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《浙江大学》 2016年
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电除尘器中带电粒子运动轨迹及流场分析

宁致远  
【摘要】:自20世纪开始,电除尘器(Electrostatic Precipitator)做为烟气处理装置在工业中就有着广泛的应用。相比其他处理手段,有着高效率,低运行费用,维护方便等优势。然而现有电除尘器依然需要进一步改造,尤其需要提高对于细颗粒物的捕集效率,以应对日趋严峻的环境问题和不断提升的相关排放标准。电除尘器的基本原理为利用电晕放电使颗粒荷电,并利用静电场驱进荷电颗粒,使颗粒附着在收尘极上从而去除。其中的不利因素在于由电晕放电引起的离子风会改变内部流场的形态,使内部流场由均匀分布的层流变为复杂的湍流。其不仅使颗粒的运动更加难以预测,也使得收尘效率受到不可忽视的影响。湿式电除尘器(Wet Electrostatic Precipitator)使用沿收尘极板壁面的均匀水膜来达到清灰的目的。大部分湿式电除尘器壁面的水流方向垂直于流场方向,其流动会更进一步复杂化内部流场。为更好的理解电除尘器内部颗粒在上述复杂物理条件下的运动状态,从而有针对性的提升电除尘器的效率,电除尘器内部流场优化必须做为设计运行中的考量因素之一。目前热门的用于实验室规模电除尘器流场可视化的设备有激光-多普勒速度计(Laser-Doppler velocimetry)以及粒子成像测速仪(Particle Image Velocimetry)等。Mizeraczyk等使用2维及3维PIV分别研究一次流均匀分布的情况下离子风对电除尘器内部流体的影响。并且对其他影响因素,如不同粒径的颗粒物收集、极线排布方式及不同施加电压等也有研究报道。根据他们的结果,电除尘器内部流体在离子风的干扰下会变得相当复杂,同时导致内部粒子运动轨迹变得难以预测。本论文从工业角度出发,首先利用统计学与正交实验方法,定量分析并指出电除尘器中对收尘效率有主要影响的两种因素(间距和电压)。在此基础上使用PⅣ方法在自行开发的小型湿式电除尘器上进行了流场诊断分析,将内部的颗粒运动及流场变化可视化,结果表明,在湿式电除尘器中,离子风带来的二次流及极板水膜流动均能对一次流产生重要影响,进而也会明显的影响收尘效率。传统的电除尘器中,由于线电极都是布置于极板中心,仅极板间距和电极形式有区别。因此其内部的流场形态也基本相同。若要进一步提升效率,则需要进行流场优化以减少原流场形态对一次流的阻碍。因此考虑采用新型的极线配置方案,以对不可避免产生的离子风进行有效利用,使内部流场得到合理配置。为达到这一目的,现有电除尘器必须经过改造,而最简单的做法则是将现有电除尘器中的相邻极板移除,这样做的好处是满足设计产生的流场形态的同时减少了设备投资,并且后续实验结果表明该方案具有进一步提升效率的潜力。在确定了涡流对除尘效率的影响后,实验首先对移除极板的干式电除尘器进行了流场测试,结果表明,在非中心轴线上布置极线可以有效的改变内部流场的形态,并且与以往的流场形态不同的是,离子风造成的涡流并未阻碍了整体内部流场的运动,而是对一次流进行了有效的疏导,增加了一次流的流道长度。其原理类似于废水处理时净水器中的折流板。在离子风形成的不对称涡流阻挡的作用下,能够使一次流流道增长。收尘效率的结果也表明,流道优化过后的电除尘器不仅能够以一半的收尘面积达到原有电除尘器的收尘效率,并且由于间距增加,火花放电几率减小,潜在收尘能力相比改造前更高。而实际对流场进行改造的方案有无数种可能,一一实验验证受到很多方面的限制,因此为了快速得到结果,开始考虑使用数值模拟的方案对电除尘器内部流场和颗粒物轨迹进行仿真。本文随后采用COMSOL方案成功再现出湿式电除尘器内部在离子风影响条件下的流场形态。为后期进一步流场优化奠定了基础。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:X701.2

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