靜電旋風除塵器研究綜述

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，不僅導致大氣能見度的降低，還會給呼吸系統造成威脅，嚴重危害人體健康。各企業加強環保的認識和重視程度是走可持續發展道路的重要措施，效果明顯的除塵器來處理工業廢氣不但可以滿足不斷提高的大氣污染控制標準，還可以為企業營造良好的拴心留人的環境。靜電旋風除塵器（如圖1所示）是內加設高壓靜電場而構成的，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。近年來靜電旋風除塵技術得到了越來越多的關注和研究，主要適用于中小型工業及民用鍋爐、建材、冶金、化工等行業的污染治理和物料回收，它所帶來的經濟效益、環境效益和社會效益是非常顯著的。基于上述情況，本文總結了近十年以來，國內外尤其是國內靜電旋風除塵技術的發展以及研究現狀，介紹了靜電旋風除塵設備的顆粒沉積特性，電_形式，供電方式，數值模擬等相關內容，總結并提出了完善靜電旋風除塵技術的建議，為我國靜電除塵設備的日后發展提出展望。




一、國內外研究進展

1.1國外研究發展現狀國外對電除塵器的研究起步較早，研究范圍較廣，多數采用理論研究與試驗結合的方法，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。

初期的靜電旋風除塵器誕生于美國，它通過在旋風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，當進氣管入口風速較低時，即旋風筒內氣流速度較低，粉塵的滯留時間增加，靜電力發揮主導性作用，靜電旋風除塵器的效率提高顯著。Plucinski等的研究也證明在風速較低，灰塵顆粒直徑小時，靜電力的作用顯著。建立質量微分方程,運動微分方程應用到三區域理論聯合模式的各個分區,求解得出電旋風除塵分級效率的計算公式。Chi-Jen Chen研究了電旋風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。國外對于靜電旋風除塵器的文獻報道較少，系統的理論研究少見。

1.2國內研究發展現狀我國靜電旋風除塵器出現在20世紀90年代初，研究類型主要包括：SZD型組合電收塵器、切流反轉式電旋風除塵器、直流式電旋風除塵器以及其它形式的電旋風除塵器。由我國建材局合肥水泥研究設計院研制的“SZD型組合電收塵器”已經應用于實際工程，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：結構復雜，成本較高，不利維修等。切流反轉式、直流式以及其他型式的靜電旋風除塵器多為國內的各個大學研制，結構各顯特色，目前仍處于機理探索、性能實驗階段。

（1）靜電旋風除塵設備涉及一系列的基礎方程以及公式推導，這是研究靜電旋風除塵設備的基礎，同時對進行數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除塵器研究的基礎上理論分析并初步推導出了靜電旋風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，并總結出了靜電旋風除塵器模型的除塵效率公式。李濟吾利用靜電旋風除塵器中粒子的非線性微分方程描述動力學原理，通過混沌理論得到了關于分割粒徑的方程，該方程由切向速度，靜電旋風除塵器的筒半徑，內部電場強度和氣體的濃度等因素息息相關。經過試驗驗證對比結果發現，此方程可以用來對靜電旋風除塵器的優化設計并且能夠有效提高它的性能。

（2）近十年來，我國的靜電旋風除塵器在實際工程中有較多應用，創新成果顯著。李明華，魏明山，馬朝臣研究了靜電旋風微粒捕集器在柴油機上的應用，靜電旋風式微粒捕集器在柴油機進氣濾清器實現低阻進氣、壁面自動清潔、免維護等優點，降低了成本，具有重要意義的創新。楊新樂在理論和實驗基礎上探討了靜電旋風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除塵器結構、工作原理。通過建立的流體力學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，國內對靜電旋風除塵器的研究工作有所增加，各具特色，研究領域包括顆粒的沉積特性，電_形式，供電方式，數值模擬以及不同形式的靜電旋風除塵器的研究和應用方面的內容，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，以及一系列改進設備方面的相關研究。

二、除塵技術與機理

2.1沉積特性研究馬朝臣,李明華等都是應用實驗驗證法研究了電旋風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，得到了靜電旋風除塵器沉積特性和收集效率之間的關系。兩文獻通過不同的試驗模型均證明：若增加氣流含塵濃度，伴隨運行時間的延長，與放電_對應的收塵_板上的沉積量逐漸增加，除塵效率會呈現下降趨勢。不同尺寸結構的靜電旋風除塵器中在入口風速達到_值時,可利用高速旋轉氣流對壁面的沖刷和顆粒之間的碰撞實現自動清灰功能。



2.3脈沖供電方式使用脈沖供電的靜電旋風除塵器對微細粉塵的除塵具有較大優勢，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、入口風速、入口粉塵濃度情況下,供電方式對電旋風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除塵器的分級除塵效率提高20%以上。

2.4數值模擬采用數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_電子發射材料作為發射_（直徑為10~20mm）的無電暈式高溫靜電旋風除塵器模型，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，李濟吾應用靜電學、流體力學、計算數學等理論建立了旋風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_條件下并經實驗驗證的除塵器內三維速度數值模擬結果。蔡建偉又利用五孔球形探針系統對直筒式旋風靜電除塵器模型的三維流場進行了測定與分析。結果表明：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，驗證了在入口風速，供電電壓，筒體直徑的變化對應的旋風靜電除塵器內氣流的切向速度和徑向速度軸向速度增減趨勢。


2.5復合式的靜電旋風除塵器復合式電旋風除塵器是一種多級除塵的一體化設備，該技術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段有機結合而制成的。劉偉軍，曹偉武，張書華等]研究了切流反轉式電旋風除塵器,它是復合式電旋風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驗范圍值；分析總結了運行中應注意的問題。劉偉軍，韓家德借前人研究成果深入分析了切流反轉式電旋風除塵器的除塵機理，經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式電旋風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脈沖靜電除塵器的電壓、入口粉塵濃度、入口風速、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據，結論證明了脈沖供電對靜電旋風除塵器的效率的提高作用顯著。劉偉軍對切流反轉復合式電旋風除塵器的模化理論分析推導出了冷態漠化的相似準則，提出靜電離心分離相似準則Sel，復合式電旋風除塵器冷態模型（流量為12000m3/h）冷態實驗研究，建立近似模化條件并對大量實驗數據進行多元線性回歸分析，給出除塵總效率和總阻力系數實驗準則關系式。劉偉軍理論和實驗研究了反轉式電旋風除塵器顆粒凝聚規律，凝聚規律受顆粒種類、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

靜電旋風除塵器適合中國國情發展的需要，特別是針對現階段我國嚴峻的環境形式，切實可行的工業除塵設備顯得尤為重要。但因各地區環保政策執行力度的欠缺，以及不利于運行和維護等缺點，使得這種有效的靜電旋風除塵設備很少真正的應用于實際工程中，因此，靜電旋風除塵技術應該作為工業中小型除塵領域重點發展的技術。

縱觀靜電旋風除塵器的論文可知，關于陽_板的介紹甚少，多數以靜電旋風除塵器外筒壁作為陽_板，無需振打，以旋轉氣流沖刷壁面除塵。建議研究采用碳纖維和硅纖維材料編織而成的膜，作為靜電旋風除塵器的陽_板，它相比鋼質_板，膜收塵有利于減少二次飛揚的產生，_，能夠支持220°C的高溫，利于捕捉粒徑＜2.5μm的微細粉塵等優點。旋風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律研究尚未形成完整的理論體系，許多技術問題只能依靠實驗和經驗。理應加強此方面人才的培養，使實驗過程中得到的數據與有限元軟件模擬結果相結合，有利于完善理論與實驗數據的融合。

合理的幾何模型是電_放電特性研究的基礎，由于芒刺類電_形狀復雜，建模的困難，導致電場特性的數值計算比較困難。在數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，得出的結論也存在_的誤差，要準確研究出靜電旋風除塵器的機理仍然是采用實驗與數值模擬相結合的方法_為合理。