濕法電除塵器內(nèi)噴霧過程霧滴運動特性研究

鄧杰文，曲宏偉

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206； 2.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

濕法電除塵器內(nèi)噴霧過程霧滴運動特性研究

鄧杰文1，曲宏偉2

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206； 2.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

分析濕法電除塵器作為在處理粉塵時，霧化液滴的運動情況直接影響顆粒物的脫除效率，采用CPFD方法模擬無電離情況下時臥式濕法電除塵器噴霧過程，并與實驗臺測得壓力數(shù)據(jù)進行對比。分析了液滴運動形態(tài)、壓力分布、速度分布等，分析表明:模擬所得的壓力值與實驗數(shù)值相吻合，煙氣在沿程的噴嘴作用下獲取動能不斷增加，同時霧化液滴在氣流出口位置出現(xiàn)回流，形成霧滴“空白”區(qū)域，與實驗現(xiàn)象基本吻合，驗證了CPFD方法預(yù)測霧化液滴運動規(guī)律的可行性。

濕法電除塵; CPFD方法; 噴嘴霧化; 顆粒污染物

0 引 言

近年來各地連續(xù)出現(xiàn)霧霾天氣，引起了人們對微細粉塵污染物關(guān)注，政府也發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標準》[1]要求火電廠采用各種措施降低微細粉塵的排放，其中濕法電除塵是較有效的方式之一[2-4]。濕法電除塵在降低酸霧、微小粉塵、重金屬[5]、氣溶膠粒子[6]等污染物排出方面性能有優(yōu)于普通電除塵器[7]，其主要原因在于濕法電除塵中的噴霧到形成水膜的過程中，細小的液滴能夠與這些污染物結(jié)合進而脫除，因此濕法電除塵器內(nèi)噴霧過程中形成的微小液體的運動軌跡會直接影響污染物的脫除效率。然而，濕法電除塵內(nèi)的霧化液滴粒徑較小，且流動過程不易采用實驗檢測，至今關(guān)于霧化液滴的運動行為研究比較稀少[8-10]。徐立成[11]采用云物理學冷凝核法理論來描述水霧對粉塵脫除的過程，他認為當粉塵和霧化液滴的粒徑相接近時，水霧能更好地脫除粉塵；Selvam等[12]分析了沸騰霧化噴射過程，這些研究都需要昂貴的實驗儀器才能完成，本文采用CPFD方法對多噴嘴聯(lián)合作用下的霧化過程進行數(shù)值模擬，揭示了濕法電除塵內(nèi)部霧化液滴的運動規(guī)律特點

1 數(shù)值方法

CPFD數(shù)值方法是Dale M. Snider[13]博士最先提出來運用歐拉-拉格朗日耦合求解方式來解決流體中顆粒三維運動的高效求解計算方法，其不同于其他多相流數(shù)值方法的地方在于CPFD在進行求解過程中，提出了“顆粒團”概念，將一定數(shù)量同類特征的實際顆粒進行打包形成計算顆粒，計算顆粒在流場中受到重力、摩擦力和顆粒相互碰撞作用力，氣體相和顆粒相運動通過各自的控制方程完成求解，在這個過程中對應(yīng)氣體的控制方程[14]為

(1)

(2)

式中：θg表示氣相占據(jù)體積比例；ρg和υg表示氣體物質(zhì)密度和流動速度；τg表示氣相應(yīng)力張量；Sg表示氣體源項；P表示氣壓；g表示重力加速度；F表示兩相之間的粘性力：

(3)

式中：μg表示氣相動力粘度；rp表示顆粒半徑;υp表示顆粒相速度;ρp表示顆粒相密度;f表示概率分布函數(shù);fb由曳力模型給出。

本文涉及到的曳力模型是Wen-Yu/Ergun模型，這種模型是通過Wen-Yu模型與Ergun模型進行線性變換得到的，因此由曳力模型決定的系數(shù)，表述如式(4)：

(4)

式中：θcp表示顆粒處于壓實狀態(tài)的體積分數(shù)，fw、fe是通過Wen-Yu模型和Ergun模型得到的。

在計算顆粒碰撞時，采用的顆粒法向應(yīng)力表達方程如下：

(5)

式中：Ps為大于零的常數(shù)；γ是模型的自有系數(shù)，取值范圍為[1.2，5]；ε是構(gòu)建的一個小量，用于消除模型中奇異點。

2 幾何模型與邊界條件

2.1 濕法電除塵模型尺寸

本文是以濕法電除塵實驗臺為計算基礎(chǔ)，根據(jù)實際濕法電除塵尺寸，沿煙氣通流方向取一個計算單元，該計算單元包含兩排集塵板，計算單元長度為9.6 m，高度6 m，兩側(cè)集塵板相距0.455 m，實驗臺最外層兩側(cè)玻璃擋板距離0.5 m，實驗臺使用U型管差壓計來測量壓力，沿水平方向上每間隔五個噴嘴距離設(shè)置一組壓力測點，每一組測點沿垂直方向設(shè)置三個位置點，如圖1所示，圖中O點為相對坐標原點，水平方向是X軸方向，垂直方向為Y軸方向。

1 氣流均布板 2集塵板 3 噴嘴 4 排水口 5 霧化水進水管 6 壓力檢測點圖1 濕法電除塵實驗布置圖與集塵板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The experimental arrangement of WESP and dust collecting plate structure

2.2 求解邊界條件與網(wǎng)格

設(shè)置煙氣入口氣流速度2 m/s，入口壓力95 700 Pa，噴嘴速度25 m/s，總質(zhì)量流量0.1 kg/s，cpfd計算方法是基于笛卡爾網(wǎng)格體系的，因此對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分時，應(yīng)以影響流體變化的特征為主構(gòu)建網(wǎng)格，該計算單元網(wǎng)格算為500 976個，在處理液滴和煙氣之間曳力模型時選擇Wenyu- Ergun模型。

根據(jù)噴嘴霧化特點，一般噴嘴霧化過程中液滴粒徑分布[15]采用累積體積分布曲線如圖2所示，這種方式是某一粒徑下霧滴數(shù)量或體積占有霧滴總數(shù)量或總體積的百分數(shù)作為霧滴粒徑分布表述。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 霧滴分布情況

水經(jīng)過噴嘴霧化噴出后在煙氣的作用下向出口運動，霧滴剛離開噴嘴時速度較高，經(jīng)過擴散遠離噴嘴位置，速度就明顯降低。由于噴嘴出口的流速比較大，且入口煙氣的流動方向?qū)娮靽娚浞绞酱怪?，因此在噴嘴的作用下煙氣的運動方向也出現(xiàn)變化，方向變化后的煙氣帶動霧滴運動就造成靠近入口側(cè)的霧滴比較稀薄，霧滴的流動形態(tài)如圖3，圖中依次是1s到5s的霧化運動狀態(tài)，原本霧滴未到達空間隨著擴散時間的增加開始減少，這些空間逐漸形成“三角”形狀；此外，煙氣流通時間越長噴嘴噴射對煙氣的作用越明顯，且在出口位置出現(xiàn)的霧滴“空白”區(qū)域也越明顯，當整個過程趨于穩(wěn)定時，整個“空白”區(qū)域的范圍也就基本不再變化，這與實驗中的現(xiàn)象相同。

圖3 霧化液滴粒不同時間的運動形態(tài)Fig.3 Droplets movement forms at different time

圖4為霧滴在流通空間的濃度分布情況，可以發(fā)現(xiàn)霧滴的“空白”區(qū)域出現(xiàn)在第16個噴嘴到除塵器出口區(qū)間，在前面提及到的“三角形”區(qū)域中，霧滴在煙氣的作用下，其中一部分運動到集塵板附近，且中間位置霧滴體積分數(shù)基本為零，這就形成了一個倒U型，這個形狀有利于粉塵在電場力作用下與霧滴結(jié)合形成更大的顆粒，提高除塵效率。

圖4 不同位置噴嘴中心截面霧滴體積百分數(shù)Fig.4 The volume percentage of droplets of the different nozzle section position

3.2 速度與壓力分布情況

圖5是第5s時煙氣在流場內(nèi)的速度分布情況，從速度云圖可以看出煙氣進入除塵器內(nèi)，在噴嘴的噴射作用下流向發(fā)生了改變，并且速度增加明顯，這是由于噴嘴噴射出的霧化液位煙氣提供了動能，煙氣的最大速度出現(xiàn)在出口側(cè)偏下方位置，從矢量圖來看，煙氣在出口側(cè)上端出現(xiàn)了回流，使得這個區(qū)域的霧滴在煙氣的作用下向遠離出口端運動，因此出現(xiàn)圖3和圖4中的霧滴“空白”區(qū)域。

圖5 第5s時煙氣速度分布情況與速度矢量圖Fig.5 Flue gas velocity distribution and velocity vector diagram on the 5th second

圖6 沿Z軸方向截面上的煙氣速度分布云圖Fig.6 The flue gas velocity distribution along the Z axis

圖6顯示的幾個截面上的煙氣分布云圖，左右兩側(cè)位置為集塵板，計算結(jié)果表明距離集塵板越近煙氣速度越小，使得這些區(qū)域的霧滴速度也比較低，更有利于液膜的形成；結(jié)合圖5可以看出，煙氣在出口側(cè)靠近下端位置速度達到最大。

圖7 不同位置煙氣流速Fig.7 Flue gas flow velocity at different locations

煙氣速度值與X軸位置關(guān)系如圖7所示，可以看出Y值為0.5 m和1.5 m兩個監(jiān)測位置，當水平距離(X軸)到5 m到8 m位置出現(xiàn)先下降在上升的趨勢，結(jié)合圖5可以看出這個區(qū)域噴嘴影響煙氣最明顯，煙氣速度和方向發(fā)生明顯改變；總體上來看，煙氣流速距離入口越遠數(shù)值越大，這是沿程經(jīng)過噴嘴不斷加速造成的。垂直方向上距離噴嘴越遠煙氣流速越快，這是由于靠近噴嘴側(cè)煙氣的流向發(fā)生改變，并獲取了噴嘴提供的動能，在作用之初，煙氣仍保持上一個時刻速度狀態(tài)，隨著擴散作用完成了能量傳遞，因此才會形成出口下端速度較大的現(xiàn)象。

圖8 不同位置霧滴速度Fig.8 The droplet velocity at different locations

霧滴速度值與Y軸位置關(guān)系如圖8所示，發(fā)現(xiàn)霧滴離開噴嘴后，攜帶的能量傳遞給煙氣，因此霧滴速度快速下降；靠近除塵口位置(X=9.36 m)時，霧滴的速度最先下降到0，這是由于前面提及到的霧滴“空白”區(qū)域中是沒有霧滴存在的，其他位置出現(xiàn)霧滴速度為0，是因為圖4中形成倒U型的霧滴分布，霧滴分布在靠近集塵板兩側(cè)，中心區(qū)域也不存在霧滴，只有煙氣通過。

為了驗證CPFD方法的準確性和可行性，根據(jù)實驗中壓力測點位置提取計算結(jié)果中與之對應(yīng)的壓力數(shù)值進行對比如圖9所示。從數(shù)值計算結(jié)果可以看到，沿噴嘴噴射方向(Y軸方向)靜壓值升高，這是由于噴嘴在噴霧過程中高速的霧化液滴會增加煙氣Y軸方向速度分量，從而使得靜壓值降低，因此距離噴嘴越近的位置壓力值越小，反之，距離噴嘴越越遠壓力值越大；同一高度時，壓力值基本接近，X值在7 m到9.6 m范圍時，壓力值開始下降，上述結(jié)論在實驗數(shù)據(jù)中也得到體現(xiàn)，可計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。

圖9 不同位置壓力測點計算數(shù)值與實驗數(shù)值對比Fig.9 The simulation pressure values and experiment pressure values at different locations

4 結(jié) 論

本文采用CPFD方法對濕法電除塵內(nèi)霧滴運動情況進行模擬，從霧滴流動形態(tài)、煙氣速度分布特點、壓力分布方面對濕法電除塵內(nèi)的兩相流進行研究分析，得出如下結(jié)論：

(1)霧滴噴射過程會改變煙氣流動情況，提高煙氣出口流速的同時，還會使得出口上端出現(xiàn)煙氣回流區(qū)，使得這個區(qū)域霧滴方向變化，形成一個霧滴“空白”區(qū)域；

(2)煙氣在除塵器中運動時，靠近集塵板附近的煙氣速度比較小，使得這些位置的霧滴流流速很小，霧滴在垂直橫截面上成倒U型分布，有利于液膜的形成；

(3)實驗獲取了12個壓力測點位置的壓力值，與數(shù)值計算得到壓力數(shù)值相吻合，同時計算中出現(xiàn)的霧滴“空白”區(qū)域也在實驗中存在，因此通過CPFD方法計算濕法電除塵中霧滴運動形態(tài)是可靠的。

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Studies on Motion Characteristics of Droplet in Spray Process of WESP

DENG Jiewen1, QU Hongwei2

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012,China.)

When the wet electrostatic precipitators (WESP) deal with dust, the movement of atomized droplets directly will affect the removal efficiency of particulate. In this paper, the CPFD method was used to simulate the spray process in horizontal WESP without ionization. And the simulation results were compared with the experimental data of pressure. The movement patterns of the droplets, pressure distribution and velocity distribution were analyzed. Analysis showed that the results of simulation were consistent with experimental data and kinetic energy of flue gas was increasing owing to the effect of nozzles, meanwhile the atomized droplets backflow at the outlet of stream formed a “blank” area of droplet. All of these accord with the experimental phenomenon. Therefore, the CPFD method to predict the movement of atomized droplets is feasible.

WESP; CPFD method; nozzle atomization; particulate pollutant

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.02.15

2016-05-26.

TK223.27

A

1007-2691(2017)02-0105-06

鄧杰文(1985-)，男，博士研究生，主要研究方向為火電廠顆粒污染脫除技術(shù)。