静电旋风除尘器研究综述

近年来，随着我国城市化进程的推进，能源消耗呈快速增长的趋势，导致粉尘等颗粒物成为城市大气的主要污染物，特别是PM2.5这类不易沉降的粉尘，不仅导致大气能见度的降低，还会给呼吸系统造成威胁，严重危害人体健康。各企业加强环保的认识和重视程度是走可持续发展道路的重要措施，效果明显的除尘器来处理工业废气不但可以满足不断提高的大气污染控制标准，还可以为企业营造良好的拴心留人的环境。静电旋风除尘器（如图1所示）是内加设高压静电场而构成的，利用离心力和电场力的双重作用来收集粉尘颗粒的除尘器。与电除尘器相比，占地面积小，成本低，效率高；与旋风除尘器相比，在原有的除尘器中又形成高压静电场，解决了旋风除尘器不利于捕集微细粉尘（粒径小于5μm）的弊端问题，除尘效率_高。近年来静电旋风除尘技术得到了越来越多的关注和研究，主要适用于中小型工业及民用锅炉、建材、冶金、化工等行业的污染治理和物料回收，它所带来的经济效益、环境效益和社会效益是非常显著的。基于上述情况，本文总结了近十年以来，国内外尤其是国内静电旋风除尘技术的发展以及研究现状，介绍了静电旋风除尘设备的颗粒沉积特性，电_形式，供电方式，数值模拟等相关内容，总结并提出了完善静电旋风除尘技术的建议，为我国静电除尘设备的日后发展提出展望。




一、国内外研究进展

1.1国外研究发展现状国外对电除尘器的研究起步较早，研究范围较广，多数采用理论研究与试验结合的方法，其中对电场特性、除尘效率、粒子运动研究和模拟方法的研究较为深入。

初期的静电旋风除尘器诞生于美国，它通过在旋风除尘器排气管中心加一根放电_来抑制粉尘随气流的逸出。Dietz等对逆流式旋风除尘器研究了气旋几何形状的变化，湍流混合气体的变化，粉尘滞留时间的影响等因素。研究了除尘器内静电力随气体流速的降低而提高，除尘效率也显著提高。Boericke等研究同样表明，当进气管入口风速较低时，即旋风筒内气流速度较低，粉尘的滞留时间增加，静电力发挥主导性作用，静电旋风除尘器的效率提高显著。Plucinski等的研究也证明在风速较低，灰尘颗粒直径小时，静电力的作用显著。建立质量微分方程,运动微分方程应用到三区域理论联合模式的各个分区,求解得出电旋风除尘分级效率的计算公式。Chi-Jen Chen研究了电旋风除尘器分级效率在不同的进口速度和灰尘颗粒粒径下的影响，由电场力作用下粒子的驱进速度研究电场力对分级效率的作用，由离心力作用下的沉降速度研究离心力对分级效率的作用。国外对于静电旋风除尘器的文献报道较少，系统的理论研究少见。

1.2国内研究发展现状我国静电旋风除尘器出现在20世纪90年代初，研究类型主要包括：SZD型组合电收尘器、切流反转式电旋风除尘器、直流式电旋风除尘器以及其它形式的电旋风除尘器。由我国建材局合肥水泥研究设计院研制的“SZD型组合电收尘器”已经应用于实际工程，除尘效率高达99.98%，处理粉尘浓度达150gNm-3，颇具代表性。但是它也存在_的弊端问题，例如：结构复杂，成本较高，不利维修等。切流反转式、直流式以及其他型式的静电旋风除尘器多为国内的各个大学研制，结构各显特色，目前仍处于机理探索、性能实验阶段。

（1）静电旋风除尘设备涉及一系列的基础方程以及公式推导，这是研究静电旋风除尘设备的基础，同时对进行数值模拟方面的研究提供了必要的理论支持。罗建军等在前人对静电旋风除尘器研究的基础上理论分析并初步推导出了静电旋风除尘器的电场强度和尘粒的荷电能力计算公式，通过作用在尘粒上的力计算出了尘粒的移动速度，并总结出了静电旋风除尘器模型的除尘效率公式。李济吾利用静电旋风除尘器中粒子的非线性微分方程描述动力学原理，通过混沌理论得到了关于分割粒径的方程，该方程由切向速度，静电旋风除尘器的筒半径，内部电场强度和气体的浓度等因素息息相关。经过试验验证对比结果发现，此方程可以用来对静电旋风除尘器的优化设计并且能够有效提高它的性能。

（2）近十年来，我国的静电旋风除尘器在实际工程中有较多应用，创新成果显著。李明华，魏明山，马朝臣研究了静电旋风微粒捕集器在柴油机上的应用，静电旋风式微粒捕集器在柴油机进气滤清器实现低阻进气、壁面自动清洁、免维护等优点，降低了成本，具有重要意义的创新。杨新乐在理论和实验基础上探讨了静电旋风除尘器去除少量焦油的几种可行方法。通过提出的方法使焦油达标排放。魏章斌等介绍了脉冲供电方式的静电旋风除尘器结构、工作原理。通过建立的流体力学方程来分析脉冲电晕放电的特点，实验和理论验证了利用脉冲静电旋风除尘器净化分子筛尾气的可行性，有利于解决催化剂厂尾气排放_标问题，具有实际意义。
近十年来，国内对静电旋风除尘器的研究工作有所增加，各具特色，研究领域包括颗粒的沉积特性，电_形式，供电方式，数值模拟以及不同形式的静电旋风除尘器的研究和应用方面的内容，提出了较为新颖的思路。但研究方向主要集中在理论机理研究与模拟，以及一系列改进设备方面的相关研究。

二、除尘技术与机理

2.1沉积特性研究马朝臣,李明华等都是应用实验验证法研究了电旋风除尘器的壁面沉积特性，马朝臣,李明华利用Kompton背散射法归纳收集器和捕集器的清洗原理，得到了静电旋风除尘器沉积特性和收集效率之间的关系。两文献通过不同的试验模型均证明：若增加气流含尘浓度，伴随运行时间的延长，与放电_对应的收尘_板上的沉积量逐渐增加，除尘效率会呈现下降趋势。不同尺寸结构的静电旋风除尘器中在入口风速达到_值时,可利用高速旋转气流对壁面的冲刷和颗粒之间的碰撞实现自动清灰功能。



2.3脉冲供电方式使用脉冲供电的静电旋风除尘器对微细粉尘的除尘具有较大优势，有效地降低了烟尘排放浓度,对提高针对微细粉尘静电旋风除尘效率的进一步研究提供了广阔前景。熊正明，肖惠海等、均研究了在相同工作电压、入口风速、入口粉尘浓度情况下,供电方式对电旋风除尘器除尘性能的影响。从实验测的出口粉尘浓度看，脉冲供电有效地提高电旋风除尘器的除尘效率,相对于直流供电效率提高0.1%~1%。对于粒径小于1~2μm的粉尘,脉冲供电比直流供电的电旋风除尘器的分级除尘效率提高20%以上。

2.4数值模拟采用数值模拟研究方法容易对随时_改的仿真模型方便模拟，汤光华等介绍了一种特殊的热阴_电子发射材料作为发射_（直径为10~20mm）的无电晕式高温静电旋风除尘器模型，在相同切向入口速度情况下采用标准k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,模拟计算除尘器内部0°和180°沿径向（即在x轴上不同位置）的三维流场的速度和压力分布情况。蔡建伟，李济吾应用静电学、流体力学、计算数学等理论建立了旋风静电除尘器单相准三维湍流的k-ε模型。采用控制容积法对其进行离散，用SIMPLE法求解流场分布，编程模拟计算，得出_条件下并经实验验证的除尘器内三维速度数值模拟结果。蔡建伟又利用五孔球形探针系统对直筒式旋风静电除尘器模型的三维流场进行了测定与分析。结果表明：供电电压的大小对流场分布形状影响不大,但对切向、径向和轴向的速度大小的影响明显，验证了在入口风速，供电电压，筒体直径的变化对应的旋风静电除尘器内气流的切向速度和径向速度轴向速度增减趋势。


2.5复合式的静电旋风除尘器复合式电旋风除尘器是一种多级除尘的一体化设备，该技术在近年来得到了越来越多深入的研究，它利用荷电颗粒的凝聚和电场抑制作用，通过离心力、电场力、惯性力和重力在不同区段有机结合而制成的。刘伟军，曹伟武，张书华等]研究了切流反转式电旋风除尘器,它是复合式电旋风除尘器的一种典型类型，分别测试了单筒线电_和双筒针刺电_伏安特性、运行耗功、阻力性能、总除尘效率的运行性能，得出了伏安特性、除尘效率、流动阻力等一些有价值的运行经验范围值；分析总结了运行中应注意的问题。刘伟军，韩家德借前人研究成果深入分析了切流反转式电旋风除尘器的除尘机理，经计算和试验对比验证了文中提出的除尘效率的计算方法的可行性，并确立了可供实际工程参考的切流反转式电旋风除尘器除尘效率的计算公式。董冰岩实验研究并分析了直筒式旋风脉冲静电除尘器的电压、入口粉尘浓度、入口风速、分级除尘效率以及脉冲供电下除尘器的除尘机理，获得了准确的实验数据，结论证明了脉冲供电对静电旋风除尘器的效率的提高作用显著。刘伟军对切流反转复合式电旋风除尘器的模化理论分析推导出了冷态漠化的相似准则，提出静电离心分离相似准则Sel，复合式电旋风除尘器冷态模型（流量为12000m3/h）冷态实验研究，建立近似模化条件并对大量实验数据进行多元线性回归分析，给出除尘总效率和总阻力系数实验准则关系式。刘伟军理论和实验研究了反转式电旋风除尘器颗粒凝聚规律，凝聚规律受颗粒种类、荷电性、黏附性等因素影响而不同。实验证明了提高荷电电压和增加粉尘浓度两种方法，都可以增强颗粒的凝聚作用，从而使离心分离作用加大，除尘效率提高。

三、建议与展望

静电旋风除尘器适合中国国情发展的需要，特别是针对现阶段我国严峻的环境形式，切实可行的工业除尘设备显得尤为重要。但因各地区环保政策执行力度的欠缺，以及不利于运行和维护等缺点，使得这种有效的静电旋风除尘设备很少真正的应用于实际工程中，因此，静电旋风除尘技术应该作为工业中小型除尘领域重点发展的技术。

纵观静电旋风除尘器的论文可知，关于阳_板的介绍甚少，多数以静电旋风除尘器外筒壁作为阳_板，无需振打，以旋转气流冲刷壁面除尘。建议研究采用碳纤维和硅纤维材料编织而成的膜，作为静电旋风除尘器的阳_板，它相比钢质_板，膜收尘有利于减少二次飞扬的产生，_，能够支持220°C的高温，利于捕捉粒径＜2.5μm的微细粉尘等优点。旋风气流可以引起膜振动使沉积在膜表面的颗粒随气流进入灰斗收集，亦不用振打，有效提高粉尘的去除效率。

静电和旋风的耦合场综合作用下的微粒运动状况相对模糊，对尘粒在静电旋风除尘器中的浓度分布，趋壁过程，以及在壁面的凝聚长大与脱落过程等规律研究尚未形成完整的理论体系，许多技术问题只能依靠实验和经验。理应加强此方面人才的培养，使实验过程中得到的数据与有限元软件模拟结果相结合，有利于完善理论与实验数据的融合。

合理的几何模型是电_放电特性研究的基础，由于芒刺类电_形状复杂，建模的困难，导致电场特性的数值计算比较困难。在数值模拟方法中建议利用半球面代替芒刺，以获得电_表面静电场分布。考虑到现有的有限元软件还不能准确模拟出粒径小于3μm的颗粒在湍流场中的运动轨迹和凝聚行为，得出的结论也存在_的误差，要准确研究出静电旋风除尘器的机理仍然是采用实验与数值模拟相结合的方法_为合理。