EHD次级流对丝—极板电除尘器亚微米与超细颗粒收集效率的影响

McMaster大学McIARS团队基于数值模拟与粒子表面电荷模型的研究（D. Brocilo, A. Berezin, J.S. Chang）

关键词
电荷流体动力学(EHD)次级流, 超细与亚微米粉尘, 局部收集效率, 扩散与电场充电, PM2.5治理, 节能降耗

在当下PM2.5排放与能源效率双重压力下，电除尘器（ESP）在钢铁、浆纸、水泥和化工行业仍然是关键的颗粒物治理设备。近年研究表明，电荷流体动力学（EHD）次级流对ESP内的流场与颗粒输运存在显著影响，进而影响超细与亚微米粉尘的收集效率。本文基于McMaster大学McIARS团队（D. Brocilo, A. Berezin, J.S. Chang）的研究成果，结合两套二维数值模型的横截面平均场参数，系统评估EHD次级流对0.01–10 μm颗粒表面电荷与部分收集效率的影响，并讨论在中国工业场景中的工程意义与应用建议。

该研究采用丝—极板几何（放电丝直径1 mm，板间距10 cm，板高20 cm，长度60 cm），入口主气速0.2 m/s，负极电压20–29 kV范围内的工况。气场与离子密度场由两类数值方法获得：Zhao与Adamiak的混合有限元—特征线方法以及Chun等基于修正k-ε湍流模型的模拟，各自给出体积平均与横截面分布的电场、离子密度与速度场[22,23]。研究将这些数值结果横截面平均后，输入基于修正扩散充电与场充电速率的粒子表面电荷模型（扩散充电采用Chang模型，场充电在不同Knudsen区间采用Brock–Parker与Pauthenier–Moreau-Hanot修正）[24,25]，并以Deutsche累加公式计算部分收集效率。

主要发现包括：EHD次级流会在放电丝后方及靠壁区域诱导前向尾迹与von Kármán涡流结构（随EHD数增加涡结构更明显）[10,11-14,22,23]；对于直径在0.01–1 μm范围内的颗粒，总体表面电荷在横截面平均意义上并未被EHD次级流显著改变，但局部区域（涡核与尾迹）会出现明显的电荷与迁移速度扰动，导致局部收集效率变化；在体积平均模型中，EHD作用会使亚微米以上颗粒的总体收集效率有所下降，而对超细颗粒（亚纳米至数百纳米）在某些工况下反而有轻微增益（因滞留时间增加与局部高电场效应）[16]。总体而言，对于研究所覆盖的工况与粒径区间，EHD的净效应对部分收集效率并不显著，但其局部影响不容忽视，尤其在低雷诺数或高EHD数（Ehd/Re^2>1）时可能产生较大流场重构[11,22]。

对中国工业用户的启示：一是随着更严格的PM2.5排放标准，ESP设计需纳入EHD效应评估，特别是在低流速、长停留时间工况下；二是在浆纸、钢铁与水泥行业，设备改造时应关注放电丝与极板的几何、极线间距与电场分布对EHD产生的敏感性，避免产生有害的再悬浮或颗粒回流；三是借助现代CFD耦合电场与离子输运模型，并辅以PIV等实验验证，可为改进极板形状、优化电场分布提供依据[12,13]。

展望与工程实践：企业级方案可参考艾尼科（Enelco）在极板及极线优化、电场均匀化与维护便捷化方面的技术经验，采用定制化电场分布设计和自动化清灰系统，以兼顾排放达标与运维成本控制。未来研究需要更高保真度的三维耦合模拟与带颗粒输运的实验验证，以明确EHD在实际大型烟道中的放电/充电与重悬机制，从而在设计阶段就规避不利流场并提升超细颗粒的捕集率。结合先进材料与智能监测，ESP在实现节能降耗与长期稳定达标方面仍有较大提升空间。

参考文献
[9] Brocilo D., Chang J.S., Findlay R.D. Modeling of electrode geometry effects on dust collection efficiency of wire-plate electrostatic precipitators. Proceedings of 8th International Conference on Electrostatic Precipitation, Vol.1, 1-18, 2001.
[10] Yamamoto T., Velkoff H.R. Electrohydrodynamics in an Electrostatic Precipitator. Fluid Mechanics, Vol.108, 1-18, 1981.
[11] Podliński J., Dekowski J., Mizeraczyk J., Brocilo D., Chang J.S. Electrohydrodynamic gas flow in a positive polarity wire-plate electrostatic precipitator and the related dust particle collection efficiency. Electrostatics, Vol.64, 259-262, 2006.
[12] Mizeraczyk J., Kocik M., Dekowski J., Dors M., Podliński J., Ohkubo T., Kanazawa S., Kawasaki T. Measurements of the Velocity Field of the Flue Gas Flow in an Electrostatic Precipitator Model using PIV method. Electrostatics, 51–52: 272–277, 2001.
[13] Mizeraczyk J., Dekowski J., Podliński J., Kocik M., Ohkubo T., Kanazawa S. Laser Flow Visualization and Velocity Fields by Particle Image Velocimetry in Electrostatic Precipitator Model. Visualization 6, 2: 125-133, 2003.
[14] Podliński J., Dekowski J., Mizeraczyk J., Brocilo D., Urashima K., Chang J.S. EHD Flow in a Wide Electrode Spacing Spike-Plate Electrostatic Precipitator under Positive Polarity. Electrostatics, 64: 498-505, 2006.
[16] Atten P., McCluskey F.M.J., Lahjomri A.C. The Electrohydrodynamic origin of turbulence in electrostatic precipitators. IEEE Trans. Ind. Appl., Vol.23, 705-711, 1987.
[22] Zhao L., Adamiak K. Numerical Simulation of EHD Flow in a Single Wire-Plate ESP. IEEE Trans. Ind. Appl., Vol.40, No.3, 683-689, 2008.
[23] Chun Y.N., Chang J.S., Berezin A.A., Mizeraczyk J. Numerical modeling of EHD flow for wire-plate ESPs. IEEE Trans. DEI, 41-1, 119-125, 2007.
[24] Chang J.S. Theory of Diffusion Charging of Arbitrarily Shaped Conductive Aerosol Particles by Unipolar Ions. J. Aerosol Sci., Vol.12, 19-26, 1981.
[25] Brock J.R. Noncontinuum Unipolar Charging of Aerosol. J. Applied Phys., Vol.41, 1940-1944, 1970.