磁约束效应下排气口内部探测深度对静电旋风除尘器收集性能的优化研究

针对传统除尘设备难以满足日益严格的排放标准问题，研究人员通过优化球形圆柱静电旋风除尘器（ECP）结构，引入多场耦合模型并调整排气口内部探测深度（S），探究磁约束效应下其对细颗粒物捕获性能的影响。结果表明，当烟气速度20 m/s、工作电压30 kV、磁感应强度0.5 T时，最优S为85 mm，收集效率达91.2%，较未优化结构提升23.7%。该研究为工业烟气治理提供了创新设计思路。

　　

随着化石燃料过度使用导致的大气污染加剧，燃煤电厂排放的细颗粒物（PM_2.5）已成为危害人体呼吸系统和心血管健康的主要因素。传统静电旋风除尘器（Electrostatic Cyclone Precipitator, ECP）虽具有结构简单、成本低廉等优势，但对细颗粒物的捕获效率不足67.5%，难以满足现行排放标准。尤其在循环流化床锅炉（CFBB）等工业燃烧系统中，低品位燃料的使用进一步增加了污染控制难度。针对这一挑战，国内研究人员通过创新结构设计与电磁场耦合技术，探索提升ECP性能的新路径。

研究团队采用有限体积法（FVM）结合用户自定义函数（UDFs），建立了包含电磁场、流场和颗粒动力学场的多物理场耦合模型。通过数值模拟分析了工作电压（10-50 kV）、磁感应强度（0-1.0 T）及排气口内部探测深度（30-150 mm）等参数的影响，并利用网格收敛验证确保计算精度。

4.1 排气口结构优化的可行性
研究发现ECP内部存在"上部粉尘环"和"短路流"两种二次流现象。前者导致颗粒在顶部积聚逃逸，后者使未处理烟气直接进入排气管。理论分析表明，调整排气口深度可同时抑制这两种效应。

4.2 参数分布规律
4.2.1 颗粒轨迹变化
当排气口深度从30 mm（A型）增至150 mm（E型），颗粒停留时间延长但逃逸量呈"先降后升"趋势。C型（90 mm）结构表现最优，验证了存在最佳深度值。

4.2.2 电势分布特征
电势沿径向从电晕线（30 kV）向器壁（0 kV）衰减，但有效电场区域随深度增加而缩小。例如E型的有效作用范围比A型减少约40%，证实过深插入会削弱电场作用。

4.2.3 流场动态响应
速度场显示，A、B型（30/60 mm）具有清晰的涡旋分层，而D、E型（120/150 mm）出现流动紊乱。磁约束效应（0.5 T）使颗粒切向速度提升15%，增强离心沉积。

4.3 性能优化验证
4.3.1 宽间距模型筛选
在基准工况（20 m/s, 30 kV, 0.5 T）下，除尘效率呈现"双峰"曲线，最优区间为60-120 mm。

4.3.2 精细模型验证

• 电压影响：50 kV时最佳深度前移至75 mm，效率达93.1%
• 磁强作用：1.0 T条件下效率提升幅度比0.5 T时降低6.8%
• 综合优化：85 mm深度时压力降412 Pa，符合工业系统要求

结论与展望
该研究首次阐明排气口深度通过调节二次流与电磁场协同作用影响ECP性能的机制，提出的球形圆柱结构使细颗粒捕获效率提升至91.2%。其意义在于：①为CFBB等紧凑燃烧系统提供适配方案；②磁电耦合技术可扩展至其他气固分离场景。未来研究将聚焦动态积灰效应和椭圆结构优化，进一步推动工业应用。论文发表于《Fuel》，为环境污染控制领域提供了重要理论支撑。