三维CFD电除尘器颗粒输运仿真及工业应用

基于FLS Airtech扩展模型的电场—流场—颗粒耦合研究（Leif Lind 等，FLS Airtech；P.S. Larsen，丹麦技术大学；E. A. Hove，FORCE Technology）

关键词
电除尘器, 三维CFD, 电场, 颗粒空电荷, 粉尘电阻率, 颗粒浓度场, 二次流, 湍流, 除尘效率, 节能降耗

随着中国环保监管趋严与重点行业减排目标的提升，电除尘器（ESP）作为燃煤、电炉、窑炉与工业锅炉烟气治理的核心设备，其除尘效率与运行成本成为企业关切的焦点。在此背景下，Leif Lind、Niels F. Nielsen（FLS Airtech A/S）、Poul S. Larsen（丹麦技术大学）与Elisabeth Akoh Hove（FORCE Technology）合作提出的三维耦合仿真模型，为深入理解电场、离子与颗粒空电荷、粉尘电阻率、颗粒浓度分布及湍流二次流等关键物理过程提供了有力工具[1]。该模型以商业CFD软件STAR-CD为基础，嵌入Zamany的电场与电流密度耦合算法，采用欧拉相（连续相）刻画多级颗粒浓度场，并将电体力作为动量方程的源项实现流场—电场耦合模拟[1,2,4]。仿真求解包涵泊松方程与连续性方程、含漂移与扩散的电离子与颗粒电荷输运方程，以及标准k-ε湍流模型以预测二次流与卷涡结构[5]。论文通过试验型与工业全尺寸ESP的验证显示：对于粒径较大、低电阻率粉尘，模型能准确预测电流-电压特性与排放；对于细颗粒和低浓度工况，因扩散充电模型和电荷积累表征的局限，收集效率预测仍需改进（作者计划引入更精细的扩散充电模型）[1,3]。仿真结果揭示若干对工程设计与运行有直接指导意义的结论：高电流密度有利于均化电流分布并强化二次流，但过高可能引发局部过载或火花；电极结构（如针排是否交错）显著影响横向速度分布、颗粒到达壁面的空间分布及局部电流不均匀性；颗粒空间电荷对电场形态有明显扭曲效应，从而改变输运路径与沉积图案[1]。对于中国的浆纸、钢铁、水泥与化工行业，这类三维耦合仿真可用于：精准评估不同电极（针式、线式、复合型）在既有布置下的实际电流分布与漏捕率；优化极间距、极板形状与运行电压以满足排放达标并降低压降与能耗；结合设备运行数据形成数字孪生，实现在线预警与维护优化，降低停机与维护成本。结合国内外厂商经验，艾尼科（Enelco）在极板表面改性、极线形状优化与电场均匀化方面具有成熟技术储备，能够将上述仿真成果转化为可实施的电极升级方案与改造服务，从而提升除尘效率、延长设备寿命并降低运维支出。展望未来，三维CFD与更精细的颗粒电荷模型、工业级数字化监测结合，将推动ESP从经验式调试向基于物理仿真的精细化设计与在线智能运行转变，尤其在细颗粒控制（如烟气脱硫后细颗粒、干法煅烧尾气）和高电阻率粉尘工况（如某些化工与陶瓷生产）中具有重要应用价值。总之，基于FLS Airtech扩展模型的三维耦合仿真为中国重点行业提供了一条兼顾节能降耗与达标排放的技术路径，并为设备改造与新建工程提供量化决策依据[1]。

参考文献
[1] Lind L., Nielsen N.F., Larsen P.S., Hove E.A., “Simulation of Particle Transport in Electrostatic Precipitators”, ICESP IX.
[2] Zamany J., “Modelling of particle transport in Commercial Electrostatic Precipitators”, Ph.D. Thesis, Technical University of Denmark, 1992.
[3] Southern Research Institute, “A mathematical model of Electrostatic Precipitation”, PB 246 188, April 1975.
[4] STAR-CD manual, version 3.15, Computational Dynamics Ltd., 2001.
[5] Launder B.E., Spalding D.B., “The numerical computation of turbulent flow”, Comput. Methods in Appl. Mech. & Eng., 1974.