面向工程设计的湿式静电除尘器CFD建模新进展

基于TU Dortmund同轴线-管湿式ESP电场与颗粒沉降全过程数值模拟的工程启示

关键词
静电除尘器,湿式ESP,CFD数值模拟,同轴线管电极,颗粒空间电荷,电晕淬灭,高湿烟气治理,工业除尘工程设计

在燃煤电厂、钢铁、水泥以及石化等高排放行业中，要在有限的能耗下实现超低排放，静电除尘器（ESP）依然是主力技术之一。典型燃煤机组中，ESP用于粉尘和酸雾控制的电耗通常不到机组发电功率的0.1%，却能实现99%以上的收尘效率[1]。但与其“简单好用”的工程印象相反，ESP的本质是电场、流场和颗粒场强耦合的复杂多物理过程，仅靠经验公式和类比设计，已经越来越难以满足超净排放和复杂工况下的性能优化需求。

针对这一痛点，德国多特蒙德工业大学（TU Dortmund）的Sven Kaiser与Hans Fahlenkamp团队提出，通过商业CFD平台将Maxwell方程组与Navier–Stokes方程组强耦合，结合颗粒荷电与空间电荷演化，构建可用于工程设计的湿式静电除尘器数值仿真工具。其研究对象为同轴线-管结构的湿式ESP（wet ESP），重点模拟电晕放电、离子迁移、颗粒荷电与沉降、电流-电压特性以及颗粒空间电荷对电场分布的反馈影响，为实际工程中湿式ESP的结构优化和运行参数选型提供更具物理基础的决策依据。

与干式ESP不同，湿式ESP多用于高湿或饱和烟气工况，比如烟气深度脱硫后高湿除尘除雾，或酸雾、有机雾滴的末端治理。此时收集极表面持续被液膜冲洗，粉尘不形成高比电阻的积灰层，电场分布相对稳定。研究中选取经典的同轴线-管结构：中心细线为电晕极，外侧圆管内壁为接地收集极。由于颗粒一旦被捕集即随液膜带走，不再参与后续过程，作者采用稳态模型来描述电流、电场与颗粒沉积，在工程意义上更贴近连续运行条件下的平均行为。

在多相建模策略上，烟气和离子空间电荷作为欧拉相，用连续介质描述；颗粒采用拉格朗日跟踪。这样一方面可以通过求解Navier–Stokes方程得到气流场，另一方面在同一网格系统内求解Poisson方程，计算由电晕极电位与空间电荷共同决定的电势分布，进而得到电场强度。电场力以体积源项的形式加入到流体动量方程中，用以反映“电风”对流场的影响[4]。电荷密度则既是Poisson方程的源项，又参与电流连续方程，是将电场与流场耦合在一起的关键变量。

离子空间电荷的形成，来源于电晕线附近的放电区。研究采用Peek经验公式[5]，认为电晕线表面电场达到气体击穿电场时开始产生活性离子。离子在漂移区的运动以电迁移为主，叠加随气流和湍流的输运。作者通过定义离子相相对气相的滑移速度，将离子漂移速度与局部电场和离子迁移率联系起来，从而在给定电压与几何参数下，自洽地求解出空间电荷分布、电场分布和电流密度分布，并满足电流连续条件∇·j=0。这一处理方式与大量理论和实验工作是一致的[4,7,8]，但其创新点在于全部在商业CFD软件ANSYS CFX中实现，为工程师在工业平台上直接搭建湿式ESP模型铺平了道路。

颗粒动力学方面，作者采用Lawless提出的场增强扩散荷电模型[9]，同时考虑扩散荷电和场荷电两个机制。在粒径小于1 μm时，扩散荷电占主导；粒径较大时，场荷电影响增强。数值上，离子从欧拉相“吸附”到颗粒拉格朗日相，相当于从气相中移除一部分离子，用它们在颗粒上累积的净电荷来表征颗粒荷电量。颗粒运动方程中显式加入静电力项F_elec = q·E_p，以及通过Schiller–Naumann关联式计算的气固阻力，实现颗粒在复合场中的轨迹追踪。一旦颗粒与接地管壁发生碰撞，即视为成功捕集，不再返回流场。通过统计各粒径段撞击收集极的颗粒数，可计算相应的分级沉降效率，进而推算总体除尘效率。这为湿式ESP在不同进气粒径谱、粉尘浓度和电压下的性能预测提供了物理一致的工具。

为验证模型的可靠性，研究首先选用Blejan等人[10]实验研究的短管同轴ESP结构进行对比。该实验装置为长度198 mm、内径40 mm的圆管，电晕线直径0.18 mm，粉尘负荷较低，可忽略颗粒空间电荷效应。数值模型在相同几何和工况条件下进行模拟，得到的电流-电压曲线与实验数据高度一致，表明在无明显颗粒空间电荷影响时，模型对电晕放电、电场分布及电流响应已有较好再现能力。

在颗粒荷电与沉降行为方面，作者给出一个1 μm粒径颗粒沿程荷电随时间变化的示例。结果显示，颗粒荷电量在极短时间内迅速超过相应位置的场荷电饱和值，表明扩散荷电在这一粒径区间占绝对主导地位。随着颗粒荷电量增加，静电力将其加速偏向收集极，颗粒在漂移区内轨迹明显向外径向偏转。将长度为1 m、内径0.25 m的同轴管作为测试几何，在入口均匀注入0.1–100 μm颗粒（按粒径段数量均匀分布）并保持入口速度2 m/s，分别在25 kV与35 kV下模拟沉降效率，可以看到：同一粒径下，高电压工况沉降效率整体更高；而对所有工况，沉降效率随粒径增加而提升，与工程经验高度吻合。这说明即使在简化的粒径分布设定下，该CFD模型已经能够较真实地反映湿式静电除尘器的粒径选择性和电压敏感性，对工程上讨论亚微米粒子控制策略和电场强度冗余设计具有重要参考价值。

更具工程意义的是，作者进一步研究了颗粒空间电荷对电场分布的反馈效应。在1 m长同轴管装置上，入口粉尘浓度设为3 mg/m³，粒径范围0.1–10 μm，电压为25 kV。比较管轴上不同轴向位置的径向电场分布，可以看出：靠近入口处，由于颗粒尚未充分荷电和聚集，电场分布基本保持“无颗粒空间电荷”的形态；而靠近中后段位置，随着带电颗粒逐渐向管壁聚集，收集极附近的电场强度明显提高，电晕线附近的电场则略有减弱，表明外侧粒子空间电荷在一定程度上“拉平”了漂移区电场。这一现象随着轴向距离增加而愈加明显，说明在长电场或高负荷工况下，颗粒空间电荷效应会在管壁附近累积放大，对湿式ESP的有效沉降区宽度和局部场强分布产生不可忽视的影响。

在进一步的对比中，作者将入口粉尘浓度从3 mg/m³提高至10 mg/m³，保持其他条件不变，比较相同轴向位置处的径向电场。结果表明：高粉尘负荷下，管壁附近电场强化更加明显，而电晕线附近的电场强度则被显著削弱。这意味着高浓度颗粒空间电荷可能导致典型的“电晕淬灭（corona quenching）”现象[11]，即电晕区域电场被抑制，离子产生速率下降，导致放电电流和有效荷电能力下降。当前模型尚未将电晕淬灭行为显式反馈到电晕源项中，但通过定量给出不同粉尘负荷下的电场畸变特征，为未来在CFD框架中引入更完整的电晕淬灭模型奠定了基础。

总体看，多特蒙德工业大学团队的这一工作表明，在商业CFD平台上实现Maxwell方程与Navier–Stokes方程的强耦合、引入离子与颗粒空间电荷双重作用，并将Lawless荷电模型嵌入颗粒轨迹计算，是完全可行且在电流-电压特性、分级沉降效率、电场畸变等方面均与实验和理论趋势吻合的。对国内正在推进的超低排放改造、“以湿代干”的末端深度治理项目来说，这意味着：

一方面，工程师可以在实际设计前，通过CFD预测不同同轴线-管湿式ESP几何尺寸、电压水平和入口粉尘谱，对效率、电流、压降与潜在电晕淬灭风险进行综合评估，而不再完全依赖放大类比和安全系数叠加；另一方面，随着模型进一步拓展至非均匀粉尘分布、含雾滴工况以及复杂进出口边界条件，它有望成为湿式电除尘器从“经验工程”迈向“仿真驱动设计”的关键工具，为高湿烟气深度治理和多污染物协同控制提供更精细的设计支撑。

随着超净排放标准的持续收紧和高湿、腐蚀性、细颗粒工况的不断增多，湿式静电除尘器的设计将越来越依赖基于物理机理的数值模拟。类似TU Dortmund团队的研究，正在把传统ESP设计从经验公式时代推进到数值试验时代，为工业环保技术提供新的行业风向和创新路径。

参考文献
[1] Theodore L, Buonicore A J. Air Pollution Control Equipment. Boca Raton: CRC Press, 1988.
[2] White H J. Entstaubung industrieller Gase mit Elektrofiltern. Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1969.
[3] Schmid H-J. Zum Partikeltransport in elektrischen Abscheidern. Dissertation. Universität Karlsruhe, 1998.
[4] Lind L, Nielsen N F. Simulation of particle transport in electrostatic precipitators. In: International Conference on Electrostatic Precipitation. Kruger Gate, South Africa, 2004.
[5] Peek F W. Dielectric Phenomena in High Voltage Engineering. New York: McGraw-Hill, 1929.
[6] Krichtafovitch I A, et al. Electrostatic Fluid Accelerator and Air Purifier – The Second Wind. Kronos Air Technologies, Seattle.
[7] Nikas K S P, et al. Numerical simulation of the flow and the collection mechanism inside a laboratory scale electrostatic precipitator. Journal of Electrostatics, 2005, 63: 423–443.
[8] Anagnostopoulos J, Bergeles G C. Corona discharge simulation in wire-duct electrostatic precipitator. Journal of Electrostatics, 2002, 54: 129–147.
[9] Lawless P A. Modelling particulate charging in ESPs. IEEE Transactions on Industry Applications, 1988.
[10] Blejan O, et al. Experimental Study of the Corona Discharge in a Modified Coaxial Wire-Cylinder Electrostatic Precipitator. In: 42nd Industry Applications Conference. New Orleans, 2007.

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