静电除尘器可吸入颗粒物PM10捕集效率的确定方法

摘要

本发明涉及一种静电除尘器可吸入颗粒物PM10捕集效率的确定方法，以线板式静电除尘器简化模型为研究对象，同时计入了电场荷电和扩散荷电，建立了静电除尘器内流场、电场和颗粒场的数学模型，通过FLUENT加载模型和自定义函数来实现，采用FVM方法进行数值计算，应用Deutsch-Anderson方法计算了PM10颗粒群的分级效率，最后利用最小二乘法对PM10颗粒群的分级效率随颗粒粒径变化的曲线进行了威布尔分布拟合，经验证该拟合方法精度高，可以作为静电除尘器PM10捕集效率计算方法的参考，大大提高除尘效率的预测性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种环境污染技术问题，特别涉及一种静电除尘器可吸入颗粒物PM10捕集效率的确定方法。

背景技术

随着工业的迅速发展，可吸入颗粒物（PM10）污染日益严峻。PM10不仅会降低空气质量，引发全球性气候变化，而且还会诱发人体各种疾病。静电除尘器对PM10具有较高的捕集效率，然而ESP排放颗粒物中PM10仍然占据了很大比重，对ESP中PM10捕集的研究十分重要。目前国内外学者针对静电除尘器PM10捕集开展了一系列的工作，利用各种不同的方法、从不同的侧面对静电除尘器PM10捕集的特性进行了探索。

发明内容

本发明是针对现有可吸入颗粒物（PM10）污染日益严峻的问题，提出了一种静电除尘器可吸入颗粒物PM10捕集效率的确定方法，结合国内外静电除尘器的理论研究和工程背景，建立了静电除尘器PM10捕集效率的数学模型，应用Deutsch-Anderson方法计算了PM10分级效率，并以此为基础对PM10分级效率变化曲线进行了威布尔分布拟合，经验证该拟合方法精度高。

本发明的技术方案为：一种静电除尘器可吸入颗粒物PM10捕集效率的确定方法，方法包括如下具体步骤：

1）建立模型：线板式静电除尘器通道的电场由两组平行的收尘极板和位于其正中央的一排等间距的电晕线组成，选取通道收尘极板作为模拟对象；

2）将收尘极板沿气流方向上分成                                                区段，其中由收尘极板上被捕捉的粒径下的颗粒数决定，定义 为第收尘极板区段的长度：

式中，是沿气流方向上，从静电除尘器电场的入口开始计数，第被捕集的某粒径颗粒在收尘极板上着落点的横坐标值，另外，当时，；当时，；

3）电场关于电晕线所在中心轴对称，选取对称轴上侧半平面作为计算区域，使用GAMBIT软件对计算区域进行包括网格划分在内的离散，划分成结构化网格，对电晕线附近电压梯度高的区域进行网格进一步细化；

4）第粒径粉尘在第除尘区段中的除尘效率可以表示为：；式中，为第粒径粉尘的迁移速度；为第除尘区段对应的除尘面积，；为烟气流量，；为电晕线与收尘极板间的距离；为静电除尘器电场的高度；为入口处烟气流速，将与代入上式，可得简化了的公式：  ；第粒径粉尘沿整个收尘极板长度上的除尘效率，即分级除尘效率，可以表示为：，式中，为第除尘区段对应的空间区域里，第粒径粉尘的颗粒浓度，当时，，代表静电除尘器入口处的第粒径粉尘颗粒浓度；

5）设分级效率随颗粒粒径变化的曲线满足威布尔分布：

式中：是静电除尘器对不同粒径的颗粒的分级除尘效率，、分别为颗粒粒径的最小值和相应的分级效率；、为威布尔分布的形状参数和尺度参数；

6）对步骤5）中公式进行简成线性关系后再进行最小二乘法拟合，求出威布尔分布的形状参数和尺度参数，便可确定速度位移曲线；

7）根据确定的速度位移曲线，得到分级效率随颗粒粒径变化的曲线拟合公式为：，求得分级效率随颗粒粒径变化的曲线。

本发明的有益效果在于：本发明一种静电除尘器可吸入颗粒物PM10捕集效率的确定方法，建立了静电除尘器PM10捕集效率的数学模型，应用Deutsch-Anderson方法计算了PM10分级效率，并以此为基础对PM10分级效率变化曲线进行了威布尔分布拟合，经验证该拟合方法精度高，可以作为静电除尘器PM10捕集效率计算方法的参考，大大提高除尘效率的预测性。

附图说明

图1为线板式静电除尘器电场的结构简化模型图；

图2为线板式静电除尘器部分电场的网格划分图；

图3为本发明分级效率随粒径的变化以及威布尔拟合图。

具体实施方式

静电除尘器PM10捕集效率的求解：

首先对静电除尘器流场、颗粒场和电场的求解：流场、颗粒场和电场的基本守恒方程：质量守恒方程、动量守恒方程、电流连续性方程和泊松方程，为了便于对上述控制方程进行分析，建立了控制方程的通用形式。用表示通用变量，控制方程可以表示为：

                 (1)

式中，——空气密度；——通用变量，可以代表各方向速度分量； ——广义扩散系数；——广义源项，——哈密顿算子。式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项，对于特定的方程, ，，也具有特定的形式。对于连续性方程，取；对于动量方程，取，、为各方向速度分量；对于两方程湍流模型，；对于电流连续性方程，取；对于泊松方程，取；，指标取值范围是（1，2，3），，根据而定。

对控制方程（1）采用有限体积离散，根据计算网格，在控制体积及时间段（时间从到）上积分并引入Guass散度定理，则求解积分形式的守恒方程通用形式如下：

       (2)

式左边第一项表明变量的总量在控制体积内随时间的变化量，左边第二项表示变量因对流而引起的沿控制体表面外法线方向的流出率。右边第一项是扩散项的积分——控制体内变量因扩散引起的净增加量，右边第二项是源项的积分——控制体内由于产生、耗散或其他原因源项引起的变量净增加量，——涡量，。

因此，通过（2）式在设定入口流速和工作电压的情况下进行迭代求解，直至求得的速度场满足连续性方程，得出此时刻的各颗粒y向速度作为颗粒迁移速度的计算值，并由此迁移速度计算出静电除尘器对PM10的分级效率。

其次对除尘效率的求解：将收尘极板沿气流方向上分成区段，其中由收尘极板上被捕捉的某粒径下的颗粒数决定。当然，区段取得越密集，计算精确度越好。定义为第收尘极板区段的长度：

                  (3)

式中，是沿气流方向上，从静电除尘器电场的入口开始计数，第被捕集的某粒径颗粒在收尘极板上着落点的横坐标值。另外，当时，；当时，。

第粒径粉尘在第除尘区段中的除尘效率可以表示为：

                                             (4)

式中，为第粒径粉尘的迁移速度（或趋近速度），通常比烟气入口流速方向上的速度低一个数量级；为第除尘区段对应的除尘面积，；为烟气流量，；为电晕线与收尘极板间的距离；为静电除尘器电场的高度；为入口处烟气流速。

将与代入上式，可得简化了的公式：

                                             (5)

那么，第粒径粉尘沿整个收尘极板长度上的除尘效率，即分级除尘效率（或分级效率），可以表示为：

                                             (6)

式中，为第除尘区段对应的空间区域里，第粒径粉尘的颗粒浓度。当时，，代表静电除尘器入口处的第粒径粉尘颗粒浓度。最后，根据静电除尘器电场一个通道单对收尘极板的除尘效率计算值估算全场的除尘效率。

应用软件求解过程：

首先模型的建立和求解区域离散：线板式静电除尘器单个通道的电场由两组平行的收尘极板1和位于其正中央的一排等间距的电晕线2组成，选取位于通道最前部的一对收尘极板作为模拟对象，如图1所示。选取电晕线到收尘极板间的距离，电晕线间距离，电晕线半径。烟气水平流入，水平流出。

由于电场关于电晕线所在中心轴对称，选取对称轴上侧半平面作为计算区域。使用GAMBIT软件对计算区域进行离散，划分成有个控制容积的结构化网格。电晕线附近电压梯度很高，特别得将此区域网格进一步细化。计算区域的第一象限中的网格，如图2所示。

其次边界条件的设置：通常认为入口处湍流已经充分发展，入口气流在截面上均匀分布，采用速度进口边界条件。收尘极板表面采用无滑移边界条件，而近壁面处粘性作用增强，湍流扩散作用减弱，因而采用标准壁面函数法。粉尘颗粒离散相在入口与出口处的边界条件为逃逸，而电晕线表面为反射，收尘极板表面为捕捉。认为空间电荷密度为常数，将进口、出口、电晕线表面和收尘极板内表面的空间电荷密度边界条件设置为。线板式静电除尘器边界条件如表1所示线板式（线管式）静电除尘器边界条件。

表1

 x-速度y-速度工作电压空间电荷密度颗粒相进Escape出PressurePressureEscape电晕线No slipNo slipReflect收尘极板No slipNo slipTrap

威布尔分布函数下的粒径—分级效率曲线拟合：

下面结合数据点给出PM10分级效率曲线的拟合方法，并对拟合曲线的精准度进行验证。选取工况为：工作电压，烟气入口流速，粉尘粒径范围，并且符合Rosin-Rammler分布。

设分级效率随颗粒粒径变化的曲线满足威布尔分布：

                                      (7)

式中：是静电除尘器对不同粒径的颗粒的分级除尘效率，、分别为颗粒粒径的最小值和相应的分级效率；、为威布尔分布的形状参数和尺度参数。

对于式（7）变化，将其化简成线性关系：

                                           (8)

式中：

再进行最小二乘法拟合，计算出和的值，并求出威布尔分布的形状参数和尺度参数，便可确定速度位移曲线。

针对图3中的数据点，结合上述方法，得到分级效率随颗粒粒径变化的曲线拟合公式为

             (9)

根据式（9）求得分级效率随颗粒粒径变化的曲线，如图3所示。

以为例，代入粒径分级效率曲线拟合公式（9），得到颗粒的分级效率（图3中的空心圆点），本文通过数值计算得到的颗粒分级效率为，以拟合公式的计算结果为基准，计算误差为：

                (10)

可见由本文静电除尘器分级效率数值计算及其威布尔分布拟合公式的确定方法切实可行，PM10分级效率随颗粒粒径变化的拟合公式具有高的精确度。