电除尘器电场与颗粒输运的有限元分析

阿尔及利亚Bejaia大学与法国Institut Pprime合作研究：在有限元中以临界电离电位为Dirichlet边界的迭代数值算法及其工程意义

关键词
Corona discharge; Finite element method; Electric field; Particle velocity; 电除尘器; 烟气治理

随着工业烟气排放标准日益严格，电除尘器(ESP)作为烟气颗粒物控制的主力装备，其电场分布与颗粒输运机制成为提升捕集效率、降低运行成本的关键。本文基于H. Nouri 等人（Bejaia 大学与 Institut Pprime）[7]的研究，对电晕放电区的单极电离场进行了有限元（FEM）数值分析，并在方法与工程应用层面作出解读。研究采用迭代有限元求解Poisson方程，创新性地在有限元边界上以Dirichlet条件引入代表最小电离场的电位，从而将电离层厚度纳入数值求解，减少了传统解法对电离区忽略带来的误差（见文献说明）[2,4,10]。

计算流程先在无空间电荷情况下解Laplace方程生成网格（采用场线-等势线映射），随后沿场线用Runge–Kutta积分求出空间电荷分布，两个求解策略交替迭代：一是基于改进的特征法满足电流连续性；二是在单元节点处施加Kirchhoff电流平衡。电场通过对单元内电势插值获得，进而可计算出电流密度与粒子迁移速度。颗粒带电采用Cochet的复合充电模型（包括扩散与场充电分量），并假定粒子在无限充电时间下可达极限电荷，用该电荷与库仑力、阻力平衡计算理论迁移速率[12,13]。

数值结果表明：电极-接地平面体系中，电场在接地平面附近呈明显峰值，随着加压电压增加峰值增强，电场分布和空间电荷耦合对颗粒带电量及迁移速度有显著影响。对于纳米级细颗粒（<40 nm），Cochet模型在有限停留时间（本文试验约0.1 s）下会高估电荷，从而可能高估捕集效率；而对于中大粒径颗粒，理论迁移速度与数值场分布预测一致。研究还指出，非均匀电场（如丝-平板结构）比均匀场更易形成稳定电晕且能限制电子雪崩，从而降低电弧风险[1,5]。 工业应用方面，该方法可用于优化丝极半径、丝间距、极板高度及工作电压，从而在浆纸、钢铁、水泥与化工行业实现更高的排放达标率与更低的能耗。以艾尼科（Enelco，中文品牌：艾尼科）为例，其在极板与极线结构、场强均匀化以及湿式/干式ESP改造方面的工程经验可与本文数值工具结合：通过有限元预测电场－电荷分布后，艾尼科可提供针对性的极间距调整、尖端抛光或边缘防弧设计，有助于减少维护频次、延长清灰周期并降低单位颗粒处理能耗。展望未来，将本研究方法与实际流动（层流/湍流）耦合、多场（热、湿、化学反应）耦合模拟，以及结合现场在线监测数据进行模型校正，将进一步提升电除尘器在中国重工业中的适用性与投资回报率。 总之，本研究验证了基于有限元的迭代算法在电离区显式处理及颗粒带电与迁移预测方面的可行性，为电除尘器设计与烟气治理提供了可靠的数值工具，对实现更高效、更节能且运维友好的除尘系统具有重要参考价值。 参考文献 [1] L. Zhao, K. Adamiak, EHD flow in air produced by electric corona discharging in pin-plate configuration, Journal of Electrostatics, 63 (2005), pp.337–350. [2] M. Abdel-Salam, Z. M. Al-Hamouz, Analysis of Monopolar Ionized Field as influenced by Ion Diffusion, IEEE Transactions on Industry Applications, vol.31, no.3, 1995. [3] A. J. Medelin, R. Morrow, C. A. J. Fletcher, A pseudotransient approach to steady state solution of electric field–space charge coupled problems, Journal of Electrostatics, 43 (1997). [4] Z. M. Al-Hamouz, A combined algorithm based on finite elements and a modified method of characteristics for the analysis of the corona in wire-duct electrostatic precipitators, IEEE Transactions on Industry Applications, vol.38, no.1, 2002. [5] N. A. Kaptzov, Elekricheskie yavlenia v gazakh i vakuume, OGIZ, Moscow, 1947. [6] W. C. Hinds, Aerosol Technology: Properties, Behavior and Measurement of Airborne Particles, 2nd ed., John Wiley & Sons, 1999. [7] H. Nouri, Y. Zebboudj, N. Zouzou, E. Moreau, L. Dascalescu, Finite Element Analysis of Electric Field and Particle Transport Phenomena in a Electrostatic Precipitator, The European Physical Journal, Applied Physics 49, 11001, 2010. [12] P. Saiyasitpanich, Control of Diesel Particulate and Gaseous Emissions Using a Single-Stage Tubular Wet Electrostatic Precipitator, University of Cincinnati Thesis, 2006. [13] W. C. Hinds, Aerosol technology, John Wiley & Sons, 1999.