从物模到数模：CFD正重塑静电除尘与布袋除尘设计范式

基于ENVIROSERV团队CFD两相流仿真研究，解读ESP与布袋除尘器优化的新思路

关键词
ESP, CFD, EHD, Geometry model, 静电除尘, 布袋除尘

在燃煤电厂和垃圾焚烧等高排放行业，静电除尘器（ESP）和布袋除尘器依然是控制粉尘排放的主力装备。随着超低排放和能耗约束日益趋严，单靠经验公式与缩比物理模型，很难在有限空间和既有设备约束下做到“既稳排又低耗”。近年来，以ANSYS CFX等为代表的计算流体力学（CFD）技术，开始从湿法脱硫（FGD）行业向干式除尘领域快速渗透，成为ESP和布袋除尘器设计与改造的新工具。

本文解读的是ENVIROSERV GmbH（德国埃森）的M. Feldkamp、M. Dickamp与C. Moser等学者发表的一篇工作，系统展示了利用CFD对静电除尘器和布袋除尘器进行两相流（烟气–颗粒）数值模拟并指导工程优化的最新进展[1]。研究采用EULER-LAGRANGE两相流建模框架，不仅模拟气流场，还显式考虑高粉尘负荷工况下颗粒分布、颗粒–气流耦合，甚至在ESP中引入电晕放电与电流体力学（EHD）效应，为工程实践提供了一套比传统物理流场模型更“接地气”的数值工具。

作者所在的ENVIROSERV长期深耕湿法脱硫塔（FGD）CFD仿真，包括浆液液滴与烟气两相流及SO₂传质等，并在多座大型机组上完成过模型验证。基于这些积累，他们将CFD对象从“气–液”拓展到“气–固”体系：一方面用于静电除尘器内部流场、电场与粉尘运动耦合模拟，另一方面则面向布袋除尘系统的流场均布与过滤性能分析。这种路径也印证了行业的发展趋势：FGD中成熟的两相流数值方法，正在复制到烟气除尘、脱硝等更多环节，形成系统化的烟气治理数值模拟体系。

在静电除尘器部分，论文首先强调了一个被普遍忽视但又极其关键的物理过程——电流体力学（EHD）。在ESP中，高压电晕线产生大量离子，这些离子沿电场线向极板迁移，与中性气体分子碰撞，将动量传递给气体，形成所谓“离子风”或二次流。离子风在无主流气流情况下会在放电极与极板之间形成强烈的闭合环状回流，而在有主流烟气时，二者叠加形成高度复杂的三维流场。这种EHD效应不仅改变气体速度分布和湍流强度，更直接影响颗粒轨迹、带电过程和沉降路径，对除尘效率有基础性影响。

为捕捉这一过程，ENVIROSERV团队构建了包含电场–流场–颗粒三大子系统的耦合CFD模型：

一是在电场与空间电荷部分，通过泊松方程求解电势分布，再由电势梯度得到电场强度；同时对离子电荷密度建立守恒方程，将离子漂移、对流与扩散综合考虑。模型假设工况为常物性、定常、不可压和等温，以凸显电–流–颗粒耦合主导机理。

二是在流体力学部分，求解不可压N-S方程和湍流封闭方程，将离子对气体的体力作用（电场力）以源项形式引入动量方程，模拟离子风对主流烟气的扰动与再分布，这也是EHD建模的核心所在。

三是在颗粒运动部分，采用Lagrange轨迹跟踪方法，逐个计算代表性颗粒在气相中的运动，综合考虑重力、气动力阻力、电场作用（库仑力）、颗粒–气流两相动量耦合等。颗粒一旦与收尘极板接触，即被视为捕集，实现对总除尘效率的直接预测。

为了保证模型可靠性，作者将其电场求解结果与经典文献中Penney和Matick在四线–板极结构ESP实验数据进行了对比验证[1]。在简化为单根放电极计算域并匹配相同电压与几何尺寸的条件下，CFD预测的电位沿不同测线的分布，与实测结果在两种电压工况下吻合良好，说明模型能够准确再现电晕线附近的电场结构和电位衰减规律。

在此基础上，研究进一步考察了横向来流速度对离子分布与电场的影响。模拟结果表明，当入口无横流时，电晕线两侧空间电荷分布基本对称；而当入口速度提高到3 m/s时，离子被主流“扫向”下游一侧，导致下游侧空间电荷密度显著高于上游侧，电晕放电区形态出现明显偏移。随后将固体颗粒加入EHD流场中，模拟了中等湍流强度入口条件下约400个同径颗粒的轨迹，直观展示了颗粒在离子风和主流叠加作用下向收尘极迁移的路径，为理解EHD对收尘效率的影响提供了可视化证据。

完成机理与模型层面的验证后，作者将CFD工具用于一台服务于多台褐煤锅炉的实际ESP改造项目。该电除尘器前后的烟道系统极为复杂，原有布置导致进入ESP前烟气速度和粉尘浓度分布高度不均，影响整体捕集效率。ENVIROSERV基于详细三维几何（包含上、下游全部烟道、导流板、风门、均流板等内构件）搭建CFD模型，通过多轮数值试算优化ESP前罩壳及多层孔板布置，以“入口截面气流均匀度最大化”为目标进行迭代。

优化结果可从几个关键截面的速度统计中看出：ESP入口罩壳进口截面平均轴向速度约15.95 m/s，最大–最小值差距较大，对应标准差2.62 m/s；经第一块孔板后，平均速度降至5.48 m/s，速度起伏明显收敛；再经第二、第三块孔板逐级扩散与整流，最终进入ESP主箱体前截面的平均轴向速度降至1.63 m/s，标准差同时下降到0.69 m/s[1]。这意味着在大幅降低流速以增加颗粒在电场中的停留时间的同时，流场均匀性显著提升。通过水平切面的速度云图也可直观看出，ESP通道内部几乎实现均速布风，为后续节距、电场强度和比电负荷等电气参数的合理配置奠定了基础。

相比之下，布袋除尘器的CFD建模虽然同样采用Euler-Lagrange两相流方法，但不再涉及电场和EHD机制，更关注过滤介质的压降特性和颗粒在滤袋表面的沉积行为。ENVIROSERV将滤袋区域视为多孔介质，引入达西定律，将滤料渗透性、气速与压降关系以源项形式写入动量方程，同时叠加基于颗粒粒径与局部速度的分离曲线，判断颗粒在滤袋表面的捕集与穿透。

论文以一套循环流化床（CFB）半干法脱硫（CFB-FGD）装置配套布袋除尘器为例进行说明。该系统CFB出口粉尘浓度可达1000 g/m³，对布袋入口气固流场均布提出了极高要求。作者同样建立了细致的三维几何模型，包含原烟道、导流板、分配室以及每一支滤袋的真实几何布置，网格总量约1200万单元。通过竖向和水平剖面的速度云图可以看到，原烟入口一侧在导流板前存在高速度射流和死区并存的问题，部分滤室和滤袋明显“吃风多”，而其他区域则“吃风少”，极易带来局部滤袋超负荷、压损异常甚至糊袋风险。

在此CFD模型基础上，运营方可以针对性调整原烟侧导流板角度与开度、优化分配箱内部构件布置，甚至在滤袋列间增加局部整流结构，以提升滤袋群体间的气量均匀性，降低整体压降和能耗。与传统“靠经验做流场”的方式相比，这种CFD驱动的布袋除尘器优化路径，能够在改造前就预判压降变化与过滤负荷分布，有助于减少试错成本，降低停机时间。

总体来看，这项工作释放出几个对行业具有风向标意义的信号：第一，在高粉尘负荷和复杂烟道布局场景下，CFD已经可以替代传统物理模型，成为ESP与布袋除尘工程设计、诊断和改造的主力工具；第二，将电场、电荷输运与流场耦合的EHD建模思路，为今后精细化研究高负荷、复杂工况下的静电除尘性能提供了可复用的技术路线；第三，将滤袋视作多孔介质并结合颗粒分离曲线的布袋CFD建模，为“高粉尘、高硫、高钙比”的CFB-FGD+布袋组合工艺提供了更具工程针对性的数值分析手段。

结合当前国内超低排放改造存量巨大、空间紧张、负荷波动频繁的现实，这类将ESP、布袋除尘器与CFD数值模拟深度融合的研究，将越来越多地出现在工程招标书、技术协议和第三方诊断报告中。对于设计单位和业主而言，尽早把CFD、EHD和两相流仿真纳入方案论证和改造决策，将有助于在满足排放和能耗红线的前提下，把除尘系统的冗余做到“恰到好处”，而不是一味加大设备体积或提高运行成本。

参考文献
[1] Feldkamp M, Dickamp M, Moser C. CFD simulation of Electrostatic Precipitators and Fabric Filters: State of the Art and Applications[C]//Proceedings of the 11th International Conference on Electrostatic Precipitation. ENVIROSERV GmbH, Essen, Germany.

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