靜電旋風(fēng)除塵器研究綜述

近年來，隨著我國城市化進程的推進，能源消耗呈快速增長的趨勢，導(dǎo)致粉塵等顆粒物成為城市大氣的主要污染物，特別是PM2.5這類不易沉降的粉塵，不僅導(dǎo)致大氣能見度的降低，還會給呼吸系統(tǒng)造成威脅，嚴重危害人體健康。各企業(yè)加強環(huán)保的認識和重視程度是走可持續(xù)發(fā)展道路的重要措施，效果明顯的除塵器來處理工業(yè)廢氣不但可以滿足不斷提高的大氣污染控制標準，還可以為企業(yè)營造良好的拴心留人的環(huán)境。靜電旋風(fēng)除塵器（如圖1所示）是內(nèi)加設(shè)高壓靜電場而構(gòu)成的，利用離心力和電場力的雙重作用來收集粉塵顆粒的除塵器。與電除塵器相比，占地面積小，成本低，效率高；與旋風(fēng)除塵器相比，在原有的除塵器中又形成高壓靜電場，解決了旋風(fēng)除塵器不利于捕集微細粉塵（粒徑小于5μm）的弊端問題，除塵效率_高。近年來靜電旋風(fēng)除塵技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注和研究，主要適用于中小型工業(yè)及民用鍋爐、建材、冶金、化工等行業(yè)的污染治理和物料回收，它所帶來的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益是非常顯著的。基于上述情況，本文總結(jié)了近十年以來，國內(nèi)外尤其是國內(nèi)靜電旋風(fēng)除塵技術(shù)的發(fā)展以及研究現(xiàn)狀，介紹了靜電旋風(fēng)除塵設(shè)備的顆粒沉積特性，電_形式，供電方式，數(shù)值模擬等相關(guān)內(nèi)容，總結(jié)并提出了完善靜電旋風(fēng)除塵技術(shù)的建議，為我國靜電除塵設(shè)備的日后發(fā)展提出展望。




一、國內(nèi)外研究進展

1.1國外研究發(fā)展現(xiàn)狀國外對電除塵器的研究起步較早，研究范圍較廣，多數(shù)采用理論研究與試驗結(jié)合的方法，其中對電場特性、除塵效率、粒子運動研究和模擬方法的研究較為深入。

初期的靜電旋風(fēng)除塵器誕生于美國，它通過在旋風(fēng)除塵器排氣管中心加一根放電_來抑制粉塵隨氣流的逸出。Dietz等對逆流式旋風(fēng)除塵器研究了氣旋幾何形狀的變化，湍流混合氣體的變化，粉塵滯留時間的影響等因素。研究了除塵器內(nèi)靜電力隨氣體流速的降低而提高，除塵效率也顯著提高。Boericke等研究同樣表明，當進氣管入口風(fēng)速較低時，即旋風(fēng)筒內(nèi)氣流速度較低，粉塵的滯留時間增加，靜電力發(fā)揮主導(dǎo)性作用，靜電旋風(fēng)除塵器的效率提高顯著。Plucinski等的研究也證明在風(fēng)速較低，灰塵顆粒直徑小時，靜電力的作用顯著。建立質(zhì)量微分方程,運動微分方程應(yīng)用到三區(qū)域理論聯(lián)合模式的各個分區(qū),求解得出電旋風(fēng)除塵分級效率的計算公式。Chi-Jen Chen研究了電旋風(fēng)除塵器分級效率在不同的進口速度和灰塵顆粒粒徑下的影響，由電場力作用下粒子的驅(qū)進速度研究電場力對分級效率的作用，由離心力作用下的沉降速度研究離心力對分級效率的作用。國外對于靜電旋風(fēng)除塵器的文獻報道較少，系統(tǒng)的理論研究少見。

1.2國內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)狀我國靜電旋風(fēng)除塵器出現(xiàn)在20世紀90年代初，研究類型主要包括：SZD型組合電收塵器、切流反轉(zhuǎn)式電旋風(fēng)除塵器、直流式電旋風(fēng)除塵器以及其它形式的電旋風(fēng)除塵器。由我國建材局合肥水泥研究設(shè)計院研制的“SZD型組合電收塵器”已經(jīng)應(yīng)用于實際工程，除塵效率高達99.98%，處理粉塵濃度達150gNm-3，頗具代表性。但是它也存在_的弊端問題，例如：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，不利維修等。切流反轉(zhuǎn)式、直流式以及其他型式的靜電旋風(fēng)除塵器多為國內(nèi)的各個大學(xué)研制，結(jié)構(gòu)各顯特色，目前仍處于機理探索、性能實驗階段。

（1）靜電旋風(fēng)除塵設(shè)備涉及一系列的基礎(chǔ)方程以及公式推導(dǎo)，這是研究靜電旋風(fēng)除塵設(shè)備的基礎(chǔ)，同時對進行數(shù)值模擬方面的研究提供了必要的理論支持。羅建軍等在前人對靜電旋風(fēng)除塵器研究的基礎(chǔ)上理論分析并初步推導(dǎo)出了靜電旋風(fēng)除塵器的電場強度和塵粒的荷電能力計算公式，通過作用在塵粒上的力計算出了塵粒的移動速度，并總結(jié)出了靜電旋風(fēng)除塵器模型的除塵效率公式。李濟吾利用靜電旋風(fēng)除塵器中粒子的非線性微分方程描述動力學(xué)原理，通過混沌理論得到了關(guān)于分割粒徑的方程，該方程由切向速度，靜電旋風(fēng)除塵器的筒半徑，內(nèi)部電場強度和氣體的濃度等因素息息相關(guān)。經(jīng)過試驗驗證對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此方程可以用來對靜電旋風(fēng)除塵器的優(yōu)化設(shè)計并且能夠有效提高它的性能。

（2）近十年來，我國的靜電旋風(fēng)除塵器在實際工程中有較多應(yīng)用，創(chuàng)新成果顯著。李明華，魏明山，馬朝臣研究了靜電旋風(fēng)微粒捕集器在柴油機上的應(yīng)用，靜電旋風(fēng)式微粒捕集器在柴油機進氣濾清器實現(xiàn)低阻進氣、壁面自動清潔、免維護等優(yōu)點，降低了成本，具有重要意義的創(chuàng)新。楊新樂在理論和實驗基礎(chǔ)上探討了靜電旋風(fēng)除塵器去除少量焦油的幾種可行方法。通過提出的方法使焦油達標排放。魏章斌等介紹了脈沖供電方式的靜電旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)、工作原理。通過建立的流體力學(xué)方程來分析脈沖電暈放電的特點，實驗和理論驗證了利用脈沖靜電旋風(fēng)除塵器凈化分子篩尾氣的可行性，有利于解決催化劑廠尾氣排放_標問題，具有實際意義。
近十年來，國內(nèi)對靜電旋風(fēng)除塵器的研究工作有所增加，各具特色，研究領(lǐng)域包括顆粒的沉積特性，電_形式，供電方式，數(shù)值模擬以及不同形式的靜電旋風(fēng)除塵器的研究和應(yīng)用方面的內(nèi)容，提出了較為新穎的思路。但研究方向主要集中在理論機理研究與模擬，以及一系列改進設(shè)備方面的相關(guān)研究。

二、除塵技術(shù)與機理

2.1沉積特性研究馬朝臣,李明華等都是應(yīng)用實驗驗證法研究了電旋風(fēng)除塵器的壁面沉積特性，馬朝臣,李明華利用Kompton背散射法歸納收集器和捕集器的清洗原理，得到了靜電旋風(fēng)除塵器沉積特性和收集效率之間的關(guān)系。兩文獻通過不同的試驗?zāi)Ｐ途C明：若增加氣流含塵濃度，伴隨運行時間的延長，與放電_對應(yīng)的收塵_板上的沉積量逐漸增加，除塵效率會呈現(xiàn)下降趨勢。不同尺寸結(jié)構(gòu)的靜電旋風(fēng)除塵器中在入口風(fēng)速達到_值時,可利用高速旋轉(zhuǎn)氣流對壁面的沖刷和顆粒之間的碰撞實現(xiàn)自動清灰功能。



2.3脈沖供電方式使用脈沖供電的靜電旋風(fēng)除塵器對微細粉塵的除塵具有較大優(yōu)勢，有效地降低了煙塵排放濃度,對提高針對微細粉塵靜電旋風(fēng)除塵效率的進一步研究提供了廣闊前景。熊正明，肖惠海等、均研究了在相同工作電壓、入口風(fēng)速、入口粉塵濃度情況下,供電方式對電旋風(fēng)除塵器除塵性能的影響。從實驗測的出口粉塵濃度看，脈沖供電有效地提高電旋風(fēng)除塵器的除塵效率,相對于直流供電效率提高0.1%~1%。對于粒徑小于1~2μm的粉塵,脈沖供電比直流供電的電旋風(fēng)除塵器的分級除塵效率提高20%以上。

2.4數(shù)值模擬采用數(shù)值模擬研究方法容易對隨時_改的仿真模型方便模擬，湯光華等介紹了一種特殊的熱陰_電子發(fā)射材料作為發(fā)射_（直徑為10~20mm）的無電暈式高溫靜電旋風(fēng)除塵器模型，在相同切向入口速度情況下采用標準k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,模擬計算除塵器內(nèi)部0°和180°沿徑向（即在x軸上不同位置）的三維流場的速度和壓力分布情況。蔡建偉，李濟吾應(yīng)用靜電學(xué)、流體力學(xué)、計算數(shù)學(xué)等理論建立了旋風(fēng)靜電除塵器單相準三維湍流的k-ε模型。采用控制容積法對其進行離散，用SIMPLE法求解流場分布，編程模擬計算，得出_條件下并經(jīng)實驗驗證的除塵器內(nèi)三維速度數(shù)值模擬結(jié)果。蔡建偉又利用五孔球形探針系統(tǒng)對直筒式旋風(fēng)靜電除塵器模型的三維流場進行了測定與分析。結(jié)果表明：供電電壓的大小對流場分布形狀影響不大,但對切向、徑向和軸向的速度大小的影響明顯，驗證了在入口風(fēng)速，供電電壓，筒體直徑的變化對應(yīng)的旋風(fēng)靜電除塵器內(nèi)氣流的切向速度和徑向速度軸向速度增減趨勢。


2.5復(fù)合式的靜電旋風(fēng)除塵器復(fù)合式電旋風(fēng)除塵器是一種多級除塵的一體化設(shè)備，該技術(shù)在近年來得到了越來越多深入的研究，它利用荷電顆粒的凝聚和電場抑制作用，通過離心力、電場力、慣性力和重力在不同區(qū)段有機結(jié)合而制成的。劉偉軍，曹偉武，張書華等]研究了切流反轉(zhuǎn)式電旋風(fēng)除塵器,它是復(fù)合式電旋風(fēng)除塵器的一種典型類型，分別測試了單筒線電_和雙筒針刺電_伏安特性、運行耗功、阻力性能、總除塵效率的運行性能，得出了伏安特性、除塵效率、流動阻力等一些有價值的運行經(jīng)驗范圍值；分析總結(jié)了運行中應(yīng)注意的問題。劉偉軍，韓家德借前人研究成果深入分析了切流反轉(zhuǎn)式電旋風(fēng)除塵器的除塵機理，經(jīng)計算和試驗對比驗證了文中提出的除塵效率的計算方法的可行性，并確立了可供實際工程參考的切流反轉(zhuǎn)式電旋風(fēng)除塵器除塵效率的計算公式。董冰巖實驗研究并分析了直筒式旋風(fēng)脈沖靜電除塵器的電壓、入口粉塵濃度、入口風(fēng)速、分級除塵效率以及脈沖供電下除塵器的除塵機理，獲得了準確的實驗數(shù)據(jù)，結(jié)論證明了脈沖供電對靜電旋風(fēng)除塵器的效率的提高作用顯著。劉偉軍對切流反轉(zhuǎn)復(fù)合式電旋風(fēng)除塵器的?；碚摲治鐾茖?dǎo)出了冷態(tài)漠化的相似準則，提出靜電離心分離相似準則Sel，復(fù)合式電旋風(fēng)除塵器冷態(tài)模型（流量為12000m3/h）冷態(tài)實驗研究，建立近似模化條件并對大量實驗數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，給出除塵總效率和總阻力系數(shù)實驗準則關(guān)系式。劉偉軍理論和實驗研究了反轉(zhuǎn)式電旋風(fēng)除塵器顆粒凝聚規(guī)律，凝聚規(guī)律受顆粒種類、荷電性、黏附性等因素影響而不同。實驗證明了提高荷電電壓和增加粉塵濃度兩種方法，都可以增強顆粒的凝聚作用，從而使離心分離作用加大，除塵效率提高。

三、建議與展望

靜電旋風(fēng)除塵器適合中國國情發(fā)展的需要，特別是針對現(xiàn)階段我國嚴峻的環(huán)境形式，切實可行的工業(yè)除塵設(shè)備顯得尤為重要。但因各地區(qū)環(huán)保政策執(zhí)行力度的欠缺，以及不利于運行和維護等缺點，使得這種有效的靜電旋風(fēng)除塵設(shè)備很少真正的應(yīng)用于實際工程中，因此，靜電旋風(fēng)除塵技術(shù)應(yīng)該作為工業(yè)中小型除塵領(lǐng)域重點發(fā)展的技術(shù)。

縱觀靜電旋風(fēng)除塵器的論文可知，關(guān)于陽_板的介紹甚少，多數(shù)以靜電旋風(fēng)除塵器外筒壁作為陽_板，無需振打，以旋轉(zhuǎn)氣流沖刷壁面除塵。建議研究采用碳纖維和硅纖維材料編織而成的膜，作為靜電旋風(fēng)除塵器的陽_板，它相比鋼質(zhì)_板，膜收塵有利于減少二次飛揚的產(chǎn)生，_，能夠支持220°C的高溫，利于捕捉粒徑＜2.5μm的微細粉塵等優(yōu)點。旋風(fēng)氣流可以引起膜振動使沉積在膜表面的顆粒隨氣流進入灰斗收集，亦不用振打，有效提高粉塵的去除效率。

靜電和旋風(fēng)的耦合場綜合作用下的微粒運動狀況相對模糊，對塵粒在靜電旋風(fēng)除塵器中的濃度分布，趨壁過程，以及在壁面的凝聚長大與脫落過程等規(guī)律研究尚未形成完整的理論體系，許多技術(shù)問題只能依靠實驗和經(jīng)驗。理應(yīng)加強此方面人才的培養(yǎng)，使實驗過程中得到的數(shù)據(jù)與有限元軟件模擬結(jié)果相結(jié)合，有利于完善理論與實驗數(shù)據(jù)的融合。

合理的幾何模型是電_放電特性研究的基礎(chǔ)，由于芒刺類電_形狀復(fù)雜，建模的困難，導(dǎo)致電場特性的數(shù)值計算比較困難。在數(shù)值模擬方法中建議利用半球面代替芒刺，以獲得電_表面靜電場分布。考慮到現(xiàn)有的有限元軟件還不能準確模擬出粒徑小于3μm的顆粒在湍流場中的運動軌跡和凝聚行為，得出的結(jié)論也存在_的誤差，要準確研究出靜電旋風(fēng)除塵器的機理仍然是采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法_為合理。