擾流鈍體布置位置數(shù)值計算

楊柯烽，王 華，劉含笑，郭 峰，潘民興

（浙江菲達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨 311800）

擾流鈍體布置位置數(shù)值計算

楊柯烽，王 華，劉含笑，郭 峰，潘民興

（浙江菲達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬?諸暨 311800）

增設超細顆粒團聚裝置是降低火電廠PM2.5排放的有效措施。在湍流凝聚實驗中，給料的均勻性對PM2.5團聚影響很大，運用數(shù)值方法，采用k-ε模型計算湍流流場和DPM模型計算顆粒運動軌跡，分析了PM2.5團聚中試實驗臺擾流鈍體不同布置位置時流場參數(shù)及顆粒分布的均勻性，發(fā)現(xiàn)鈍體布置在偏離中心線以上80mm時，具有較好的擾流摻混效果。

細顆粒物；實驗改造；數(shù)值模擬；均勻給料

近年來，我國大中城市的霧霾天氣越來越多，嚴重影響了城市居民的健康和生活，PM2.5（主要為PM0.4～PM1）含量過高是導致霧霾天氣的主要原因，而燃煤電廠又是PM2.5的主要污染源之一。目前，火電廠除塵設備90%以上為電除塵器，因PM2.5荷電性較弱，電除塵器對PM2.5的去除率也比較低，電除塵器出口PM2.5含量占煙塵排放總量的50%～90%[1]、[2]。研究表明，燃煤電廠排放排放的PM2.5占全國大氣污染物排放總量的10%～20%[3]，開發(fā)一種燃煤電廠PM2.5捕集增效技術，對解決我國的PM2.5污染問題將起到重要作用[4-9]，本課題組試圖搭建中試實驗臺研究PM2.5捕集增效技術對PM2.5的脫除效果。

在PM2.5捕集增效技術中試試驗臺搭建過程中，給料的均勻性至關重要，為了保證煙塵顆粒在煙道內(nèi)盡快分布均勻，采用在文丘里管擴張管處設置擾流鈍體的方式，本文通過數(shù)值方法，分別計算鈍體6種不同布置位置情況下文丘里管各截面流場參數(shù)，旨在確定最佳布置位置。

1 實驗臺

1.1 實驗大廳總體布置

中試實驗大廳布置俯視圖如圖1所示。研究湍流對顆粒凝聚的增強效果和運動規(guī)律，需要在凝聚器入口處使顆粒初始分布盡量均勻，以減少濃度不均給實驗帶來的誤差影響。為此，在煙道圓方管處加設一個擾流鈍體，改造段如圖中虛線所示，鈍體為前段為半球的圓錐體。在圖1中，1為微顆粒捕集增效裝置；2為加料系統(tǒng)；3為雙室四電場電除塵器；4為燃油熱風爐；5為旋轉電極式電場；6為袋除塵器。

1.2 微顆粒捕集增效裝置工作原理

煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置安裝于電除塵器進口煙道內(nèi)，包括雙極荷電區(qū)、擾流聚合區(qū)兩大部分。對進入電除塵器前的粉塵進行分列荷電處理，使相鄰兩列的煙氣粉塵帶上正、負不同極性的電荷，并通過擾流裝置的擾流作用，使帶異性電荷的不同粒徑粉塵產(chǎn)生速度或方向差異而有效凝聚，形成大顆粒后被電除塵器有效收集，其工作原理如圖2所示，實物圖如圖3所示。

圖1 實驗大廳布置圖

圖2 煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置工作原理

圖3 煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置實物圖

2 數(shù)值計算物理模型

取文丘里管進口圓心為原點，擾流鈍體布置在文丘里管出口擴張管內(nèi)，擴張管距離原心d = 3580mm，擴張管長度n = 800mm，鈍體中心線偏離文丘里管中心線距離為m，鈍體粗端半球面與窄管端面間距為L，分別取四種布置方式。工況A：m = 40mm，L = 300mm；工況B：m = 80mm，L = 300mm；工況C：m = 120mm，L = 300mm；工況D：m = 0mm，L = 200mm；工況E：m = 0mm，L = 300mm；工況F：m = 0mm，L = 400mm。結構簡圖如圖4所示。為了提高計算精度，采用ICEM軟件劃分結構化網(wǎng)格，采用O型網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 結構簡圖

圖5 網(wǎng)格劃分

3 數(shù)學模型

數(shù)學模型包括連續(xù)相計算方程和顆粒相計算方程，湍流流場采用k-ε模型計算，顆粒相采用DPM模型計算。

連續(xù)方程如下：

動量守恒方程為：

煙道中煤灰顆粒的體積分數(shù)小于10%，采用拉格朗日法來描述煙塵顆粒與連續(xù)相的運動較為準確，將兩者作為惰性離散相顆粒處理，即選用DPM（離散相模型）模型來跟蹤顆粒運動。模型忽略其他相間作用力，只考慮saffman力和顆粒自身重力，顆粒相的作用力平衡方程在直角坐標系下的形式為：

式中：up為顆粒相速度； FD為連續(xù)相阻力；u為連續(xù)相速度；G為重力；Fsaffman為saffman力。

4 邊界條件

邊界條件設置如下表所示，考慮顆粒與連續(xù)相耦合作用，選用隨機渦模型計算連續(xù)相對顆粒相的作用，盡量同實驗實際條件吻合。

邊界條件的設置表

5 計算結果及討論

5.1 截面速度云圖

取x = 5m截面為研究對象，6種工況的速度云圖如圖6所示。截面存在明顯的速度差異，靠近壁面處流速較高，靠近鈍體中心線位置流速較低，且工況B、C低速區(qū)域比其他工況大，這種速度差異可以加快氣固兩相流體間的摻混，從而提高顆粒相的空間均勻分布。

圖6 x = 5m截面速度云圖

5.2 截面顆粒質(zhì)量濃度云圖

取x=5m截面為研究對象，6種工況的顆粒質(zhì)量濃度分布云圖如圖7所示，顆粒高濃度區(qū)域主要集中在y＞0區(qū)域，這是因為文丘里窄管處流速較高，顆粒從入料口進入文丘里后未及時擴散到整個截面區(qū)域，因此將鈍體布置在中心線偏上位置，對顆粒的擾流摻混作用更好，圖中A、B工況顆粒分布區(qū)域較大。

圖7 x=5m截面顆粒質(zhì)量濃度云圖

5.3 顆粒質(zhì)量濃度均方差曲線

分別取x = 4.5m、x = 5m、x = 5.5m、x = 6m、x = 7m、x = 8m五個截面為研究對象，對計算后各截面顆粒質(zhì)量濃度計算均方差，不同布置位置時，顆粒質(zhì)量濃度均方差曲線如圖8所示。計算結果表明，沿x軸方向顆粒均勻性逐漸提高，鈍體不同布置位置情況下最終顆粒濃度分布均勻性差別不大，即x = 7m、x = 8m截面數(shù)值差別不大；不同布置位置，濃度均勻性變化率不同，比較6種布置位置，工況B（m = 80mm，L = 300mm）效果最好，在x = 5m、x = 5.5m處顆粒濃度均勻性均好于其他工況。

圖8 顆粒質(zhì)量濃度均方差曲線

5.4 工況B的顆粒運動軌跡及各截面湍流強度云圖

工況B顆粒運動軌跡計算結果如圖9所示，其中深色為較大粒徑顆粒，淺色為較小粒徑顆粒。由圖可知，在文丘里管窄管處顆粒未及時擴散，主要集中在上部區(qū)域，在擴張管處，受到鈍體擾流和氣體擴張的雙重作用，顆粒運動軌跡發(fā)生較大的偏轉，對顆粒在空間的均勻分布起到了很好的促進作用；顆粒軌跡的偏轉程度沿x軸逐漸降低，這是因為鈍體擾流產(chǎn)生較大的湍流強度，該湍流強度沿x軸逐漸耗散，如圖10所示。

圖9 B工況顆粒運動軌跡

圖10 B工況各截面湍流強度云圖

6 結論

采用k-ε模型計算湍流流場，DPM模型計算顆粒相運動，分別計算鈍體6種不同布置位置情況下文丘里管各截面的速度、顆粒質(zhì)量濃度云圖、質(zhì)量濃度均方差值、顆粒運動軌跡和湍流強度云圖，通過比較分析，發(fā)現(xiàn)鈍體布置在偏離中心線以上80mm時，具有較好的擾流摻混效果。

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Position Numerical Value Calculation of Spoiling Flow and Blunt Body Collocation

YANG Ke-feng,WANG Hua,LIU Han-xiao,GUO Feng,PAN Min-xing
(Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co.,Ltd,Zhejiang Zhuji 311800,China)

The increasing of aggregate equipment of extra fine particulates is the effective measures to reduce PM2.5emission in power plant.In the experiment of turbulent flow agglomeration,the uniformity of feed charge will cause a great impact on PM2.5aggregate.By using numerical value method and adopting k-ε model,the paper calculates the flow field of turbulent flow and by adopting DPM model,the paper calculates the track of particulate movement.The paper analyzes the flow field parameter and the uniformity of particulate distribution in the different collocation position of spoiling flow and blunt body of the primary production test of PM2.5aggregate and finds out when the blunt body collocation departs at 80mm,it has a better spoiling flow and blending result.

fine particulate; experiment reform; numerical value simulation; uniformity of feed charge

X701

A

1006-5377（2015）06-0063-04

項目：國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）“燃煤電站PM2.5捕集增效優(yōu)化技術與裝備研制”（2013AA065002）。