煙氣流速對(duì)湍流渦旋以及顆粒凝并影響的研究

陳亞偉， 熊揚(yáng)恒， 潘祖明， 周建龍， 周 盟

(1.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072； 2.武漢利康能源有限公司，武漢 430000)

煙氣流速對(duì)湍流渦旋以及顆粒凝并影響的研究

陳亞偉1， 熊揚(yáng)恒1， 潘祖明2， 周建龍1， 周 盟1

(1.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072； 2.武漢利康能源有限公司，武漢 430000)

采用歐拉-拉格朗日法結(jié)合O'Rouekr碰撞模型，模擬了電廠滿負(fù)荷下靜電除塵器前的煙道流速區(qū)間內(nèi)顆粒物的碰撞和凝并.結(jié)果表明：凝并器入口煙氣流速越大，凝并區(qū)的湍流強(qiáng)度和渦量越大，有利于減少細(xì)顆粒物的數(shù)量，但減少的幅度較??；凝并器入口煙氣流速越大，顆粒物在凝并區(qū)的停留時(shí)間越短，碰撞凝并形成的顆粒物粒徑也越小，不利于形成粒徑較大的顆粒物，所研究的電廠常見煙氣流速范圍內(nèi)凝并器入口煙氣流速的提高對(duì)湍流凝并的負(fù)面作用大于正面作用.

細(xì)顆粒物； 煙氣流速； 顆粒停留時(shí)間； 湍流凝并

近年來，可吸入顆粒物(PM10)特別是空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5 μm的細(xì)顆粒物(PM2.5)已取代SO2和NOx成為我國首要的大氣污染物.細(xì)顆粒物能夠長期懸浮于大氣環(huán)境中，具有較大的比表面積，可以吸附大量的重金屬等有害物質(zhì)，一旦進(jìn)入人體沉積，將會(huì)對(duì)呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害.

目前，靜電除塵器以除塵效率高、能耗低、處理煙氣量大、能處理高溫氣體和技術(shù)比較成熟等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于除塵行業(yè)[1].靜電除塵器的除塵效率可以達(dá)到99.9%以上，但是由于細(xì)顆粒物的荷電能力弱，因此仍有一大部分的細(xì)顆粒物被排放到空氣中，使燃煤電站無法達(dá)到最新的排放標(biāo)準(zhǔn).湍流凝并作為一種煙氣預(yù)處理技術(shù)，因其改造簡單及運(yùn)行和維護(hù)成本低，成為近年來國內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn).湍流凝并是指在靜電除塵器前的煙道安裝擾流裝置，通過產(chǎn)渦和增加氣流擾動(dòng)，增大顆粒物的碰撞概率，從而使細(xì)顆粒物凝并成粒徑較大的顆粒物，進(jìn)而被靜電除塵器捕獲.

電廠在滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，靜電除塵器前的煙道內(nèi)煙氣流速約為10～14 m/s，煙氣流速不僅會(huì)影響到顆粒物的運(yùn)動(dòng)和碰撞，還會(huì)影響流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度和渦量大小.樊建人等[2]的研究表明，流速越大、控制體內(nèi)顆粒物數(shù)量越多，顆粒物的碰撞概率越大.劉忠等[3]對(duì)凝并器內(nèi)的流場(chǎng)和顆粒物運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，流速越大，顆粒物受湍流的影響越大，發(fā)生碰撞凝并的概率也越大.韓光[1]對(duì)7 m/s、10 m/s和14 m/s 3種煙氣流速下產(chǎn)渦裝置的凝并效果進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，流速越大，湍流強(qiáng)度越強(qiáng)，渦量越大，碰撞的概率也就越大，越有利于細(xì)顆粒物的凝并.但同時(shí)韓光等人也指出，上述結(jié)論只是單從氣流方面來說，具體效果還應(yīng)該考慮流速對(duì)顆粒物運(yùn)動(dòng)的影響.煙氣流速對(duì)顆粒物運(yùn)動(dòng)的直接影響就是顆粒物在凝并器內(nèi)的停留時(shí)間，停留時(shí)間的長短直接影響單位時(shí)間內(nèi)所研究控制體內(nèi)顆粒物的濃度，而顆粒物的濃度又會(huì)對(duì)顆粒物的凝并效果產(chǎn)生影響.

筆者運(yùn)用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件Fluent模擬不同凝并器入口煙氣流速下單通道內(nèi)顆粒物的流動(dòng)及凝并，通過對(duì)顆粒物停留時(shí)間和凝并器出口處不同粒徑顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行分析，研究煙氣流速對(duì)細(xì)顆粒物凝并的影響.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流場(chǎng)與顆粒場(chǎng)計(jì)算模型

本文研究對(duì)象屬于氣固兩相流，由于顆粒物的體積率小于10%，因此采用歐拉-拉格朗日法進(jìn)行模擬[4].對(duì)于連續(xù)相，流體作為連續(xù)介質(zhì)在歐拉坐標(biāo)系下進(jìn)行描述.首先采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到迭代初場(chǎng)，然后采用分離渦模型(DDES)[5-6]進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算.壓力-速度耦合采用Simple算法，壓力-連續(xù)方程采用Presto方法，k、ε均取二階迎風(fēng)格式，動(dòng)量采用有界中心差分格式，非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)采用有界二階隱式格式.對(duì)于離散相，采用離散項(xiàng)模型在拉格朗日坐標(biāo)系下進(jìn)行描述，顆粒物運(yùn)動(dòng)選用隨機(jī)游走模型，顆粒物碰撞及凝并采用O'Rouekr碰撞運(yùn)算法則[7-8].

計(jì)算選用非穩(wěn)態(tài)模型，時(shí)間步長設(shè)置為0.001 s，共計(jì)算1 000步.流場(chǎng)入口選用速度入口模型，每一個(gè)時(shí)間步長在凝并器入口均勻入射520個(gè)粒子，其中直徑為0.1 μm的粒子數(shù)量占25%，1 μm的占50%，10 μm的占25%.流場(chǎng)出口設(shè)置為自然出流，顆粒物為逃逸型.壁面采用無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面和凝并元件均采用彈性碰撞.

1.2 顆粒受力分析

顆粒物在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是其所受的多種力混合作用的結(jié)果.按照顆粒受力的來源可分為：顆粒物自身在場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的力(體積力)、氣體對(duì)顆粒物的作用力(浮力、黏性阻力、虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力、Basset力、Magnus升力和Saffman升力)以及顆粒物之間的相互作用力[9].但是在實(shí)際計(jì)算時(shí)，由于顆粒物質(zhì)量很小且在凝并器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間很短，可以忽略重力和浮力的影響.

(1) 黏性阻力.

黏性阻力是影響顆粒物運(yùn)動(dòng)的重要因素，只要顆粒物與氣體間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)有黏性阻力的存在.對(duì)于勻速、等溫、不可壓縮黏性流體，假設(shè)顆粒物為球狀，則當(dāng)單個(gè)顆粒物在流體中運(yùn)動(dòng)且具有相對(duì)速度(vf-vp)時(shí)，由于流體的黏性，顆粒物受到的流體黏性阻力FD可表示如下：

(1)

式中：dp為顆粒物直徑；ρf為連續(xù)相密度；CD為阻力系數(shù)；vf和vp分別為流體和顆粒物的速度.

黏性阻力系數(shù)CD是與顆粒物雷諾數(shù)有關(guān)的量，顆粒物雷諾數(shù)可由式(2)求出：

(2)

式中:μ為顆粒物的動(dòng)力黏度.

(2) 虛擬質(zhì)量力.

當(dāng)顆粒物相對(duì)流體做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，不但顆粒物速度越來越大，而且顆粒物周圍流體的速度也會(huì)增大.推動(dòng)顆粒物運(yùn)動(dòng)的力不但用于增加顆粒物本身的動(dòng)能，同時(shí)也增大了顆粒物周圍流體的動(dòng)能，因而該力將大于用于加速顆粒物的力，相當(dāng)于顆粒物的質(zhì)量增加，所以將這部分增加質(zhì)量的力稱為虛擬質(zhì)量力，其表達(dá)式如下：

(3)

對(duì)于氣固兩相流，由于氣體密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顆粒物的密度，所以虛擬質(zhì)量力相對(duì)于慣性力而言可以忽略不計(jì).

(3) 壓力梯度力.

在有壓力梯度的流動(dòng)中，由于顆粒物周圍流體壓力梯度的存在，總有壓力的合力作用于顆粒物上，其表達(dá)式如下：

(4)

該力的大小等于顆粒物的體積與壓力梯度的乘積，方向與壓力梯度相反.在通常情況下，氣體的加速度與顆粒物的加速度處于同1個(gè)數(shù)量級(jí)，而氣體的密度則比顆粒物的密度小3個(gè)數(shù)量級(jí)，由此說明，壓力梯度力比顆粒物本身的慣性力小3個(gè)數(shù)量級(jí)，通?？梢院雎圆挥?jì)[11].

(4)Basset力.

Basset力是指顆粒物在黏性流體中進(jìn)行急劇加速運(yùn)動(dòng)時(shí)(或非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí))所受到的一種黏性阻力，其表達(dá)式如下：

(5)

式中：t0為開始時(shí)刻；t′為積分變量；μf為黏性流體的動(dòng)力黏度.

研究表明，對(duì)于氣固兩相流，由于氣體密度遠(yuǎn)小于顆粒物密度，因此Basset力通常可以忽略不計(jì).

(5) Magnus升力.

若在流場(chǎng)中存在速度梯度，該速度梯度可以引起顆粒物的旋轉(zhuǎn).此時(shí)，除球體因速度梯度發(fā)生旋轉(zhuǎn)外，還因速度大的一側(cè)壓力小，速度小的一側(cè)壓力大，產(chǎn)生的壓力差將推動(dòng)球體向速度大的一側(cè)移動(dòng)，這種推動(dòng)力稱為Magnus升力.其表達(dá)式如下：

(6)

式中：ω為顆粒物旋轉(zhuǎn)角速度.

除近壁區(qū)外，在流場(chǎng)大部分區(qū)域顆粒物受到的Magnus升力不明顯，Magnus升力比黏性力至少要小1個(gè)數(shù)量級(jí)，可以忽略不計(jì).

(6) Saffman升力.

Saffman證明，當(dāng)顆粒物處在有速度梯度的流場(chǎng)中時(shí)，即使顆粒物沒有旋轉(zhuǎn)，其也受一橫向升力，該力稱為Saffman升力.Saffman升力與Magnus升力不同，它不是由于顆粒物旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，而是由速度梯度引起的.Saffman升力Fs的表達(dá)式如下：

(7)

當(dāng)剪切流動(dòng)較大時(shí)，Saffman升力應(yīng)予以考慮.

綜上所述，在研究顆粒物的運(yùn)動(dòng)和碰撞時(shí)，主要考慮顆粒物所受到的黏性阻力和Saffman升力，這樣既不會(huì)影響計(jì)算的準(zhǔn)確性，又可以簡化模型，節(jié)約計(jì)算成本.

2 物理模型

計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L1 800 mm、寬100 mm、高70 mm的長方體單通道，在凝并器通道兩側(cè)壁面布置9級(jí)對(duì)稱的凝并元件(擾流片)，第一級(jí)凝并元件距凝并器入口50 mm，每級(jí)間距180 mm.凝并元件結(jié)構(gòu)[8]如圖1所示.

圖1 凝并元件結(jié)構(gòu)示意圖

3 模擬結(jié)果與分析

電廠在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，靜電除塵器前煙道內(nèi)的煙氣流速約為10～14 m/s，因此選取10 m/s、12 m/s和14 m/s 3種情況作為研究對(duì)象，每個(gè)時(shí)間步長在凝并器入口處均勻入射520個(gè)粒子，其中直徑為0.1 μm的顆粒物占25%，1 μm的占50%，10 μm的占25%.在凝并器出口對(duì)顆粒物進(jìn)行隨機(jī)采樣，分析凝并器出口顆粒物的停留時(shí)間和粒徑分布.

3.1 不同凝并器入口煙氣流速下流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度和渦量

凝并器入口煙氣流速對(duì)流場(chǎng)的影響主要體現(xiàn)在流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度(Turbulent Kinetic Energy-k)和渦量(Vorticity Magnitude)大小上，而流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度和渦量又是影響顆粒物碰撞和凝并的2個(gè)重要因素.表1給出了3種典型凝并器入口流速下計(jì)算區(qū)域總的湍流強(qiáng)度和渦量以及平均湍流強(qiáng)度和渦量.

表1 不同凝并器入口煙氣流速下流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度和渦量

Tab.1 Turbulent intensity and vorticity of flow field under different flue gas velocities at coagulator inlet

入口煙氣流速v/(m·s-1)總湍流強(qiáng)度/(m2·s-2)總渦量/s-1平均湍流強(qiáng)度/(m2·s-2)平均渦量/s-1101．55×1077．11×1094．56633．56122．06×1077．87×1097．00731．38142．67×1078．20×1098．40831．83

由表1可知，隨著凝并器入口煙氣流速的增大，流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度和渦量也隨之增大，這與之前學(xué)者的研究結(jié)果相符[13].

3.2 不同凝并器入口煙氣流速下顆粒物的停留時(shí)間

顆粒物在凝并器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是由凝并器入口煙氣流速、凝并器結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)條件以及顆粒物粒徑等多種因素共同決定的.其中，凝并器入口煙氣流速是影響顆粒物在凝并器內(nèi)停留時(shí)間的重要因素.圖2和圖3分別為不同凝并器入口煙氣流速下顆粒物數(shù)量遞減百分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化圖和顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)分布圖.

圖2 不同凝并器入口煙氣流速下不同停留時(shí)間的顆粒物數(shù)量遞減百分?jǐn)?shù)

Fig.2 Degressive percentage of the number of particles at different retention time under various flue gas velocities at coagulator inlet

圖3 不同凝并器入口煙氣流速下不同停留時(shí)間區(qū)間的顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)

Fig.3 Percentage of the number of particles in different intervals of retention time under varions flue gas velocities at coagulator inlet

從圖2可以看出，隨著凝并器入口煙氣流速的增大，顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的遞減曲線向橫軸的左側(cè)移動(dòng)，停留時(shí)間長時(shí)顆粒物數(shù)量減少，停留時(shí)間短時(shí)顆粒物數(shù)量增加.同樣，從圖3也可以看出，當(dāng)凝并器入口煙氣流速為10 m/s時(shí)，幾乎沒有顆粒物的停留時(shí)間在0.1 s以下；而當(dāng)凝并器入口煙氣流速增大到12 m/s時(shí)，停留時(shí)間在0.1 s以下的顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)就已經(jīng)超過了30%；當(dāng)凝并器入口煙氣流速達(dá)到14 m/s時(shí)，這一百分?jǐn)?shù)更是超過了50%.凝并器入口煙氣流速越高，在凝并區(qū)停留時(shí)間長的顆粒物越少，大量顆粒物很快地運(yùn)動(dòng)出凝并區(qū)，降低了凝并區(qū)的顆粒物濃度，從而影響顆粒物的碰撞和凝并.

3.3 不同凝并器入口煙氣流速下顆粒物的凝并效果

從第3.1節(jié)和第3.2節(jié)的研究可以看出，一方面，凝并器入口煙氣流速的增大可以增大流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度和產(chǎn)渦效果，有利于增加顆粒物的碰撞次數(shù)，提高凝并效果；另一方面，隨著流速的增大，顆粒物在凝并區(qū)的停留時(shí)間變短，造成凝并區(qū)的顆粒物濃度降低，凝并效果變差.因此，筆者重點(diǎn)研究凝并器入口煙氣流速和顆粒物在凝并區(qū)的停留時(shí)間對(duì)凝并效果的影響，并找出起主導(dǎo)作用的一方.圖4和圖5分別給出了凝并器出口不同粒徑顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)遞減曲線以及不同粒徑區(qū)間的顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù).

圖4 凝并器出口不同粒徑顆粒物數(shù)量遞減百分?jǐn)?shù)

Fig.4 Degressive percentage of the number of particles with different diameters at coagulator outlet

圖5 不同粒徑區(qū)間顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)

模擬結(jié)果顯示，在0.1～<1 μm區(qū)間，煙氣流速高時(shí)顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)較?。辉?～<2.5 μm和10～<20 μm區(qū)間內(nèi)煙氣流速越高，顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)越大；而在2.5～<5 μm、5～<10 μm以及20 μm以上3個(gè)區(qū)間，顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)隨煙氣流速的增大而減小.這是因?yàn)楫?dāng)煙氣流速較高時(shí)，由于流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度大、產(chǎn)渦效果好，增大了細(xì)顆粒物之間以及細(xì)顆粒物與粒徑大的顆粒物之間的碰撞凝并概率，因此煙氣流速越高，粒徑為1 μm以下的顆粒物所占百分?jǐn)?shù)越低.但從圖4也可以看出，隨著煙氣流速的增大，1 μm以下顆粒物所占百分?jǐn)?shù)減小的幅度有限，煙氣流速14 m/s時(shí)的顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)只比煙氣流速10 m/s時(shí)減小了0.61%.另一方面，由于煙氣流速的增大，顆粒物在凝并區(qū)的停留時(shí)間縮短，凝并區(qū)顆粒物的瞬時(shí)濃度降低，減小了顆粒物繼續(xù)碰撞凝并成為超大顆粒物的概率，因此，顆粒物碰撞凝并成的顆粒多集中在1～<2.5 μm和10～<20 μm 2個(gè)區(qū)間，而在2.5～<5 μm、5～<10 μm以及20 μm以上3個(gè)區(qū)間，顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)隨煙氣流速的增大而減小.

4 結(jié) 論

(1) 在所模擬的煙氣流速范圍內(nèi)，凝并器入口煙氣流速越高，凝并區(qū)的湍流強(qiáng)度和渦量越大，但顆粒物在凝并區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間也越短，當(dāng)煙氣流速由10 m/s增大到14 m/s時(shí)，停留時(shí)間在0.1 s以下的顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)由近乎零增大到超過50%.

(2) 提高凝并器入口煙氣流速，有利于減少細(xì)顆粒物的數(shù)量，但減少的幅度有限，煙氣流速14 m/s時(shí)粒徑在0.1～<1 μm之間的顆粒物數(shù)量百分?jǐn)?shù)只比煙氣流速10 m/s時(shí)減小了0.61%.

(3) 凝并器入口煙氣流速越大，碰撞凝并形成的顆粒物粒徑也越小，不利于形成超大顆粒物，因此并不是煙氣流速越大，湍流凝并的效果就越好，通過對(duì)比模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為在電廠滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，靜電除塵器前煙道的煙氣流速在10～14 m/s的條件下,凝并器入口煙氣流速的提高對(duì)湍流凝并的負(fù)面效果大于正面效果.

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Effects of Flue Gas Velocity on the Formation of Turbulent Vortex and the Coagulation of Fine Particles

CHENYawei1,XIONGYangheng1,PANZuming2,ZHOUJianlong1,ZHOUMeng1

(1.School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. Wuhan Likang Energy Co., Ltd., Wuhan 430000, China)

A simulation was conducted on the collision and coagulation of particles flowing in the flue duct before electrostatic precipitator of a power plant under full load conditions using Eulerian-Lagrangian method and O'Rouekr collision model. Results show that, the higher the flue gas velocity is at the coagulator inlet, the larger the turbulent intensity and vorticity will be, which is favorable for the reduction of small particles, but in a limited degree; whereas, the higher the flue gas velocity is at the coagulator inlet, the shorter the residence time of particles will be in the coagulation zone, and the smaller the particles will be formed by collision and coagulation, which is unfavorable for the formation of large particles. Within the common range of flue gas velocity in a power plant, the increase of flue gas velocity at the coagulator inlet has a negative impact stronger than positive impact on the turbulence coagulation.

fine particles; flue gas velocity; particle residence time; turbulence coagulation

2016-05-19

2016-07-14

陳亞偉(1990-)，男，河南輝縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電超低排放系統(tǒng)建模、優(yōu)化與控制. 電話(Tel.):18672755830；E-mail:cyw711@163.com.

1674-7607(2017)05-0408-05

X513

A 學(xué)科分類號(hào)：610.30