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中国以煤炭为主的能源消费格局短期内难以改变,大气环境污染形势仍然十分严峻,因此,控制燃煤烟尘排放刻不容缓。干式电除尘器是控制燃煤烟尘排放的主流装置之一,对尘粒的收集效率可以达到99.5%以上,但是对微细尘粒的收集效率较低,主要原因是传统电除尘器(ESP)电场中产生的离子浓度低,微细尘粒荷电凝并几率低,造成了微细尘粒收集效果差的问题。涡旋电除尘技术是捕集微细尘粒的一种有效方法,它采用迎气流方向交错布置的涡旋型集尘板,将放电极布置在同排集尘板间隙的出口端,使烟气流在集尘板内表面形成涡旋,提高了放电电场中的离子浓度,可以促进了尘粒的荷电、碰撞、凝并和惯性分离,进而提高了微细尘粒的捕集效果。因此,该项技术解决了微细粉尘收集的难题,为解决大气烟尘污染问题提供技术支撑。由于涡旋型电除尘器(VEP)的荷电、凝并和收尘过程极为复杂,目前尚无比较准确实用的电凝并收尘效率理论计算模型。因此,本文根据紊流传质原理,构建了荷电粒子的二维输运方程、电凝并方程和电凝并收尘效率理论计算模型。通过对模型的计算求解,分析VEP内部流场特性和尘粒的运动特性,揭示荷电粒子的凝并规律和收尘规律。在理论研究的基础上,调控电场工作电压等物理参量,进行微细尘粒电捕集试验,为VEP的实际应用提供最佳设计参数。本文的主要研究内容和结论如下:1.加入紊流扩散、弥散、电风和场强分布不均等影响的因素,建立同极性荷电尘粒的二维输运方程和电凝并方程。结合边界条件,采用分离变量法求解输运方程,得到VEP收尘效率公式。耦合电凝并效率公式,得到适合VEP的电凝并收尘效率理论计算修正模型。2.利用MATLAB软件编程求解VEP电凝并收尘效率计算模型,揭示尘粒粒径di变化对尘粒的综合荷电量C、驱进速度ω、电凝并收尘效率η0的影响规律。当尘粒粒径增加时,尘粒的综合荷电量、驱进速度和电凝并收尘效率不断提高。由于电凝并收尘效率的计算值略大于试验收尘效率,两者都随尘粒粒径的增大而增加,两者相差的最大值和最小值分别为3.7%、0.2%;而Deustch计算收尘效率与试验收尘效率相差较大,两者相差的最大值和最小值分别为17.2%、4.5%。可见,电凝并收尘效率公式的计算值与实际更为接近。3.采用FLUENT软件模拟VEP的内部流场,多截面系统分析集尘板侧宽B,集尘板排距L、电场平均风速V等物理参量对流场特性的影响,揭示涡旋结构的演化规律;当B为15 mm、L为120 mm、V为3.4 m/s时,在集尘板排间隔中可形成4个左右稳定匀称的涡旋,且放电极附近为高风速湍流区域,集尘极附近为低风速层流区域,这种流场状态对尘粒的捕集最为有利。借助DPM模型,进一步分析尘粒粒径di、电场平均风速V、荷电状态对尘粒运动轨迹和捕集效率η′的影响,揭示尘粒运动轨迹的演化规律,得出各级尘粒的捕集效率。当电场工作电压为18 k V,di分别为1μm、2.5μm、4μm、10μm、15μm时,则尘粒的η′分别为67.4%、70.9%、75.7%、87.8%、94.8%。4.通过调控电场工作电压U、电场平均风速V、同排集尘板间隙D等物理参量,进行单因素和多因素离子浓度试验,研究离子的输运特性,确定这些物理参量与离子浓度ne的定量规律。在最优运行参数条件下,VEP放电电场中的ne为7.0×109/cm3以上,远远大于传统ESP电场中产生的离子浓度值。5.通过调控电场工作电压U、烟气停留时间T、集尘板排距L和有效集尘面积S等物理参量,进行单因素和多因素影响试验,从宏观角度研究这些物理参量对VEP收尘效率η和分级收尘效率η′的影响规律,寻求最佳设计参数。当U为18 k V,T为0.59 s,L为100 mm,S为1.13 m2时,η为90.4%;对于粒径为0-1μm、1-2.5μm、2.5-4μm、4-10μm、10-15μm的微细尘粒,η′分别为82.5%、84.4%、86.5%、90.6%、95.3%。6.采用粒子图像检测技术(PIV)从微观角度分析VEP内部的流场特性,揭示涡旋结构的演化规律。结果表明,在一定风速范围内,集尘板排间隔中形成了明显的涡旋区域和层流区域,有利于提高尘粒的荷电效果、凝并几率和捕集效率。风速增加,离子输运率增加,涡旋区域增大,有利于提高电场中的离子浓度和尘粒荷电凝并的几率,进而提高微细尘粒的捕集效率;但是,由于层流层变薄,不利于尘粒的捕集,尘粒容易发生二次飞扬。因此,风速必须控制在一定范围内。7.设计双电极VEP试验系统,通过改变电场工作电压U、烟气停留时间T和同排集尘板间隙D等物理参量,进行单因素和多因素影响试验,研究这些物理参量对尘粒捕集效率的影响规律,寻找最优设计参数。在最优运行参数条件下,双电极VEP对PM10、PM15的捕集效率分别为92.5%、93.1%。综上可知,与传统ESP相比,VEP可高效捕集微细尘粒,且体积大幅度减小,能耗降低,技术和经济优势明显,是一种极具应用潜力的新型电除尘器。