟中颗粒荷电模型的选用原则。
1 数学模型
1.1 电场模型
忽略气流和颗粒对电场的影响, 线板式荷电区电晕放电电场的空间分布满足泊松方程和电流连续方程[11]:
Ñ · (ε 0E)=Ñ · (-ε 0Ñ V)=q(1)
Ñ · J=0(2)
式中,
方程(1)和(2)的边界条件可基于Kaptzov假设和Peeks公式计算[12]。收尘区可认为由带电平行极板组成。忽略边缘效应及流体内电荷的影响, 认为极板间电场强度大小相等, 方向由正极板垂直指向接地极板。收尘区内电场满足匀强电场方程:
Ec=
式中,
1.2 流场模型
荷电区内流体中的大量电荷使流体本身在强电场作用下受到电场力, 因此荷电区内的流场也被称为电流场。研究表明[13], 荷电区和收尘区内的流场可以用时均Navier-Stokes方程和雷诺应力标准湍流模型[14]求解。时均Navier-Stokes方程形式如下:
Ñ · u=0(4)
ρ f(u· Ñ )u=-Ñ p+(μ +μ t)
式中,
fci=Eq(6)
对于方程(4)(6), 其边界条件包括荷电区入口处的指定速率、收尘区出口处的指定压力(1.01× 105 Pa )、荷电区和收尘区内的标准壁面函数。
1.3 颗粒运动模型
忽略颗粒物之间的相互作用, 采用拉格朗日模型计算带电颗粒的运动轨迹, 考虑气流曳力和电场力对颗粒的影响, 静电除尘器内颗粒受力方程为[15]:
式中,
1.4 颗粒荷电模型
许多学者对颗粒荷电机理进行深入研究, 一般认为颗粒的荷电机理存在电场荷电和扩散荷电两种, 前者产生原因为荷电区的离子在电场作用下撞击颗粒并粘附其上, 是大粒径颗粒物荷电的主要机理; 后者产生原因为无秩序的热运动引起的离子与颗粒的碰撞与粘附, 是小粒径颗粒荷电的主要机理[16]。Long zhengwei等[17]对以往文献中使用的颗粒荷电机理做了很好的综述, 其中两种荷电模型在实际生产和设计中常被使用, 以下对这两种模型进行详细论述。
第一种模型(以下简称A模型)由White H J[18]于1951年提出, 该模型假定颗粒进入荷电区后短时间内荷电量达到饱和, 即颗粒荷电量在除尘过程中为常数。该模型只考虑电场荷电机理并忽略时间对颗粒荷电量的影响。虽然A模型的诸多简化有悖于实际情况, 但其模型简单, 计算大粒径颗粒物荷电量时能保有很高的精度, 因此在大型单区静电除尘器的相关计算中常被使用[19]。其公式如下所示:
qp=
式中,
第二种模型(以下简称B模型)认为颗粒荷电量是时间的函数, 结合了Pauthenier M M等[20]于1932年提出的电场荷电模型和White H J[18]于1951年提出的扩散荷电模型, 可以反映颗粒进入荷电区后荷电量随时间增长的过程, 对不同粒径颗粒物荷电量均可进行准确计算, 常用于静电去除细颗粒物的数值模拟研究[21]。其公式如下所示:
qp(t)=qfield+qdiffusion(11)
qfield=qs
qdiffusion=
式中,
2 实验测量与数值模拟
2.1 实验测量
测量双区静电除尘器对各粒径颗粒的去除效率, 实验装置包括风机、风道主体、荷电区和收尘区等部分。风道入口处设有气体整流装置, 其后依次布置荷电区、收尘区。从中间高度截取剖面, 此剖面即二维数值模拟的计算对象, 如图1所示。风道主体侧面设有3个依次编号的采样口, 分别位于荷电区、收尘区前后。荷电区中央有直径0.22 mm的电极线, 通过高压绝缘电线导出连接10 kV的高压电源, 极板接地; 收尘区中央极板接5 kV高压电源, 其余极板接地。
 | 图1 数值模型截面尺寸Figure 1 Cross section geometrical parameters of the numerical model |
除尘效率测量流程如下:调节风机功率使气流以0.5 m· s-1的速率通过实验风道的采样口Ⅰ 截面, 向实验风道输送混合均匀的带尘气流, 使其依次通过荷电区和收尘区, 在采样口Ⅰ 和Ⅲ 处使用苏州自动化仪器仪表研究所的CSJ-D型全半导体激光尘埃粒子计数器测量风道中心(0.30.5) μ m和(510) μ m两个粒径颗粒的数量浓度, 统计采样口Ⅰ 和Ⅲ 处的颗粒浓度差以计算双区静电除尘器除尘效率的实测值。
2.2 数值模拟
根据实验装置的几何形状创建相应的数值模型, 代入实验中相应的边界条件。采用自由剖分三角形的方式生成网格, 对电极线处网格进行加密处理。网格划分数为78 904, 电极线处及整体网格如图2所示。设定颗粒基于入口截面网格释放, 初速率与气流入口速率相同, 选取两个测量粒径段的平均直径0.4 μ m和7.5 μ m为颗粒直径, 烟尘平均密度2 200 kg· m-3为颗粒密度, 分别选用A模型和B模型作为颗粒荷电模型进行模拟, 得出两种荷电模型下不同粒径颗粒在双区静电除尘器内的运动轨迹, 导出颗粒在荷电区运动过程中的荷电数据, 统计落在极板上的颗粒数量以计算各类情况除尘效率的模拟值。
 | 图2 实验模型网格划分示意图Figure 2 Computation grid of two-stage ESP |
3 结果与讨论
图3为两种荷电模型下0.4 μ m颗粒和7.5 μ m颗粒在双区静电除尘器中的运动轨迹。由图3可知, 双区静电除尘器的荷电区和收尘区对颗粒物均有去除效果, 且不同荷电模型下收尘区轨迹的差别大于荷电区轨迹的差别。图3中荷电区颗粒运动轨迹呈曲线, 不同荷电模型下同一颗粒在荷电区的运动轨迹差别极小。收尘区颗粒运动轨迹近似笔直的斜线, 不同荷电模型下颗粒轨迹倾角差异明显, B模型的轨迹倾角比A模型略大, 使得B模型下收尘区有更多颗粒被极板捕获。
 | 图3 不同荷电模型下的颗粒轨迹Figure 3 Particle tracks of different charging models |
荷电模型对收尘区颗粒轨迹影响大于荷电区的原因在于两区内部主导颗粒捕集过程的因素不同。荷电区颗粒向极板的趋近过程由电流体曳力和电场力共同完成, 其中电流体曳力对颗粒运动的影响很大, 以至于荷电区颗粒轨迹的形态与电流场形态非常相似, 电流场形态如图4所示。电流体曳力的作用弱化了电场力对颗粒运动轨迹的影响, 缩小了荷电模型不同造成的颗粒轨迹差异, 使得不同荷电模型下同一颗粒在荷电区内的运动轨迹差别不大。而收尘区流线基本平直, 颗粒向极板的趋近运动仅受电场力控制, 与颗粒的荷电量直接相关, 颗粒荷电量大则轨迹倾角大, 因此荷电模型导致的颗粒轨迹差异在收尘区体现的更加突出。
 | 图4 双区静电除尘器速率分布Figure 4 Velocity distributionof two-stage ESP |
表1为两种荷电模型下模拟除尘率与实测除尘率的对比。由表1可见, 使用B模型进行数值模拟得到的颗粒去除率相较A模型偏大, 其中7.5 μ m颗粒的模拟值相差很小, 而0.4 μ m颗粒的模拟值相差较大, 差值达20个百分点。对比颗粒去除率的模拟值和实测值可以发现, 7.5 μ m颗粒模拟值与实测值十分接近, 考虑到实验测量误差, 可认为使用A模型和B模型的数值模拟结果均能准确反映实际颗粒去除效果。但对于0.4 μ m颗粒而言, B模型的模拟值与实测值十分贴合, 而A模型的模拟值则大幅背离实验结果。
 | 表1 双区静电除尘器颗粒去除率的模拟值与实验值(%) Table 1 Simulated and measured values of two-stage ESP particle-removal efficiency(%) |
上述现象原因在于两种荷电模型下不同粒径颗粒荷电特性的差别。图5分别为两种荷电模型下0.4 μ m和7.5 μ m颗粒在荷电区的荷电特性曲线。由图5可以看出, A模型颗粒荷电量始终为一常数, 等于颗粒的饱和电场荷电量; B模型颗粒荷电量在短时间内快速上升, 随后缓慢持续增长。至颗粒荷电完毕时, 荷电模型造成的颗粒荷电量的差别对7.5 μ m颗粒并不明显, 而A模型下的0.4 μ m颗粒总荷电量却远小于B模型, 其值约为B模型的三分之一。
 | 图5 0.4 μ m和7.5μ m颗粒荷电特性Figure 5 Charging characteristics of 0.4 μ m and 7.5 μ m particle |
两种颗粒荷电模型差异的实质是对颗粒扩散荷电量的忽略与否, 其是否能准确反映实际颗粒荷电过程取决于荷电过程中颗粒扩散荷电量在总荷电量中的占比。使用B模型分别对0.4 μ m和7.5 μ m颗粒的荷电过程计算可知, 7.5 μ m颗粒的扩散荷电量占总荷电量的16.42%, 因此使用A模型忽略扩散荷电量对颗粒轨迹影响较小。反观0.4 μ m颗粒, 扩散荷电是主要荷电方式, 占总荷电量的72.46%, 若使用A模型计算0.4 μ m颗粒总荷电量, 扩散荷电量的损失会极大削弱颗粒所受电场力的作用, 造成颗粒去除率的模拟值远小于实测值。
Bö ttner C U[22]论述了颗粒粒径与荷电特性的关系, 即颗粒粒径越大, 电场荷电占比越大; 颗粒粒径越小, 扩散荷电占比越大。据此结论可对上述分析做进一步推断:颗粒扩散荷电量在总荷电量中的占比随粒径的减小而增大, 两种荷电模型导致模拟结果的差异亦会随颗粒粒径的减小而增加。当模拟计算小粒径颗粒物时, 颗粒总荷电量中的扩散荷电量不能被忽略时, 应采用综合考量两种荷电方式的荷电模型, 否则会使数值模拟的结果偏离实际。
4 结 论
荷电模型对收尘区颗粒轨迹的影响大于其对荷电区的影响。荷电区电流体曳力的作用减小了荷电模型带来的颗粒受电场力的差异, 使得颗粒轨迹与电流场形态非常相似。收尘区颗粒向极板的趋近过程由电场力主导, 荷电模型对荷电量的影响直接反映在颗粒轨迹与极板的夹角上, 相同条件B模型下收尘区捕获的颗粒更多。
两种荷电模型的本质差异是颗粒扩散荷电量的忽略与否, 因此进行双区静电除尘过程模拟之前可先确定目标颗粒物的荷电方式占比。对于电场荷电为主要荷电方式的大粒径颗粒物, 两种荷电模型的模拟去除率均可如实反映除尘效果, 此时使用简单的A模型不仅能够保证模拟的精确度, 而且能节约运算资源, 缩短求解时间。当颗粒粒径太小以至于总荷电量中的扩散荷电量不能被忽略时, 应采用B模型综合考量电场荷电和扩散荷电, 以保证数值模拟结果的准确性。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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