角型管道式凝并器PM2.5凝并特性的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅 娜，葉和平，薛 陳，張羽澄，陳潤(rùn)澤，金建祥，沈 丹，劉本志

(鹽城工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

1 研究背景

在2016年入冬到2017年春季之間，我國(guó)一些地區(qū)特別是京津冀地區(qū),發(fā)生持續(xù)大面積重污染天氣。從污染最嚴(yán)重的京津冀地區(qū)放眼至全國(guó)，目前我國(guó)資源型城市同樣在轉(zhuǎn)型過(guò)程中面臨著煤煙型污染比重較大的問(wèn)題，燃煤鍋爐排放的大量微細(xì)粉塵(PM10及PM2.5)是影響我國(guó)城市大氣質(zhì)量和能見度的主要因素，并嚴(yán)重危害人體健康。

目前燃煤鍋爐廣泛使用的電除塵器、袋式除塵器和電袋復(fù)合除塵器均屬高效除塵設(shè)備，但電除塵器對(duì)PM10級(jí)粉塵的分級(jí)捕集效率只有44%，而電袋復(fù)合除塵器和袋式除塵器對(duì)PM2.5的分級(jí)捕集效率卻在30%左右，電除塵器分級(jí)捕集效率為16%左右[1]。針對(duì)分級(jí)捕集效率低的問(wèn)題，很有必要在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)強(qiáng)化凝并的技術(shù)和裝置。

1.1 國(guó)外研究概況

由于各國(guó)對(duì)顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格，為增強(qiáng)除塵效果需設(shè)置凝并器，就凝并器的研究而言，Watanabe等利用電凝并原理設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的三區(qū)電凝并ESP系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究；Feldman分析了湍流凝并的原理并在電廠進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，但并未見其有具體工業(yè)運(yùn)用報(bào)道；在聲波凝并方面，2002年澳大利亞Indigo公司開發(fā)第一個(gè)商業(yè)超細(xì)顆粒物凝并器等等。近年來(lái)的研究多在現(xiàn)象描述方面，對(duì)裝置的研究開發(fā)相對(duì)較少，未來(lái)還需要通過(guò)更多技術(shù)開發(fā)，才能進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用[2]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究概況

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多在電凝并、化學(xué)團(tuán)聚、聲波團(tuán)聚方面展開研究和初步應(yīng)用。華北電力大學(xué)胡滿銀及韓光等研究了超細(xì)粉塵凝并裝置中產(chǎn)渦段優(yōu)化布置。即針對(duì)自制凝并裝置，利用CFD軟件模擬不同流場(chǎng)與粒子軌跡。結(jié)果表明：速度越大，裝置產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度與渦量越大，粒徑越小，越容易發(fā)生凝并。浙江大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)燃煤大氣污染控制工程技術(shù)中心的張光學(xué)、劉建忠等開展了聲團(tuán)聚的研究即通過(guò)建立碰撞效率模型,研究其變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)碰撞效率對(duì)聲波團(tuán)聚的影響很大，粒徑越小,碰撞效率越低。華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭沂和權(quán)張軍營(yíng)等通過(guò)在除塵器前煙道內(nèi)噴入不同化學(xué)團(tuán)聚劑溶液,進(jìn)行了化學(xué)團(tuán)聚示范工程試驗(yàn)。綜合考察了不同溶液對(duì)除塵器除塵效率的影響,以及研究其他參數(shù)的影響。表明化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)有利于提高除塵設(shè)備的除塵效率[3-5]。

課題組基于流體力學(xué)凝并和雙極荷電等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一種角型PM2.5管道式凝并器凝并技術(shù)和裝置。該裝置位于除塵器入口煙道內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)除塵器對(duì)超細(xì)顆粒物的有效捕集，大幅度降低超細(xì)顆粒物排放。本文通過(guò)建立模型和數(shù)值模擬，研究凝并器內(nèi)部流場(chǎng)，并對(duì)凝并器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為超細(xì)粉塵凝并裝置產(chǎn)渦凝并段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

2 物理模型

2.1 凝并器結(jié)構(gòu)

角型管道式凝并器結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

1.荷電區(qū);2.凝并區(qū);3.負(fù)極板;4.正極板;5.角型橫條圖1 角型管道式凝并器結(jié)構(gòu)圖

構(gòu)造如圖1所示：整個(gè)凝并器呈管道式，安裝在主體除塵器-電除塵器，之前的進(jìn)氣管道中；凝并器由雙極荷電區(qū)和凝并區(qū)組成；雙極荷電區(qū)有一組正、負(fù)相間的平行通道，內(nèi)設(shè)負(fù)極板、正極板；凝并區(qū)中設(shè)置有2～4組橫條，每組橫條上下排列；相鄰兩組橫條錯(cuò)位設(shè)置，相鄰兩組間距取橫條斷面長(zhǎng)度的1.5倍；橫條的斷面形狀為角形、角形開口角度為60°～120°。

工作原理：如圖1所示氣流首先經(jīng)過(guò)雙極荷電區(qū)，粉塵通過(guò)時(shí)，一半粉塵粒子荷正電，一半荷負(fù)電。然后進(jìn)入凝并區(qū)，帶正電的粒子和帶負(fù)電的粒子在"靜電力凝并"和"湍流凝并"的共同作用下碰撞凝聚，超細(xì)顆粒變成大顆粒；接著進(jìn)入到后續(xù)主體除塵器內(nèi)部，粗大化的粒子便于除塵器收塵，這樣便減少了超細(xì)顆粒的排放。

2.2 顆粒的受力分析

荷電顆粒在凝并器內(nèi)所受的作用力非常復(fù)雜，包括重力、粒子之間庫(kù)侖力、浮力、氣體作用于顆粒的曳力、壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力、Magnus 力、Saffman 力、Basset 力等。荷電顆粒的運(yùn)動(dòng)方程該模型為二維水平模型，忽略重力作用，根據(jù)荷電顆粒的受力情況的分析，荷電顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為：

dUp/dt=Fs-Fd+Fe

(1)

式(1)中右邊 3 項(xiàng)分別為 Saffman 力、流體黏性阻力、顆粒庫(kù)侖力作用(忽略較為次要的作用力)。

2.3 假設(shè)條件及計(jì)算方法

模型求解的假設(shè)條件包括:(1)凝并器中飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)情況簡(jiǎn)化為稀疏氣固兩相流動(dòng)，氣相為不可壓縮流體;(2)假定飛灰顆粒由凝并器入口均勻進(jìn)入凝并器中;(3)忽略粒子擴(kuò)散率的影響;(4)假定粒子遷移率恒定不變;(5)將荷電飛灰間的庫(kù)侖力轉(zhuǎn)化為粒子的體積力，并且由于主要考慮庫(kù)侖力對(duì)粒子在橫向方向運(yùn)動(dòng)的影響，所以忽略其在縱向的作用。凝并器內(nèi)采用κ-ε模型模擬氣流流場(chǎng)，利用歐拉法求解。

2.4 網(wǎng)格劃分和邊界條件

采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，控制網(wǎng)格質(zhì)量以降低模擬結(jié)果對(duì)網(wǎng)格的依賴性，橫條周圍網(wǎng)格加密，經(jīng)優(yōu)化，最終網(wǎng)格總數(shù)為38622～40008個(gè)。入口邊界條件采用平均速度入口，顆粒入射速度與氣速相同;出口邊界條件采用充分發(fā)展管流條件;氣相壁面邊界采用無(wú)滑移壁面條件，在壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);氣體出口采用逃逸型，顆粒出口采用收集類型，壁面和橫條均采用彈性碰撞類型。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同組數(shù)角型橫條流場(chǎng)數(shù)值模擬

在入口氣流速度為5m/s這種工況下，分別對(duì)2組、3組、4組角型擾流橫條的凝并區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，飛灰顆粒粒徑為2.5μm。凝并區(qū)流場(chǎng)速度矢量圖見圖2。

從圖2可以看出，在橫條的周圍形成的顯著的擾流效果，沿著氣流方向，在橫條之前即有擾動(dòng)產(chǎn)生，在橫條之后，依然有擾流效果的延續(xù)。圖2(c)中，4組橫條形成的擾流最長(zhǎng)。氣流在凝并區(qū)通道中過(guò)流時(shí)，在斷面橫條的周邊，形成流速變化(圖中箭頭長(zhǎng)度代表速度大小)，存在著明顯的速度梯度，而速度梯度能形成良好的凝并；豎直方向上，相鄰2個(gè)橫條之間形成的較狹窄的通道中，氣流速度最大。同時(shí)，除了速度梯度，從速度矢量圖還可以看出，代表速度矢量的小箭頭，在橫條周圍的擾流中箭頭忽疏忽密，箭頭的方向也發(fā)生了改變，這說(shuō)明除了明顯的速度梯度之外，氣流中的超細(xì)顆粒的速度方向會(huì)隨氣流發(fā)生改變(而不是一直沿著水平方向前進(jìn))。不同速度方向的氣流的交匯，必然帶來(lái)氣流中超細(xì)顆粒的相遇和聚合，顯著增強(qiáng)凝并效果。在凝并區(qū)過(guò)流斷面中，添加了角型橫條，產(chǎn)生了氣流中不同速度數(shù)值的顆粒，不同速度方向的顆粒，這些加大了超細(xì)顆粒碰撞的幾率，形成了良好的凝并。

圖2 凝并區(qū)流場(chǎng)速度矢量圖

圖3 凝并區(qū)氣流速度分布云圖

凝并區(qū)氣流速度分布見圖3，從圖3可以看出，氣流在凝并區(qū)通道中過(guò)流時(shí)，在斷面橫條的周邊，形成流速變化(圖示速度等值線變化處，即圖中的任意兩種等值包絡(luò)線過(guò)渡區(qū)域)。凝并器內(nèi)分部氣流流速變化處成為湍流凝并主要發(fā)生區(qū)域。在橫條的背風(fēng)面形成了負(fù)壓區(qū),有小區(qū)域的氣流流動(dòng)死角。由橫條帶來(lái)的凝并區(qū)通道中氣流壓力變化較大，經(jīng)計(jì)算形成的壓力范圍為-35.1～85.5 Pa，壓力降(出口處與進(jìn)口處的壓力差值)為 96.5 Pa。從分析來(lái)看，橫條組數(shù)越多，擾流效果越好，凝并的效果就越好；但是橫條組數(shù)越多，整個(gè)凝并區(qū)通道的壓力降就越大，能耗越大。對(duì)比圖2(b)與(c)，3組角型橫條與4組角型橫條形成的擾流效果差不多，但3組橫條的壓力降比4組的壓力降(4組凝并區(qū)壓力降達(dá)119 Pa)小22.5 Pa。綜合考慮擾流效果和整個(gè)凝并區(qū)通道的壓力降，選擇設(shè)置3組角型擾流橫條。

3.2 不同角度角型橫條流場(chǎng)數(shù)值模擬

圖4 不同角度橫條凝并區(qū)流場(chǎng)速度矢量圖

見圖4 不同角度凝并區(qū)橫條流場(chǎng)速度矢量圖，(a)、(b)分別對(duì)應(yīng)角型橫條開口角度60°，120°。對(duì)比圖2(b)與圖4，不同的角型橫條開口角度會(huì)造成不同的擾流效果，120°的造成的擾流影響范圍最大，但是壓力降也是最大，在橫條的背風(fēng)面形成了較大面積的負(fù)壓區(qū)，在背風(fēng)面也造成了一定區(qū)域的流動(dòng)死角。60°的造成的擾流影響范圍較小，在橫條的背風(fēng)面形成了的負(fù)壓區(qū)，流動(dòng)死角很??；但在縱切斷面上，有擾流效果的速度梯度區(qū)域占整個(gè)凝并區(qū)的面積百分比相對(duì)最小。考慮擾流效果和整個(gè)凝并區(qū)通道的壓力降，設(shè)置90°角型橫條是優(yōu)化選擇。

4 結(jié)論

角型管道式凝并器在凝并區(qū)過(guò)流斷面中，添加了角型橫條，產(chǎn)生了流場(chǎng)中分部氣流不同速度數(shù)值，不同速度方向，這些加大了超細(xì)顆粒碰撞的幾率，形成了良好的凝并。綜合考慮擾流效果和整個(gè)凝并區(qū)通道的壓力降，設(shè)置3組角型橫條，角型開口角度設(shè)置90°是優(yōu)化選擇。

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[3] 韓 光.超細(xì)粉塵凝并裝置中產(chǎn)渦段優(yōu)化布置的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

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