偏流气流技术如何重塑静电除尘器颗粒分级效率

基于Bielsko-Biała大学与ESP Consult的数值研究：从整体效率到粒径分级性能的再认识

关键词
electrostatic precipitator, skew flow gas technology, fractional efficiency, gas distribution, reentrainment, 静电除尘器, 分级效率, 烟气治理, CFD流场优化, 超低排放

近几年，在超低排与提效改造背景下，静电除尘器（ESP）的设计思路正在从“追求总效率”逐步转向“优化分级效率”。特别是在燃煤电厂、水泥窑尾、钢铁烧结机头等工况中，1–5 μm细微颗粒对PM2.5、PM1排放贡献越来越大，如何在不大幅增加比集电面积的前提下，提升这部分细粒的捕集能力，成为行业焦点。在这一背景下，由波兰Bielsko‑Biała大学（University of Bielsko Biala）与丹麦ESP Consult Inc.联合完成的一项研究，系统分析了静电除尘器内偏流气流（skew flow gas）对颗粒分级效率（fractional efficiency）的影响，为国内ESP设计优化、CFD模拟验证及老设备技改提供了一个值得重视的技术视角。

该研究围绕三种典型气流组织形态展开：理想均匀流、线性偏流（linear‑skew）以及凹‑凸型流场（concave‑convex），在统一的电场和工况条件下，比较了不同粒径段颗粒的分级效率变化，并给出了整体除尘效率与出口粉尘浓度的差异。结论相当明确：偏流技术在不改变比集电面积、场强和电流密度的前提下，能够显著提升细微颗粒的捕集效率，其中对1 μm粒子的效率提升可达约6%，而对粗颗粒的改善则相对有限。这一结果对于正处在深度治理与改造窗口期的中国烟气治理行业具有直接的参考价值。

在物理模型方面，作者选取了一个典型的三电场ESP作为研究对象：总有效电场长度为3×4 m，极距395 mm，烟气温度160 ℃，平均场强3×10^5 V/m，平均电流密度10 mA/m²，入口粉尘浓度20 g/m³。为便于数值分析，除尘器被离散为沿气流方向划分的微元单元，每个单元内视为气流均匀且与电极平行。电场强度在各单元中取为常数，且三个电场区间保持一致。在此离散模型上，通过一维质量守恒与迁移速度计算，获得各粒径在不同工况下沿程浓度衰减和最终分级效率。

研究的核心是单元级的沉降方程。对每个网格单元，粉尘浓度随长度x的变化由迁移速度w(d)与局部气速v(i,j,k)共同决定：颗粒向极板的迁移速度越大、气流速度越低，则该单元内粒子被捕集的概率越高。作者基于带电颗粒的受力平衡，将电场力与气体阻力相等来求解w(d)，气体阻力系数C_D则作为雷诺数Re的分段函数处理，需要迭代求解。这种处理方式在工业ESP设计和数值模拟中具有较高的通用性，与目前行业内采用的基于迁移速度法或D–P模型的工程估算思路是一致的。

在颗粒荷电模型方面，作者采用了经典的Cochet理论[10]，同时考虑场致荷电与扩散荷电的叠加，电荷量随充电时间t、电场强度E和电流密度j变化，并引入粒子介电常数ε和气体分子平均自由程λ的影响。将荷电量代入受力平衡方程后，可以得到迁移速度与电场、介质特性及动力粘度之间的关系，从而为不同粒径段的分级效率计算提供输入。这一做法也为后续结合CFD模拟开展ESP内部参与荷电场分布分析提供了理论基础。

为了体现颗粒分布对整体性能的影响，作者分别设置了两种典型粉尘组成：粉尘“1”以约20 μm为主峰，细颗粒占比较高；粉尘“2”以约80 μm为主峰，更接近许多煤粉锅炉高负荷状态下的出口粉尘特性。两种粉尘的粒径分布在1–100 μm范围内给出了质量浓度分配，从而可以在相同气流组织方案下，对比不同粉尘谱系对整体效率与分级效率的耦合影响。这一点对我国目前常见的煤种变化、混煤掺烧以及不同工段（如预热器出口与锅炉尾部）粉尘特性的对比分析颇具借鉴意义。

在气流组织方面，文中设置了三类工况：一是基准工况——理想均匀流（A‑A‑A），入口与出口截面气速分布均匀；二是线性偏流（B‑A‑C），在入口和出口截面上形成上下分布不对称的线性速度梯度；三是凹‑凸流场（D‑A‑E），入口截面为凹形分布、出口为凸形分布。为定量表达气速非均匀程度，作者定义了一个简单的气流偏差参数φ，以截面顶部与底部气速与平均气速之差表征流场不均匀性，三种气流工况的φ在−1.5到+1.5区间内变化。同时，考虑到工业ESP不可避免的粉尘再飞扬（re‑entrainment），模型中引入了再飞扬系数κ=0.08，这与实际燃煤电站和水泥窑尾ESP在高负荷、灰层扰动工况下的经验值相近[2,8]。

基于上述物理与数学模型，研究者利用自主开发的SYMULA‑X、W‑Dc与SKUTFRAK等程序，在MATHCAD环境中完成了数值模拟。对粉尘“1”和“2”分别计算了1–100 μm各粒径段的分级效率，并给出了三种气流工况下的对比数据。结果显示，分级效率随粒径增加而提高，这是静电除尘器的基本特征；但更值得关注的是：在同一粒径下，偏流工况（无论是线性偏流还是凹‑凸流场）对细颗粒的效率提升最为显著。

以粒径1 μm为例，相对于均匀流工况，线性偏流和凹‑凸流场都带来了约6.5%的分级效率提升；粒径3 μm时，提升幅度下降至约2%；到了7.5 μm，大约只有0.6%；再往上到30 μm以上，三种气流形态的效率差异已经低于0.1%。这意味着，偏流气流技术对细颗粒段（尤其是1–5 μm）的强化作用最明显，而对原本就易于捕集的粗颗粒（>20 μm）贡献有限。从工业应用的角度看，这与国内超低排项目中“颗粒总量已达标，但PM2.5、PM1仍存在风险”的现实高度契合，提示我们在ESP升级与CFD流场优化过程中，设计目标应更加聚焦于细粒段的分级效率，而不仅仅是总效率数字。

在整体效率方面，研究也给出了三种气流组织下的总效率及出口浓度。以入口浓度20 g/m³为例，均匀流工况下，粉尘“1”和“2”的整体效率分别约为97.7%和98.6%，对应的出口浓度约为467.4 mg/m³与273.3 mg/m³。而在采用线性偏流后，整体效率提升至约98.46%和99.07%，出口浓度则降至308.4 mg/m³和185.2 mg/m³；凹‑凸流场与线性偏流的整体性能非常接近。这一结果表明，偏流技术不仅优化了分级效率曲线，也带来了可观的整体效率增益，尤其是在粉尘“1”这类细颗粒占比较高的情况下，更具放大效应。

从行业风向的角度看，这项工作至少释放出三个信号。其一，ESP性能评估正在从单一“总效率”指标向“总效率+分级效率曲线”转变，尤其是在政策逐步细化到PM2.5甚至PM1排放约束的大趋势下，分级效率将成为技术路线与设备选型的重要决策依据。其二，偏流气流技术不再只是传统意义上“改善整体流场均匀性”的辅助手段，而正在演变为可主动“定向强化细粒捕集”的气动调控工具，这与近几年CFD辅助的导流板设计、流场调优、进出口扩散室改造实践高度吻合[5–7]。其三，数值模拟与机理模型的深度结合正在成为主流做法——以本研究为例，通过离散单元模型+荷电与迁移速度计算，可为CFD中颗粒捕集子模型的标定和验证提供坚实基础，有利于国内环保工程公司在ESP新建与改造项目中，走向“少试错、重仿真”的工程路径。

对国内用户而言，不论是燃煤电厂进行ESP升级改造，还是水泥、钢铁、垃圾焚烧等行业规划新装置与切换至更严苛的排放标准，这项研究提供了一个值得参考的策略：在保持现有电场尺寸、电气配置基本不变的前提下，通过导流结构优化、流场整流和适当引入“可控偏流”，有望在细微颗粒分级效率上获得超出传统均匀流设计的额外收益。未来，结合高精度CFD模拟与在线粒径监测（如基于SMPS或ELPI等手段），围绕ESP内部流场、荷电场与分级效率之间的耦合关系开展系统优化，有望成为静电除尘技术发展的一条重要方向。

参考文献
[1] Lind L. Influence of gas distribution on precipitator performance. In: Sixth Joint EPA/EPRI Symposium on Transfer and Utilization of Particulate Control Technology; 1986 Feb; New Orleans, LA.
[2] Hein A.G. Dust reentrainment, gas distribution and electrostatic precipitator performance. Gas Control Technology. 1989;39(5).
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[4] Sarna M. Some aspects of flow skew technology in ESP performance improvements. In: VII International Conference on Electrostatic Precipitation; 1998 Sep 25; Kyongju, Korea.
[5] Hein A., Gibson D. Electrostatic precipitator skew gas flow technology – ESKOM experience in South Africa. In: 86th Annual Meeting and Exhibition; 1996 Jun 23–28; Nashville, TN.
[6] Schmitz W., Gibson D., Pretorius L. Computational fluid dynamics. In: VIII International Conference on Electrostatic Precipitation; 2001 May 14–17; Birmingham, AL.
[7] Lockhart J., Weiss O. The application of skew gas flow technology at the Israel Electric Corporation MD‑A Station. In: VIII International Conference on Electrostatic Precipitation; 2001 May 14–17; Birmingham, AL.
[8] Sarna M. Influence of dust reentrainment and skew gas flow technology on ESP efficiency. In: VIII International Conference on Electrostatic Precipitation; 2001 May 14–17; Birmingham, AL.
[9] Sarna M., Sładkowska B. The role of gas distribution in multi zones electrostatic precipitators. In: VI Konferencja Naukowo‑Techniczna „Elektrofiltry 2002”; 2002 Sep 19–21; Kraków. (in Polish)
[10] Cochet R. Charging of aerosol particles. In: Colloques Internationaux du Centre National de la Recherche Scientifique. Paris; 1961. p. 331–.
[11] Flagan R.C., Seinfeld J.H. Fundamentals of Air Pollution Engineering. Englewood Cliffs (NJ): Prentice‑Hall; 1988.

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