袁惠新，朱星茼，付雙成，周發(fā)戚

（1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州 213000；2.江蘇省綠色過(guò)程裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇常州 213164）

0 引言

除霧器是氣液分離設(shè)備中的典型設(shè)備，其實(shí)質(zhì)就是一種將氣流中含有的霧滴或液滴分離出來(lái)的氣液分離設(shè)備。合理科學(xué)地設(shè)計(jì)和使用除霧器可以在一定程度上保障工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在石油、天然氣、化工等領(lǐng)域的生產(chǎn)工藝中起著至關(guān)重要的作用[1]。

旋風(fēng)除霧器一般可以分離1～10 μm的霧滴，對(duì)于捕集、分離 5～10 μm[2]以上的霧滴效率較高，當(dāng)霧滴粒徑小于1 μm時(shí)，除霧效果較低。本文在旋風(fēng)分離器內(nèi)離心力場(chǎng)或超重力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，在旋風(fēng)分離器內(nèi)加上電極以產(chǎn)生靜電場(chǎng)，將靜電場(chǎng)與離心力場(chǎng)耦合，組成旋流靜電除霧器，以分離更小的霧滴，提高旋風(fēng)分離器的除霧效率。

理論和實(shí)踐表明，旋流器的除霧效率和壓力損失均隨著進(jìn)口風(fēng)速的提高而提高[3-4]，進(jìn)口風(fēng)速一般取為12～25 m/s，而靜電除霧器進(jìn)口風(fēng)速在3～5 m/s范圍內(nèi)，以保證粉霧顆粒有足夠長(zhǎng)的停留時(shí)間進(jìn)行荷電，提高高壓靜電場(chǎng)的利用率。因此對(duì)于靜電-旋風(fēng)除霧器，實(shí)現(xiàn)較高進(jìn)口風(fēng)速下霧滴最大程度的荷電，成為關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。解決該問(wèn)題的途徑之一，就是合理選擇電極形式，以獲得良好的伏安特性，同時(shí)不會(huì)增加除霧器的壓力損失。本文通過(guò)建立旋流靜電除霧模型，選用不同粒徑的霧滴，在不同進(jìn)口風(fēng)速和工作電壓下，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，以獲得性能最優(yōu)的電暈極布置方式，為旋流靜電除霧器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 靜電-旋流除霧器的基本結(jié)構(gòu)原理

1.1 靜電-旋流除霧器結(jié)構(gòu)及工作原理

靜電-旋流除霧器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器軸線上加一根電極線，在溢流口用絕緣瓷瓶固定絕緣，在底流口用絕緣固定板固定并絕緣。電暈極線的固定方式有懸掛式和固定式2種。本文將旋流與靜電耦合，氣速較高，則使用固定式。需要分離的多相混合流體通過(guò)靜電-旋流除霧器進(jìn)口切向進(jìn)入旋流管。因?yàn)樨?fù)電暈起暈電壓低，擊穿電壓高，因而在電壓較高的情況下形成穩(wěn)定的電暈層，并且負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)速度比正離子的大，所以將電極與高壓直流電源的陰極連接，產(chǎn)生負(fù)電暈，旋流管外壁與高壓直流電源陽(yáng)極連接。在電場(chǎng)力作用下，氣體中的液滴帶上負(fù)電并向旋流管壁面向下移動(dòng)，液體從旋流管底流口排出。切向進(jìn)入的氣體在離心力作用下，密度小的氣體則向中間遷移，并沿著軸線向上旋動(dòng)，從旋流管溢流口排出。密度大的液滴發(fā)生離心沉降，遷移到四周，從而沿著壁面向下旋動(dòng)，旋流管底流口流出，最后從底流管排出。所以在離心力與電場(chǎng)力的共同作用下，液體從筒體底部排液管排出，除去液滴的氣體從筒體頂部排氣管排出。這樣就完成了氣液的分離。分離后的氣體從溢流管口溢出，分離后的液體進(jìn)入底部的集水腔。

圖1 旋流靜電除霧器結(jié)構(gòu)

1.2 旋流器中顆粒受力分析

顆粒在旋流分離過(guò)程中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到電場(chǎng)力、離心力、向心浮力、流動(dòng)阻力等[5-8]，這些力的變化影響顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以研究顆粒的受力分析有助于分析固體顆粒在旋流器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.2.1 離心力

旋流分離器的工作原理是離心沉降，依靠的就是產(chǎn)生離心力場(chǎng)，所以固體顆粒必定受到離心力。因?yàn)殡x心力在大小上遠(yuǎn)超過(guò)重力，所以可以忽略重力的影響[9]。根據(jù)旋流分離器的結(jié)構(gòu)，顆粒受到的離心力方向是沿徑向指向旋流器壁面的，離心力Fc計(jì)算式為：

式中 d——顆粒直徑；

ρs——顆粒密度；

v——顆粒切向速度；

r——回轉(zhuǎn)位置半徑。

1.2.2 向心浮力

旋流器中顆粒在徑向方向上受到指向旋流分離器中心的向心浮力，向心浮力的方向與離心力的方向相反，所以向心浮力會(huì)阻止重顆粒向器壁遷移以及促使輕顆粒向中心運(yùn)動(dòng)[10]，向心浮力的公式為：

式中 ρ——流體密度。

1.2.3 流體阻力

當(dāng)顆粒在旋流分離器內(nèi)的流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到流體的2種作用力，一種是流體壓力在球體表面分布不均勻?qū)е碌男误w阻力，還有一種是顆粒表面流體的剪應(yīng)力引起流動(dòng)形成的摩擦阻力[11]。因此，顆粒在旋流器中運(yùn)動(dòng)受到的流體阻力為形體阻力和摩擦阻力之和。流體阻力的公式為：

1.2.4 電場(chǎng)力

由于電暈放電，靜電-旋流除霧器內(nèi)部分布大量的空間電荷。顆粒通過(guò)裝置內(nèi)部時(shí)會(huì)受到電場(chǎng)的荷電作用使其荷電而受電場(chǎng)力作用。由于負(fù)電暈放電效果好，將電暈極設(shè)為負(fù)電性。物料進(jìn)入旋流分離器內(nèi)，液滴與電離的空氣混合，從而帶負(fù)電荷。在靜電場(chǎng)作用下，荷負(fù)電的液滴受到指向壁面的電場(chǎng)力，與離心力方向相同，從而強(qiáng)化液滴向壁面的遷移運(yùn)動(dòng)。

式中 qes——顆粒荷電量；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度。

電介質(zhì)擊穿時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度叫擊穿場(chǎng)強(qiáng)。不同電介質(zhì)在相同溫度下，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)不同。當(dāng)電容器介質(zhì)和兩極板的距離d一定后，擊穿場(chǎng)強(qiáng)決定了擊穿電壓。擊穿場(chǎng)強(qiáng)通常又稱為電介質(zhì)的介電強(qiáng)度為：

式中 U1-U2——兩極板間電壓；

E'——擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

忽略重力的影響因?yàn)橹亓h(yuǎn)小于離心力。根據(jù)牛頓第二定律，顆粒在徑向方向上受力分析圖如圖2所示，其運(yùn)動(dòng)方程為：

式中 m——固體顆粒的質(zhì)量；

a——固體顆粒的徑向沉降加速度。

圖2 霧滴受力分析

本文研究的靜電-旋流除霧器以普通旋流器為主體，在旋流器中心設(shè)置放電極，并接高壓電源負(fù)極，在旋流除霧器器壁接地。當(dāng)通電時(shí)，旋流分離器內(nèi)產(chǎn)生靜電場(chǎng)電離需要分離的多相流混合體，物料進(jìn)入旋流分離器內(nèi)，液滴與電離的空氣混合，從而帶負(fù)電荷，在靜電場(chǎng)作用下，受到方向向壁面的電場(chǎng)力，電場(chǎng)力方向與離心力相同如圖所示，從而加速液滴向器壁的移動(dòng)。與普通旋流分離器相比，旋流靜電分離器對(duì)液滴額外施加了電場(chǎng)力，普通旋流除霧器無(wú)法分離的小液滴在電場(chǎng)力的協(xié)同作用下向器壁移動(dòng)，強(qiáng)化了液滴的沉降遷移，提高了分離效率。

2 試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法

2.1 試驗(yàn)方法

2.1.1 試驗(yàn)物料及分析方法

試驗(yàn)物料采用霧化空氣，物料是由清水和空氣通過(guò)造霧噴嘴獲得。試驗(yàn)過(guò)程中保持壓力、溫度基本恒定，不考慮物料的黏度、密度變化對(duì)旋流器性能的影響，在旋流器正常操作中，質(zhì)量力主要為離心力與重力，而離心因子（離心力與重力的比值）通常要大于500，因此在主分離區(qū)間中可忽略重力對(duì)顆粒的影響，所以試驗(yàn)物料采用清水和空氣即可。試驗(yàn)物料的液氣比的范圍為：0.000 1～0.000 5。

2.1.2 試驗(yàn)裝置流程及步驟

試驗(yàn)裝置流程如圖3所示。帶有液滴的氣體從筒體側(cè)面隔板下方的進(jìn)氣管進(jìn)入通體內(nèi)旋流管。因?yàn)樨?fù)電暈起暈電壓低，擊穿電壓高，因而在電壓較高的情況下形成穩(wěn)定的電暈層，并且負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)速度比正離子的大，所以將電極與高壓直流電源的陰極連接，產(chǎn)生負(fù)電暈，旋流管外壁與高壓直流電源陽(yáng)極連接。在電場(chǎng)力作用下，氣體中的液滴帶上負(fù)電并向旋流管壁面向下移動(dòng)，液體從旋流管底流口排出。切向進(jìn)入的氣體在離心力作用下，密度小的氣體則向中間遷移，并沿著軸線向上旋動(dòng)，從旋流管溢流口排出。密度大的液滴發(fā)生離心沉降，遷移到四周，從而沿著壁面向下旋動(dòng)，旋流管底流口流出，最后從底流管排出。所以在離心力與電場(chǎng)力的共同作用下，液體從筒體底部排液管排出，除去液滴的氣體從筒體頂部排氣管排出。這樣就完成了氣液的分離。

圖3 試驗(yàn)裝置流程

2.1.3 分離效率的評(píng)價(jià)

對(duì)于旋風(fēng)分離器，常用凈化效率（澄清效率）EC作為總效率來(lái)衡量分離性能，即：

式中 Ci，CO——進(jìn)氣和溢流排氣中的液滴的體積含量。

2.2 數(shù)值模擬方法

2.2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

本文選取旋流靜電除霧器中的1根旋流管進(jìn)行研究，用Comsol軟件對(duì)φ100 mm的旋流管進(jìn)行建模，旋流管尺寸見(jiàn)表1。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)尺寸

網(wǎng)格單元采用流體動(dòng)力學(xué)控制網(wǎng)格，劃分完整的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)為126 950個(gè)單元。

2.2.2 模擬方法

顆粒脫除特性是考察除霧裝備好壞最重要的指標(biāo)，但在顆粒脫除過(guò)程中，除霧器內(nèi)部存在較復(fù)雜的電場(chǎng)、旋流場(chǎng)、顆粒運(yùn)動(dòng)場(chǎng)多場(chǎng)耦合關(guān)系?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)多是通過(guò)udf代碼將電場(chǎng)導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬，但udf編程過(guò)程是一個(gè)難點(diǎn)且耗費(fèi)大量的研究成本和時(shí)間。因此本文將采用有限元方法，在Comsol軟件中添加靜電模塊（es）、湍流模塊（spf）、帶點(diǎn)粒子追蹤模塊（cpt）、流體流動(dòng)粒子追蹤（fpt），研究旋流靜電除霧器內(nèi)部電場(chǎng)、旋流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)場(chǎng)之間的相互影響，通過(guò)建立靜電旋風(fēng)除霧模型，選用不同粒徑的霧滴，在不同進(jìn)口風(fēng)速和工作電壓下對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及除霧效率的影響，以獲得性能最優(yōu)的電暈極布置方式，為靜電旋風(fēng)除霧器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。旋流靜電除霧器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 旋流靜電除霧器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

2.2.3 邊界條件

進(jìn)料口定義為速度入口，進(jìn)口速度為8m/s，將溢流口設(shè)置為壓力出口，因?yàn)橐缌骺谂c大氣相連所以背壓設(shè)置為零。底流口與壁面都設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，并設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界。顆粒由入口壁面均勻入射。入口速度與氣相相同。將溢流口設(shè)置為凍結(jié)，底流口與壁面設(shè)置為黏附，霧滴碰壁后則不再反彈。

3 結(jié)果與討論

3.1 入口速度對(duì)除霧器壓力降的影響

旋流器自身沒(méi)有動(dòng)力裝置，靠消耗流體壓力能獲取分離所需要的能量，其值為壓力降，是衡量旋流器能量消耗大小的一個(gè)參數(shù)。在其他參數(shù)相同情況下，壓力降越低，旋流器的能耗越低。本試驗(yàn)沒(méi)有設(shè)置背壓，即溢流口的壓力都等于大氣壓，故壓力降即為入口壓力的表壓。如圖5所示，壓力降隨處理量的增大而增大。在模擬范圍內(nèi)，最大誤差不超過(guò)30%，反映了計(jì)算機(jī)模擬達(dá)到一定的精度。

圖5 處理量與壓力降關(guān)系

3.2 入口速度及電壓對(duì)除霧器除霧效率的影響

除霧效率在一定的入口風(fēng)速范圍內(nèi)有一明顯的“峰值”如圖6所示。

圖6 10 μm粒徑下不同入口速度下的分離效率

這是因?yàn)楫?dāng)入口風(fēng)速較低（例如＜8 m/s）時(shí)，離心力除霧所起的作用較小，而主要靠電場(chǎng)力除霧，綜合兩者作用的結(jié)果總的除霧效率仍較低；當(dāng)入口風(fēng)速合適時(shí)（vi=8～12 m/s）時(shí)，離心力和電場(chǎng)力對(duì)除霧的綜合作用效果好，能保持較高的除霧效率；而當(dāng)入口風(fēng)速較高時(shí)，霧滴在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間少，來(lái)不及荷電，使得電場(chǎng)力對(duì)除霧的作用減少，綜合作用的結(jié)果使除霧效率降低?？偟膩?lái)說(shuō)，入口風(fēng)速的大小，不僅決定著霧滴所受離心力的大小，而且決定著霧滴在靜電旋流除霧器內(nèi)的停留時(shí)間，這對(duì)離心力和電場(chǎng)力除霧都有影響。為了獲得高除霧效率，必須使離心力和電場(chǎng)力對(duì)除霧的綜合作用保持在合適的范圍內(nèi)，也即靜電旋流除霧器的入口風(fēng)速必須在一合適的范圍內(nèi)。從試驗(yàn)結(jié)果看，本靜電旋流除霧器的最佳入口從速為 8～12 m/s。

當(dāng)施加的電場(chǎng)電壓較低時(shí)（例如≤10 kV），電暈極不能起暈放電或起暈放電的程度太弱，霧滴的荷電量較小，則電場(chǎng)力很小，對(duì)除霧起主要作用的是離心力。在這種情況下，靜電旋流除霧器的除霧效率隨入口風(fēng)速的變化規(guī)律與旋流除霧器相同，即除霧效率隨入口風(fēng)速的增大而增大。當(dāng)電壓≥20 kV時(shí)，靜電旋流除霧器的除霧效率比不加電壓時(shí)提高的幅度較大，除霧效率隨入口風(fēng)速的變化規(guī)律與前述不同。

除了入口風(fēng)速外，影響電場(chǎng)力除霧的主要因素是電場(chǎng)電壓和霧滴的荷電量，電場(chǎng)電壓越高，達(dá)到飽和荷電的粒子受到的電場(chǎng)力越大，由電場(chǎng)力引起的霧滴遷移速度就越大。因而，提高電場(chǎng)電壓，將有利于提高靜電旋流除霧器的除霧效率。由結(jié)果可知，v1=8 m/s，不加電壓和加電壓50 kV時(shí)，除霧效率分別為68.5%和93.6%，施加電場(chǎng)后分離效率提高了36.6%；vi=12 m/s時(shí)，不加電壓和加電壓50 kV時(shí)，除霧效率分別為76%和97.1%，施加電場(chǎng)后分離效率提高了28%。施加的電壓越高，除霧效率提高的幅度越大。但電場(chǎng)電壓不能無(wú)限度地提高，它受電暈極與集塵極之間的距離等條件的限制，兩極之間的電壓過(guò)高時(shí)，就會(huì)發(fā)生電場(chǎng)擊穿，使靜電旋流除霧器不能正常工作。不同電介質(zhì)在相同溫度下，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)不同。當(dāng)電容器介質(zhì)和兩極板的距離d一定后，由式（5）可知，擊穿場(chǎng)強(qiáng)決定了擊穿電壓。本靜電旋流除霧器的電場(chǎng)電壓如果超過(guò)60～70 kV，就會(huì)發(fā)生電場(chǎng)擊穿，故把最高安全工作電壓定為50 kV。

3.3 粒徑對(duì)除霧器除霧效率的影響

由圖7可以看出，不加電場(chǎng)時(shí)，隨著入口風(fēng)速的增大，分離效率先迅速上升，而后逐漸上升趨緩，并可進(jìn)一步預(yù)測(cè)，當(dāng)入口風(fēng)速在18 m/s以后繼續(xù)增大，分離效率將不升反降。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因主要有：（1）隨著進(jìn)口流速的增加，進(jìn)口與氣體出口間的短路流不斷增強(qiáng)，部分未被分離的液滴隨短路流進(jìn)入溢流管，使得分離效率下降；（2）隨著流速的增加，旋流強(qiáng)度增強(qiáng)，沉積在器壁上的液體表面出現(xiàn)湍流彌散，產(chǎn)生氣霧夾帶現(xiàn)象，這部分二次返混的液滴會(huì)有部分進(jìn)入內(nèi)旋流，被氣體帶進(jìn)排氣管，使得分離效率降低；（3）隨著流速的增大，旋流器內(nèi)的湍流強(qiáng)度增加，在氣流的強(qiáng)旋湍流作用下，液滴的破碎霧化加劇，使分離難度增加。

圖7 加電場(chǎng)與不加電場(chǎng)時(shí)不同粒徑對(duì)分離效率的影響

從旋流靜電除霧器的分離效率可以看出，旋流靜電除霧器能捕集分離較小的霧滴。分離效率說(shuō)明了除霧器分離霧滴的能力。從圖9中還可以看出，旋流靜電除霧器加電場(chǎng)后分離效率有明顯的提高。其除霧性能優(yōu)于普通的旋流除霧器，可分離粒徑可小于1 μm。由圖可知，當(dāng)靜電旋流除霧器的入口風(fēng)速為10 m/s時(shí)，對(duì)于3 μm的霧滴，加電壓和不加電壓時(shí)的除霧效率分別為42.7%和69.2%，加電壓后使效率提高了62%，這是因?yàn)樾×降撵F滴（尤其是低入口風(fēng)速時(shí)）所受到的離心力較小，僅靠離心力捕集分離則效率很低，如果施加電壓，使霧滴在離心力和電場(chǎng)力共同作用下被捕集分離，則會(huì)大幅度地提高除霧效率。而對(duì)于10 μm的霧滴，低入口風(fēng)速下電場(chǎng)具有顯著的分離強(qiáng)化作用，達(dá)到一定入口風(fēng)速后，電場(chǎng)的作用減弱，加電壓和不加電壓時(shí)的效率分別為95%和97%，效率僅提高了2%。此時(shí)，可以不加電場(chǎng)，只靠旋流分離就可以達(dá)到較高的分離效率。因此，電場(chǎng)主要提高了小霧滴的分離效率和低入口風(fēng)速下大霧滴的分離效率。

入口風(fēng)速的大小，不僅決定著霧滴所受離心力的大小，而且決定著霧滴在旋流靜電除霧器內(nèi)的停留時(shí)間。霧滴的停留時(shí)間長(zhǎng)短，決定了霧滴荷電量的多少。離心力對(duì)霧滴的沉降作用隨入口風(fēng)速的增大而增大，電場(chǎng)對(duì)霧滴分離的作用隨入口風(fēng)速的增大而減弱，這是因?yàn)殡S著入口風(fēng)速的增大，霧滴的停留時(shí)間減少，荷電量隨之減少。

4 結(jié)論

（1）在旋流器內(nèi)附設(shè)高壓靜電場(chǎng)，構(gòu)成靜電-旋流除霧器，在本研究條件下顯著提高了除霧效率，不增加系統(tǒng)阻力，具有高效節(jié)能特性。

（2）離心沉降作用隨入口風(fēng)速的增大而增大，電場(chǎng)對(duì)霧滴分離的作用隨入口風(fēng)速的增大而減弱。本靜電旋流除霧器的最佳入口從速為8～12 m/s。

（3）對(duì)于小粒徑霧滴（如3 μm以下） 的分離，僅靠離心力捕集分離則效率很低，如果施加電場(chǎng)，使霧滴在離心力和電場(chǎng)力共同作用下分離，則會(huì)大幅度地提高除霧效率。

（4）對(duì)于大粒徑霧滴（如10 μm以上）的分離，低入口風(fēng)速下電場(chǎng)具有顯著的分離強(qiáng)化作用，達(dá)到一定入口風(fēng)速后，電場(chǎng)的作用減弱，只靠旋流分離就可以達(dá)到較高的分離效率，可以不用進(jìn)行靜電分離。