多場(chǎng)耦合作用脫除PM2.5的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

楊晨鵬，朱家驊，楊海濤，陳 倬，段 旬

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065)

近年來PM2.5污染嚴(yán)重，空氣質(zhì)量明顯下降，究其根本，過程工業(yè)尾氣排放是其主要原因[1]。2016年我國全面執(zhí)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)苛，尾氣除塵勢(shì)在必行。傳統(tǒng)除塵技術(shù)[2]難以適應(yīng)我國基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展階段尾氣除塵，尤其是對(duì)于PM2.5脫除。

基于工業(yè)尾氣自身具有余熱的特性，課題組提出了廢氣廢水交叉流陣列變溫脫除PM2.5新方法[3]，利用氣液間傳熱傳質(zhì)推動(dòng)力，促進(jìn)PM2.5脫除，取得以廢治廢的效果。工業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量低溫廢水和高溫廢氣，氣液兩相接觸時(shí)，將同時(shí)進(jìn)行傳熱傳質(zhì)。傳熱傳質(zhì)過程中顆粒受到熱泳力和擴(kuò)散泳力作用，促進(jìn)顆粒的脫除。Calvert等人[4]對(duì)熱泳力和擴(kuò)散泳力脫除顆粒進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱泳力和擴(kuò)散泳力對(duì)細(xì)顆粒物脫除效果明顯；王翱[5]等人發(fā)現(xiàn)，脫除顆粒時(shí)擴(kuò)散泳力作用強(qiáng)于慣性作用；余徽[6]等人對(duì)熱泳力脫除顆粒進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果預(yù)測(cè)誤差較大。先前的研究很難了解多場(chǎng)耦合作用對(duì)顆粒脫除的影響，顆粒在流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)中受到多種機(jī)理作用，運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，還需深入研究。

本文基于歐拉-拉格朗日模型，考慮熱泳力、擴(kuò)散泳力影響，對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)耦合作用下液膜捕集顆粒過程進(jìn)行模擬，并通過氣液交叉流除塵實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性。

1 數(shù)學(xué)模型

裝置幾何模型如圖1所示，液相沿纖維繩降膜，形成均勻穩(wěn)定的液膜；含塵氣體沿垂直于纖維繩方向橫掠液膜柱，其中的顆粒物受到慣性力、布郎擴(kuò)散、熱泳力和擴(kuò)散泳力等作用，在各力共同作用下向液膜柱移動(dòng)，與液膜柱接觸后被捕捉。

模擬計(jì)算時(shí)不考慮降膜對(duì)顆粒捕集的影響，簡(jiǎn)化為二維模型。

圖1 氣液交叉流模型示意圖

模擬計(jì)算中的連續(xù)性方程為：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程

Gk、Gb為平均速度梯度和浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能，YM表示波動(dòng)膨脹的影響，αk和αε為逆效應(yīng)普朗特?cái)?shù)，Sk和Sε為源項(xiàng)。

其中μt為渦黏度，由k和ε計(jì)算得到：

模型中的參數(shù)設(shè)置如下：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

水蒸氣傳質(zhì)擴(kuò)散由組分輸運(yùn)模型計(jì)算：

Yi為組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Si為源項(xiàng)生成率，Ri為組分化學(xué)反應(yīng)生成率。

顆粒運(yùn)動(dòng)方程：

FD(u-up)是顆粒受到單位質(zhì)量的曳力：

其中u為流體速度，up為顆粒速度，μ為流體動(dòng)力粘度，ρ為流體密度，ρp為顆粒密度，dp為顆粒直徑，Re為相對(duì)雷諾數(shù)：

附加質(zhì)量力F考慮熱泳力和擴(kuò)散泳力，熱泳力計(jì)算公式：

DT,p是熱泳系數(shù)，Talbot等人通過研究給出如下計(jì)算式：

其中Kn為Knudsen數(shù)，2λ/dp；λ為平均分子自由程；K=k/kp；k、kp為流體和顆粒熱導(dǎo)率；mp為顆粒質(zhì)量；T為流體溫度； 為動(dòng)力粘度；其余常數(shù)Cs為1.17，Ct為2.18，Cm為1.14。

擴(kuò)散泳力模型需要通過UDF 導(dǎo)入，Brock[7]等人給出了擴(kuò)散泳力表達(dá)式：

其中xa和xv分別為空氣、水蒸氣摩爾分率，Dv為水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)，σ為擴(kuò)散滑移系數(shù)。

氣體入口設(shè)為常速，液柱為恒溫壁面，液膜表面水蒸氣濃度為壁溫對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣濃度。

采用ANSYS ICEM軟件對(duì)物理模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)近壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格質(zhì)量在0.9以上，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在8.1×105以上時(shí)，氣體出口溫度及水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再明顯變化，模型網(wǎng)格劃分滿足計(jì)算要求。通過Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，擴(kuò)散泳力通過UDF(User Defined Functions)嵌入Fluent解算。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置包括氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)、降膜陣列和檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2所示。由鼓風(fēng)機(jī)吸入的空氣首先進(jìn)入系統(tǒng)，然后與蒸汽混合。含蒸汽的氣體被加熱以達(dá)到一定的溫濕度，將粒子加入到氣流中。水槽中的水沿纖維繩柱降膜，形成均勻穩(wěn)定的液膜。20排纖維繩柱呈正三角形排列，每排25根或24根纖維繩，液柱橫向間距為4 mm，直徑為1.2 mm。

1壓縮機(jī)，2干燥劑，3過濾器，4氣溶膠發(fā)生器，5蒸汽發(fā)生器，6緩沖槽，7加熱器，8壓差計(jì)，9鼓風(fēng)機(jī)，10顆粒檢測(cè)儀，11傳感器，12稀釋器，13循環(huán)水泵，14恒溫水槽，15采樣口，16溫濕度檢測(cè)儀

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

水溫維持在20℃，氣體入口速度1.02 m/s，溫度60℃，改變氣體濕度，考察濕度差對(duì)顆粒脫除效率的影響。實(shí)驗(yàn)所用顆粒物為氧化鋁，由粉塵粒徑檢測(cè)儀測(cè)量濃度和粒徑分布。顆粒脫除率通過顆粒數(shù)目濃度來表征：

(15)

其中cin為入口顆粒數(shù)目濃度，cout為出口顆粒數(shù)目濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果

含塵氣體橫掠液膜柱時(shí)，氣體會(huì)與液膜發(fā)生傳熱傳質(zhì)。圖3為氣體溫度和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨液膜柱排數(shù)變化規(guī)律。可以看出，隨著氣體橫掠交叉流陣列，氣體溫度和濕度不斷降低，氣體溫度逐漸降至接近于液柱表面液體溫度，水蒸氣濃度逐漸降至接近液膜柱表面水蒸氣飽和濃度。

圖3 氣體溫度和水蒸氣濃度隨液膜柱變化圖

以粒徑0.1 μm和1 μm顆粒為例討論P(yáng)M2.5的脫除效果。圖4為不同工況下總脫除效率隨液膜柱排數(shù)變化規(guī)律。由圖可知，隨著氣體橫掠交叉流陣列，液膜柱排數(shù)增加顆粒總脫除效率不斷增加，但趨勢(shì)逐漸變緩，說明單排液膜柱脫除效率逐漸降低。在粒徑為1 μm時(shí)，入口相對(duì)濕度由0.575增大到0.757，總脫除效率提高了35.1%。

圖4 總脫除效率變化規(guī)律

圖5為不同工況下單排液膜柱脫除效率與液膜柱排數(shù)的關(guān)系。由圖可知，隨著氣體橫掠交叉流陣列，液膜柱排數(shù)增加，單排液膜柱顆粒脫除效率不斷減小。隨液膜柱排數(shù)增加氣液間溫度差和濕度差逐漸降低，即顆粒受到的熱泳力和擴(kuò)散泳力也將降低，單排液膜柱顆粒捕集效率降低，傳熱傳質(zhì)推動(dòng)力是脫除效率的關(guān)鍵因素。

圖5 單排液膜柱脫除效率變化規(guī)律

3.2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表1為氣體入口溫度60℃，水溫20℃，不同入口相對(duì)濕度下，PM2.5顆粒脫除效率的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果。從表中可以看出實(shí)驗(yàn)值和模擬值吻合良好，模擬結(jié)果中顆粒效率預(yù)測(cè)誤差在±10%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。

表1 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)耦合作用下液膜捕集顆粒過程進(jìn)行了模擬，并通過含塵氣體橫掠液膜柱陣列除塵實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)氣液間傳熱傳質(zhì)推動(dòng)力是PM2.5脫除效率的關(guān)鍵因素。氣液間溫濕度差減小時(shí)，PM2.5脫除效率隨之減小。

(3)濕度差對(duì)PM2.5脫除作用明顯。在氣體入口溫度60℃，水溫20℃，當(dāng)氣體入口相對(duì)濕度由0.575提高到0.757，經(jīng)過20排液膜柱，總脫除效率提高了35.1%。