PM2.5分布指数对线管式电除尘器除尘效率的影响张建平，陈栋，江泽馨上海电力大学 能源与机械工程学院，上海 200090摘 要为了确定线管式静电除尘器（ESP）捕集PM2.5性能的改善途径，需探明PM2.5分布指数（分布指数）对ESP脱除细微颗粒PM2.5效率的影响规律。为此，建立了多场耦合作用下的理论模型和简化模型，分别从分级效率和综合效率的角度描述了离子风、磁约束作用下EPS对PM2.5的脱除性能。结果表明随着颗粒粒径的减小、分布指数的降低，PM2.5分级脱除效率会显著升高；离子风的存在提高了PM2.5的脱除效率，但削弱了由降低分布指数给PM2.5脱除效率带来的提升幅度；磁场有效地提升了线管式ESP对PM2.5的捕集性能，且强化了减小分布指数对脱除PM2.5性能的促进效果。关键词 PM2.5分布指数；线管式ESP；离子风；磁约束；除尘效率中图分类号 X701.2；TM621.9 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2019040960 引言煤炭燃烧以及生物质燃烧等气体排放[1]，是大气污染的成因之一[2]。治理细微颗粒物的排放已是当务之急。 针对来源广泛、形貌特征多样的PM2.5颗粒[3]，市场上除尘器种类呈现多样化趋势，其中电厂多将线管式静电除尘器（ESP）作为电厂细微颗粒物的主要脱除设备。ESP虽然具有结构简单、便于维修的优点，但是日益严格的国家排放标准对其提出了更高的要求[4]，因此亟须通过改进现有的电除尘技术[5]以满足环境保护的要求。静电除尘器是一种实现气固分离的高效除尘设备[6]，国内外学者对于如何改良静电除尘器开展了较多研究。文献[7]研究了增强PM2.5脱除的新型电除尘技术，得出了通过电除尘新技术可有效控制PM2.5排放的结论；文献[8]研究的自适应调节控制系统可明显提升平均电晕功率和除尘效率；文献[9]通过分析荷电颗粒在气相流场耦合电场中的受力情况，计算出颗粒在有效除尘空间内的运动轨迹，并推导出颗粒的捕集效率表达式；文献[10]通过实验，分析了气流速度对ESP收集效率的影响；文献[11]利用脉冲激励ESP产生的等离子体来减少丙烯酸管道中亚微米颗粒的数量浓度；文献[12]的实验结果证明了入口空气相对湿度能够影响线板式ESP中直流的电晕放电行为；文献[13]研究结果说明了收集板弯曲形状容易影响收集面附近的电场强度；文献[14]发现带电粒子的运动均受到粒子之间静电排斥和滤筒上带电灰尘层的影响，且影响程度与粒子和灰尘层上的带电量正相关；文献[15]对线板静电除尘器中的KCl纳米颗粒进行一系列实验测试，评估了气体速度对颗粒在除尘器中停留时间和颗粒物浓度的影响；文献[16]通过建立一新型ESP模型，研究了带电粒子浓度的不同对电场、离子密度、颗粒荷电和迁移的影响；文献[17]证实了放电电极结构对气体清洁过程效率有重要影响。离子风指的是运动的离子与中性空气分子在电极间隙中发生碰撞，导致气流动量转移的现象，也称作电流体动力学（EHD）流[18]，是影响除尘效率的因素之一。文献[19]讨论了多场耦合作用下EHD流、不同放电电压和气流流速对管式电滤装备内部流场及除尘效率的影响；文献[20]讨论了负离子在点平面电晕放电间隙中的电流体动力约束；文献[21]揭示了电荷表面分布和EHD相互作用之间的关系；文献[22]研究了收稿日期2019−04−19； 修回日期2019−07−18。基金项目国家自然科学基金资助项目磁场环境下静电除尘器中PM2.5捕集的多场耦合机理与PIV实验研究，11572187。第 52 卷 第 10 期中国电力Vol. 52, No. 102019 年 10 月ELECTRIC POWER Oct. 2019144EHD流体在低雷诺数下固定圆柱绕流问题。除离子风外，一些学者也展开了磁约束作用对除尘效率影响的研究。20世纪70年代初，磁约束的应用领域有了极大的拓展[23]。磁约束是指对收尘极管内气体中所含的带电颗粒施加一定强度的磁场，颗粒物受洛伦兹力作用从烟气中分离[24]，洛伦兹力和电场力使颗粒物向收尘板做螺旋运动，可以延长颗粒物在管道内的停留时间从而达到提高除尘效率的目的。文献[25]为了研究多场耦合和外加磁场下PM2.5的去除性能，提出了一种数学模型来分析流体流场、电磁场和粒子动力场之间的相互作用。综上所述，线管式ESP中数值模拟的方法已多有研究，关于离子风和磁约束的研究主要集中于探究两者对气体流动特征的影响方面，但离子风和磁约束作用下分布指数大小对除尘效率高低有何影响的研究鲜见开展。因此，本文利用Fluent软件进行了数值模拟，着重分析在离子风和磁约束作用下分布指数不同时线管式ESP除尘效率的变化，以期为提升ESP除尘效率提供理论依据。1 理论模型1.1 PM2.5分布形态研究对象为燃煤电厂排放烟尘中的PM2.5，笔者根据粉尘性质假定其满足Rosin-Rammler分布（Rx）[26]。Rx与分布指数n和中位粒径x50的关系为Rxexp[0693 xx50n]（1）式中x为颗粒直径，mm；x50为中位粒径，mm；n为分布指数。1.2 气体流场考虑到静电除尘器内的烟气为定常流动的不可压缩气体，可用气体连续性方程和动量守恒方程描述为xi gui0（2）t gujxi guiujpxj eff2ujx2i S j（3） g kgm3 ui uj x式中为烟气密度，；和为气体在、y ms pPa eff eff t kgm s tkgm s S j方向上的气体速度，；为气体平均静压，；为有效扩散系数，；为气体动力粘性系数，；为湍流动力粘度系数，；为广义源项。1.3 电磁场一般可将线管式静电除尘器中的电场简化成一维电场问题，基于圆柱坐标系下的泊松方程为d2Udr2 1rdUdr “0 0（4）U V Cm3 “0式中为电势，；为空间电子数密度，；为真空介电常数。此外，这里的外加磁场为不随时间和空间发生变化的物理量，不涉及求解方程。1.4 颗粒动力场仅考虑拖曳力、电场力、洛伦兹力和离子风力的作用，颗粒在除尘极管内随气流流动的运动方程可写为mpdujdt FdFeFmFw（5）mp kg uj jj x y z ms Fd式中为颗粒质量，；为颗粒在方向上的速度（代表，，方向），；为拖曳力，N；Fe为电场力，N；Fm为洛伦兹力，N；Fw为离子风力，N。Fe QE E VmQ CFm QVpB Vpms B TFw 18π gv2d2vms d m式（5）中（为电场强度，；是颗粒的电场荷电量和扩散荷电量总和，）；（为粉尘颗粒做回旋的运动速度，；为外加磁感应强度，）；（为离子风速，；为颗粒直径，）。2 数值模型2.1 线管式ESP结构简化模型L rbrzr将线管式静电除尘器的结构简化为二维结构（见图1），其收尘极管长度为7.6 m，半径为0.3 m。电晕线从收尘极管正中心穿过，其半径为1 mm。由于管式除尘器的对称性，颗粒直接穿透阴极线不影响除尘效果[27]。电晕线截面积在收尘极管的截面积中占比仅约为0.001，因此可将电晕线外表面到收尘极板内侧的距离简化为收尘极管的半径。烟气从电场左侧入口流入，由右侧出口流出，其中轴为气体流向的平行方向，轴为气体流向的垂直方向。第 10 期 张建平等 PM2.5分布指数对线管式电除尘器除尘效率的影响1452.2 网格划分及其无关性验证在建立模型后，对网格进行划分，分别选取网格数22 800、26 250、30 000、34 950来计算各收集效率与相对误差，结果如表1所示。分析后不难得知，当网格数增加时，收集效率不断降低，但相对误差却不断缩减。当单元数增加到30 000时，除尘效率的相对误差可以接受。因此，为了节约数据处理的时间和资源，本文基于该数值进行计算。3 数值结果分析与讨论3.1 分布指数不同时脱除PM2.5的离子风效应U0 30 kVv0 10 ms T 300 Kn设定线管式ESP工作电压为，气体流动初速度为，温度为。不同分布指数、有无离子风作用下PM2.5的分级效率和综合效率分别如图2和图3所示。图2清晰表明随着分布指数的增大，PM2.5分级效率不断降低，且降低幅度不断减小；相比于无离子风的情形，无论分布指数为何值，有离子风作用下的PM2.5脱除性能更优；在分布指数一定时，离子风对PM2.5颗粒的影响效果随颗粒粒径的增大而逐渐增强。由图3可知随着分布指数的增大，不考虑离子风时的PM2.5综合脱除效率分别降低了2.2个百分点和1.0个百分点，而计及离子风效应后PM2.5综合脱除效率分别降低了2.0个百分点和0.7个百分点，表明分布指数对无离子风情形下的PM2.5综合脱除效率影响更为明显；随着分布指数提升，有无离子风作用下PM2.5综合脱除效率的差值分别为3.6个百分点、3.8个百分点和4.1个百分点，呈不断上升的趋势，说明线管式ESP中离子风对PM2.5脱除性能的影响随分布指数的提高愈发明显。3.2 分布指数不同时PM2.5脱除的磁约束效应n在相同工作电压和烟气流速的条件下，不同分布指数和有无磁约束下PM2.5的分级效率和综合效率如图4和图5所示。由图4可见无论分布指数大小，有无磁约束作用下的PM2.5分级效率均随颗粒粒径的增大而逐渐减小；不管磁约束作用是否存在，分布指表 1 线管式ESP网格无关性验证Table 1 Grid independent verification of thewire-pipe ESP网格数网格增长率/除尘效率/相对误差/22 800 20.0026 250 15.13 18.33 8.3530 000 14.29 17.33 5.4634 850 15.27 16.47 4.96出口电晕线收尘极管进口rrzL 图 1 线管式静电除尘器简化结构模型Fig. 1 Simplified structure model of a wire-pipe ESP0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.57476788082848688909294分级效率/颗粒直径/μm分布指数1.14 1.64 2.14无离子风有离子风图 2 有无离子风时PM2.5分级效率Fig. 2 PM2.5 grade efficiency with and without ionic wind81.579.378.385.183.1 82.41.14 1.64 2.147678808284868890综合效率/无离子风；有离子风分布指数 n 图 3 有无离子风时PM2.5综合效率Fig. 3 PM2.5 overall efficiency with and withoutionic wind中国电力第 52 卷146数越大，PM2.5分级效率越低；同一分布指数下，磁约束效应随颗粒粒径的增大而逐渐增大，但增大幅度逐渐变缓。分析图5可知对于不同的分布指数，有无磁场作用下PM2.5综合脱除效率的差值分别为7.3个百分点、6.7个百分点和5.8个百分点，说明磁场对捕集PM2.5颗粒的贡献随分布指数减小而不断增大；当分布指数等幅增大时，磁约束条件下PM2.5综合脱效率的降幅分别为2.8个百分点和1.9个百分点，而在不考虑磁场环境下这一幅值分别为2.2个百分点和1.0个百分点，表明PM2.5脱除效果的提升作用随分布指数的等幅减小而增大，并且当磁场存在时这一作用更明显。3.3 同一分布指数下离子风与磁约束的联合作用n165 d 125 μmU0设定分布指数、颗粒直径，在与图2相同的工况（线管式ESP工作电压为30 kV v0 10 ms T300 KB0125 T，气体流动初速度为，温度为）下，有无离子风、磁约束效应下的PM2.5分级脱除效率如图6所示。通过分析可知离子风、磁约束均可有效提高线管式ESP对PM2.5的捕集性能；在这一工况下的离子风与的磁约束效应基本相当；与无离子风效应相比，有离子风作用下磁场对PM2.5分级脱除效率的贡献更高，且这一贡献的变化总体上随颗粒粒径的增大而逐渐升高；无离子风效应时，磁场对PM2.5分级脱除效率随颗粒直径的提升不断降低，而有离子风效应时这一增幅反而不断提高，说明在计及离子风效应时磁约束对PM2.5脱除效率的贡献更大；磁约束和离子风联合作用下的PM2.5分级脱除效率要优于其任一单独作用下的PM2.5分级脱除效率，表明磁约束和离子风联合作用进一步提高了PM2.5的除脱效率。4 结论（1）离子风的存在提高了除尘效率，但会减弱分布指数的影响；分布指数稳步增大时，有无离子风作用下的PM2.5综合脱除效率差值不断降低，说明离子风能够提升分布指数的影响幅度；在一定工况下，考虑离子风作用时的PM2.5脱除效率与外加磁场作用下情形相当。 因此，在线管式ESP中PM2.5捕集性能的数值模拟过程中，必须考虑离子风的作用。（2）对于线管式ESP而言，磁约束的存在大幅度提高了除尘性能，随着磁感应强度的增大，除尘效率越来越高，但分布指数增加会使除尘效0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.57476788082848688909294分级效率/分布指数1.14 1.64 2.14磁场 B0.00 T磁场 B0.25 T颗粒直径/μm 图 4 有无磁约束下PM2.5分级效率Fig. 4 PM2.5 grade efficiency with and without magneticconfinement effect1.14 1.64 2.1476788082848688909294综合效率/分布指数 n磁场 B0.00 T；81.579.3 78.388.886.084.1磁场 B0.25 T 图 5 有无磁约束下PM2.5综合效率Fig. 5 PM2.5 comprehensive efficiency with and withoutmagnetic confinement effect0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5767880828486889092949698分级效率/颗粒直径 /μm无磁场且无离子风;仅离子风;仅磁场 B0.125 T;有离子风且磁场 B0.125 T;仅磁场 B0.25 T;有离子风且磁场 B0.25 T图 6 不同情形下的PM2.5分级效率Fig. 6 PM2.5 grade efficiency under different conditions第 10 期 张建平等 PM2.5分布指数对线管式电除尘器除尘效率的影响147率的提升逐渐降低；当分布指数缓慢增大时，有无磁场作用下的PM2.5综合脱除效率差值逐渐减小，说明磁场对PM2.5脱除的贡献随分布指数的降低而明显增大。（3）当离子风和磁约束同时作用于线管式ESP时，离子风的存在能增强磁约束作用；相比于离子风效应带来的PM2.5脱除的增幅，磁约束的作用更为明显。（4）颗粒粒径和分布指数也是影响线管式ESP分级效率的因素，颗粒粒径越大，PM2.5分级脱除的效率越低，分布指数的降低能够提升颗粒的分级效率。本文研究结果可为线管式ESP对PM2.5捕集性能的改善途径给予定性支持，并可为利用离子风与磁约束方法提升PM2.5脱除效率提供定量参考。参考文献MELONI E, CALDERA M, PALMA V, et al. 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The results show that as the particle size decreases or the distribution index goes down, the gradeefficiency of PM2.5 will both rise significantly. The occurrence of ionic wind improves the collection efficiency for PM2.5, which onthe other hand will offset the increase of the efficiency brought by the decrease of the distribution index unfortunately. The magneticfield not only boosts the trapping perance of wire-pipe ESP for PM2.5 effectively, but also reinforces the promotion effect ofreducing the distribution index on the dust removal perance for PM2.5.This work is supported by National Natural Science Foundation of China Mechanism Research on the Influence of Magnetic Fieldand Diffusion Charging on PM2.5 Removal Characteristics of Electrostatic Precipitator under Multi-field Coupling, No.11572187.Keywords distribution index of PM2.5; wire-pipe ESP; ionic wind; magnetic confinement; collection efficiency第 10 期 张建平等 PM2.5分布指数对线管式电除尘器除尘效率的影响149