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静电除尘器广泛应用于各种工业烟气的除尘工艺，其整体除尘效率可达到99%以上，但对细颗粒物的脱除效率相对较低[1-4]。细颗粒物直径小，比表面积大，容易富集各种有毒有害物质，对环境和人体健康危害大[5-7]。为了提高静电除尘器对细颗粒物的脱除效率，人们做了大量的研究工作。
静电除尘是多种过程共同作用的复杂结果，包括电晕放电、气体流动、颗粒荷电和颗粒运动等[8-10]。ZHUANG et al[10]采用实验的方法研究了细颗粒物的静电除尘效率，并讨论了电压和风速对除尘效率的影响。WANG et al[11]和HIROTAKA et al[12]利用PIV技术测量了静电除尘器内的气体流动情况，其研究表明电压对气体流动有重要影响。HENG et al[13]采用数值模拟的方法，研究了收尘板结构对流场的影响，发现收尘板结构对电晕放电和流场分布有显著影响。FENG et al[14-15]采用有限元与有限体积混合格式，模拟研究了静电除尘器内的流场分布并与实验数据进行对比，结果表明标准k-ε湍流模型能够较好地模拟静电除尘器内的流体运动。颗粒荷电是一个复杂的过程，包括电场荷电和扩散荷电[8, 16]。LONG et al[8]对9种荷电模型进行了研究，并与实验结果进行对比，结果表明综合考虑了电场荷电与扩散荷电的Lawless模型能够更好地预测颗粒在静电除尘器内的运动情况。LU et al[17]模拟研究了线板式静电除尘器内的颗粒运动情况，结果表明电压和电流对颗粒物的脱除效率有重要影响。
上述研究主要针对固定电晕线直径的静电除尘器的性能特点，对电晕线直径的影响规律研究相对较少。本文采用数值模拟的方法研究电晕线直径对电晕电场和除尘特性的影响，同时分析电压、风速等参数对不同电晕线直径除尘特性的影响规律。
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静电除尘器内的气体运动为稳定的湍流流动，文章采用标准k-ε湍流模型进行模拟。通过编写用户程序（UDF），气体流动模型考虑了电晕放电引起的电晕风的影响。电晕放电模型包括电压泊松方程和电荷守恒方程。
式（1～4）中，φ为电压，V；ρi为电荷密度，C/m3；ε0为空气介电常数，F/m；J为电流密度，A/m2；E为电场强度，V/m；b为离子迁移率，m2/(Vs)；u为流体速度，m/s。由于离子速度远高于流体速度[2,4]，实际模拟中忽略了气体风速的影响。
颗粒荷电采用了Lawless模型，该模型综合包括了电场荷电和扩散荷电的影响。颗粒运动采用拉格朗日法进行模拟，主要考虑了电场力和流体曳力作用。对亚微米颗粒，计算中考虑了Cunningham修正因子。流体对颗粒的湍流作用则通过离散相的随机轨道模型进行模拟。颗粒粒径分别为0.1、0.25、0.5、0.75、1.0、2.5、5.0和10 μm，颗粒密度为2 100 kg/m3，颗粒浓度为200 mg/m3。由于颗粒浓度很低，因此模拟计算中不考虑颗粒之间的相互作用以及颗粒对气体的影响。模拟计算时每种粒径颗粒的初始跟踪数均为3 000个，不同粒径颗粒的除尘效率见式（5）。
式（5）中，ηi为不同粒径颗粒的除尘效率，Ni为该粒径颗粒的补集个数，N0i为该粒径颗粒的初始跟踪数。
线板式除尘器由收尘板和电晕线组成，其中收尘板间距150 mm，长600 mm，电晕线位于除尘器的中心，直径分别为1.5、1.0和0.5 mm。静电除尘器的结构见图1。坐标原点与电晕线重合，x轴方向与收尘板平行。
计算中采用的边界条件见表1。
电场的计算采用Kaptzov假设，认为在电晕放电过程中，电晕线表面的电场强度保持不变，其值由Peek公式计算得出。在模拟计算过程中，需及时调整电晕线表面的电荷密度（ρw），从而使模拟得到的电晕线表面电场强度与Peek公式计算结果一致。
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电晕线直径为1.5 mm时的电压和电荷密度分布见图2。
图2可见，电压在除尘器内呈椭圆形分布，电晕线处电压最高，向四周逐渐减小。电荷密度也呈椭圆形分布，电晕线周围电荷密度高，向四周则快速减小。
收尘板附近的电场分布对除尘器的性能有重要影响。电晕线直径对收尘板处电荷密度和电场强度分布的影响见图3。
图3可见，电荷密度和电场强度在收尘板处的分布很不均匀，在垂直电晕线的位置电荷密度和电场强度最大，向两侧则快速减小。随着电晕线直径减小，电荷密度和电场强度都逐渐增大，在垂直电晕线的位置提高程度比较显著。电荷密度和电场强度的增大，都有利于颗粒除尘效率的提高。
不同电晕线直径时，电荷密度和电场强度沿x=0直线处的分布（由于对称性，只显示了一半位置的分布）见图4。
当电晕线直径从1.5 mm减小到0.5 mm时，电晕线附近的电荷密度从272 μC/m3迅速增大到778 μC/m3，且增长幅度逐渐增大，这有利于小颗粒的脱除，见图4a。电场强度在电晕线处最大，随着远离电晕线，电场强度迅速减小，然后再逐渐增大。随着电晕线直径减小，电晕线附近的电场强度逐渐减小，且取得最小值的位置逐渐靠近电晕线，如图4b中向下箭头所示，这不利于颗粒的脱除。在收尘板附近较大区域的电场强度随电晕线直径的减小而增大，如图4b中向上箭头所示，这有利于颗粒的脱除。
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电晕线直径对颗粒除尘效率的影响见图5。
随着电晕线直径的减小，不同粒径颗粒的除尘效率都逐渐增大（图5a中10 μm颗粒除外）。颗粒荷电包括电场荷电和扩散荷电。大颗粒主要以电场荷电为主，荷电量主要受电场强度影响。电晕线直径减小时，收尘板附近较大区域的电场强度增大（图4b），这有利于大颗粒的荷电和脱除。小颗粒以扩散荷电为主，荷电量主要受电荷密度和荷电时间的影响。电晕线直径减小时，电荷密度增大（图4a），这有利于小颗粒的荷电和脱除。图5a中10 μm颗粒除尘效率随电晕线直径减小而减小，这是由于45 kV时10 μm颗粒的除尘效率已达到90%以上，颗粒主要从电晕线附近最低电场强度的位置（图4b向下箭头）经过逃逸。电晕线直径减小时，最低电场强度的位置逐渐向电晕线靠近，这更不利于颗粒的脱除，所以除尘效率反而会降低。当35 kV时10 μm颗粒的除尘效率相对较低（60.1%），电晕线直径减小时，从其它位置逃逸的更多颗粒在增大的电场强度作用下被捕集，从而使除尘效率增大，见图5b。
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电晕线直径不同时，电压对除尘效率的影响见图6。
图6可见，当电晕线直径较小时，电压增大，小颗粒和大颗粒的除尘效率都增大，而电晕线直径较大时，大颗粒除尘效率的增加更显著。这是由于随着电压增大，静电除尘器内的电荷密度和电场强度都逐渐增大，从而使颗粒的除尘效率逐渐增大。当电晕线直径较小时，电压增大可显著提高电荷密度，而电晕线直径较大时，电荷密度提高相对较少。如电晕线直径0.5 mm时，电压从35增大到45 kV，电晕线表面电荷密度从419增大到778 μC/m3，提高359 μC/m3，而电晕线直径1.5 mm时，电荷密度从121增大到272 μC/m3，只提高151 μC/m3。
电晕线直径为0.5 mm时，风速对除尘效率的影响见图7。
随着入口风速的减小，颗粒在除尘器内的停留时间增长，有利于颗粒在电场力作用下向收尘板运动，从而提高颗粒的除尘效率。同时，停留时间增长有利于小颗粒的扩散荷电，从而使小颗粒除尘效率的提高程度相对更显著。模拟表明，风速对不同电晕线直径的除尘特性影响规律相似，故图7只给出了电晕线直径0.5 mm时的风速对除尘效率影响规律。
2.1. 电晕线直径对电晕电场的影响
2.2. 电晕线直径对除尘效率的影响
2.3. 电压和风速对不同电晕线直径的影响
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1）随着电晕线直径的减小，收尘板的电荷密度和电场强度都逐渐增大；电晕线附近的电荷密度显著增大，电场强度逐渐减小，且最低电场强度位置逐渐向电晕线靠近。电晕线附近电荷密度从272增大到778 μC/m3。
2）随着电晕线直径的减小，不同粒径颗粒的除尘效率都逐渐增大。
3）电晕线直径较小时，电压增大，不同粒径颗粒的除尘效率都逐渐增大；电晕线直径较大时，大颗粒除尘效率的提高更显著。
4）随着入口风速减小，不同电晕线直径的除尘效率都逐渐增大，小颗粒除尘效率的提高程度相对较显著，0.1 μm颗粒的除尘效率提高12.3%。
