基于CFD的电除尘器（ESP）烟气分布与颗粒运动数值研究

FLS Airtech A/S（Niels F. Nielsen & Leif Lind）基于STAR‑CD的全尺度CFD模拟与防窜逃措施评估

关键词
电除尘器, CFD模拟, 气体分布筛网, 颗粒运动, 防窜逃挡板, STAR‑CD, 工业烟气治理, 排放达标

在工业烟气治理趋严的当下，电除尘器（ESP）的气流分布与颗粒迁移对排放达标与运行能耗具有直接影响。来自丹麦FLS Airtech A/S的Niels F. Nielsen 与 Leif Lind 利用商业CFD软件STAR‑CD，对全尺度ESP中气流场与颗粒运动开展了系统数值研究[1][2]，为工业场景中优化进口/出口锥体、分布筛网（gas distribution screens）及防窜逃挡板（anti‑sneakage baffles）提供了工程化方案依据。本文基于原文成果改写并结合中国市场应用进行拓展分析，以便工程师与决策者快速掌握要点并指导现场改造。研究采用1.5–2.5百万控制体的三维计算网格，以稳态、不可压缩、等温流体假设和标准k‑ε湍流模型求解，进口与出口筛网通过特定源项模型表示其三向力学影响，数据库含有基于筛网几何与攻角的经验阻力系数[1][3]。颗粒运动以稀薄悬浮假设进行后处理追踪，考虑重力与阻力、黏附碰撞但不含电力耦合，颗粒直径分为<5μm、5–25μm与>25μm三类用于评估窜逃风险。案例涵盖水泥窑/粉磨ESP与熟料冷却器ESP两种典型布置，平均通道气速约1.0–1.1 m/s，结果显示：合适设计的进口筛网与导流叶片可在入口场形成较均匀的轴向速度分布；收尘区中游由集尘板阻力起到平滑作用，而出口处若无针对性筛网常出现顶区速度峰值，易导致底部窜逃。针对窜逃问题，研究比较了在倒数第二与最后电场之间增设全高筛网的方案与在上下设置防窜逃挡板的方案。模拟表明：若中后段加装分布筛（下部开口率30%、中段60%、顶部关闭），小颗粒窜逃明显下降；而在顶部与底部设置防窜逃挡板能够将窜逃率从约15%降至低于1%（未计电场耦合情况下）[1]。对中国浆纸、钢铁、水泥与化工行业而言，这些结果具有直接工程价值：通过合理筛网与挡板布置可有效减少亚微米颗粒的旁路排放，降低因窜逃导致的超标风险；同时用CFD在设计阶段验证可减少物理模型制作成本，加快交付周期并降低运维期间因重捕抖落与再悬浮造成的运行能耗。结合艾尼科（Enelco）在极板、极线与电场优化方面的技术积累，工程上可进一步将CFD结果与电场耦合建模、电极形式优化（如极线、窄缝极板组合）、以及在线振打策略整合，形成“流场+电场+机械维护”的整体优化方案，从而在保证低排放的同时降低压降与能耗。展望未来，ESP设计将朝向电‑流耦合的高保真数值仿真、数字孪生实时监控与基于工况自适应筛网/挡板策略发展，为中国重点行业提供更加灵活且经济的烟气治理方案。本文改写并摘编自FLS Airtech的研究成果，旨在帮助国内工程实践将CFD技术更好地落地于排放达标与节能降耗的工程改造中。

参考文献
[1] Nielsen N.F., Lind L., Akoh E. & Hvid S.L., Numerical modelling of gas distribution in Electrostatic Precipitators, Proceedings of 8th International Conference on Electrostatic Precipitation, 2001, Birmingham, USA. [2] STAR‑CD manual, version 3.15, 2001, Computational Dynamics Ltd., London, UK. [3] Akoh E., STAR‑CD Source term model for lift and drag forces, DMI report EFP‑98/DMI‑98860, Danish Maritime Institute, 1998. [4] Launder B.E., Spalding D.B., The numerical computation of turbulent flow, Comp. Meth. in Appl. Mech. & Eng., 1974. [5] ICAC, Electrostatic Precipitator Gas Flow Model Studies, Publication EP‑7, 1997. [6] Nielsen N.F., Preliminary test simulations of modelling screens in electrostatic precipitators, FLS miljø report Doc. 00‑01208, 2000.