曾國梁,李高峰,程千釘,趙 佺,張平平,胡萬照,高志良,季啟政,姜建中

(1.北京東方計量測試研究所，北京 100094；2.北京航天河科技發(fā)展有限公司第一分公司，北京 102205；3.中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防工程研究院，北京 100036)

隨著人類對化石能源需求的增加，人類活動對自然環(huán)境的影響日益加劇。近年來，大氣污染已引起了人們的廣泛重視。尤其在中國，持續(xù)不斷的霧霾現(xiàn)象嚴(yán)重影響了人們的正常生活。目前，越來越嚴(yán)苛的環(huán)保政策要求下，傳統(tǒng)除塵技術(shù)已受到極大挑戰(zhàn)，亟須新技術(shù)來滿足需求。

嚴(yán)苛的粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)[1]和頻發(fā)的霧霾現(xiàn)象，使次微米顆粒的脫除受到越來越廣泛的關(guān)注。由于次微米顆粒的特殊性質(zhì)，傳統(tǒng)電除塵器[2]、布袋除塵器[3]在捕集過程中很難起到有效的捕捉作用。Chen等[4]實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒尺寸下降。捕集效率下降，捕集效率低主要歸因于超細顆粒荷電不足。因此，單純提高傳統(tǒng)除塵器性能已很難解決這一物理窗口。為控制次微米顆粒，研究者采用了多種技術(shù)手段，期望相關(guān)技術(shù)手段能與現(xiàn)有除塵技術(shù)組合形成對次微米顆粒的有效捕集[5-6]，但實際效果卻并不理想。而2002年澳大利亞Indigo公司公布了商業(yè)顆粒物湍流凝并器專利技術(shù)[7]。此后，次微米顆粒凝并成微米顆粒研究成為一項新的研究內(nèi)容。次微米顆粒聚并成微米顆粒，躲過靜電除塵的顆粒窗口，將大大提高環(huán)境質(zhì)量。

王國昌等[8]對Indigo工業(yè)湍流聚并器的核心元件進行計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)數(shù)值模擬，分析不同聚并元件結(jié)構(gòu)下三種煙氣顆粒粒徑分布模式下的聚并效果。劉忠等[9]構(gòu)建了湍流聚并器內(nèi)超細顆粒物聚并模型，引入全范圍慣性顆粒的湍流聚并核函數(shù),將雙流體模型和顆粒群平衡模型(population balance model,PBM)進行耦合計算，發(fā)現(xiàn)隨著流速增加聚并效果有所增強。耿珺等[10]采用矩陣方法以期獲得碰撞凝并時間內(nèi)的顆粒尺寸分布的變化情況。發(fā)現(xiàn)細顆粒聚并時,顆粒參數(shù)表現(xiàn)出明顯的自保持性,細顆粒與大顆粒碰撞凝并時,除顆粒數(shù)衰減外,其余參數(shù)并未表現(xiàn)出強烈的自保持性。

現(xiàn)利用超細顆粒湍流凝并機理，通過仿真模擬探究不同凝并結(jié)構(gòu)的凝并效果，得出湍流凝并器在不同速度條件下將超細顆粒(納米顆粒和次微米顆粒)凝并成細顆粒(微米顆粒)的能力。

1 湍流凝并器模型

凝并器內(nèi)部的核心部件稱為渦片。圖1給出了常見的3種渦片形式，渦片工作的物理機制是湍流凝并，即小尺度渦流會形成不同尺寸顆粒的碰撞和凝并，形成尺寸大于凝并顆粒尺寸的大顆粒。

Indigo公司在Adelaide大學(xué)采用激光熒光法(laser induced fluorescence，LIF)實驗，證明湍流聚并實現(xiàn)了以下效果：①次微米粒子排放減少10倍以上；②直徑小于1.5 μm的PM2.5微粒排放減少5倍以上；③視煤種和電廠條件的不同，濁度降低2～8倍；④排放濃度下降1/3～2/3。

圖2所示為Indigo公司凝并器簡圖。凝并器前段的大渦片可以起到很好的導(dǎo)流作用，使含塵顆粒能夠充分與小渦片接觸，同時，大渦片也可以使氣流產(chǎn)生大渦旋運動。后段的小渦片可以產(chǎn)生大范圍的小渦旋運動，促使不同顆粒相互碰撞并發(fā)生凝并。凝并效果的提升是人們一直所追求的，而渦片各種參數(shù)的變化將直接影響整個凝并效果。經(jīng)過一系列驗證對比，“Z”形渦片的凝并效果最為突出。但Indigo公司聚并器有兩個問題：一是壓降較高，二是要求足夠耐磨能力。因此，對凝并器做了優(yōu)化。

30 000 m3/h煙氣大體上相當(dāng)于10 t/h燃煤鍋爐的煙氣量，研究結(jié)果可以直接指導(dǎo)10 t/h燃煤鍋爐消除超細粉塵，也可以作為更大容量鍋爐的聚并器模塊。作為超細顆粒凝并技術(shù)，對工業(yè)除塵設(shè)計有諸多方便之處。

兩種凝并器結(jié)構(gòu)如圖3所示，比較這兩種結(jié)構(gòu)的聚并效果，圖3(a)是以Indigo公司凝并器為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)凝并器結(jié)構(gòu)，圖3(b)是在傳統(tǒng)凝并器基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整后的結(jié)構(gòu)。整個二維計算域長1 800 mm，寬910 mm，渦片與水平夾角為60°，大渦片距第一排小渦片250 mm，小渦片距離150 mm，其余參數(shù)如圖3所示。

3 PBM模型與湍流凝并模擬

近年來，隨著計算流體力學(xué)的高速發(fā)展，計算機模擬在前期工程應(yīng)用中變得越來越普及，通過模擬能很好地預(yù)測一些復(fù)雜工況的結(jié)果。顆粒群體平衡模型(population balance model，PBM)廣泛用于預(yù)測氣泡的生成和破碎、污泥絮凝的沉降及煙氣顆粒的凝并等領(lǐng)域，如Li等[11]、Wang等[12]曾采用CFD-PBM耦合方法計算流體域內(nèi)局部氣泡尺寸分布及影響氣泡分布的各種因素，得到模擬結(jié)果與實驗結(jié)果在含氣率、液速和氣泡尺寸分布上吻合較好。

通過CFD-PBM耦合計算煙氣顆粒在凝并器內(nèi)的凝并情況，對比不同凝并器的凝并效果，探究影響凝并的因素。

3.1 顆粒群體平衡模型(PBM)

PBM[13]是一種描述多相流中分散相尺寸分布的統(tǒng)計方程，一般形式[14]為

b(v)n(v,t)

(1)

式(1)中：n(v,t)為顆粒大小概率分布函數(shù)；ub為體積Vb的速度矢量；v為其中一個顆粒運動速度；v′為另一個顆粒運動速度；t為顆粒運動時間；c(v,v′)為兩顆粒凝并速率函數(shù)；b(v)為顆粒破碎速率函數(shù)；β(v,v′)為兩顆粒分散分布函數(shù)。

等號左側(cè)第一項為時間或非穩(wěn)態(tài)項，第二項為對流項；等號右側(cè)第一項為凝并生成項，第二項為凝并消失項，第三項為破碎生成項，第四項為破碎消失項。

3.2 懸浮顆粒的凝并過程

由于顆粒本身具有黏性，而且黏性與溫度有很大的關(guān)系，也就是說，同一物質(zhì)在不同溫度下，其黏性不同。由于研究的溫度區(qū)間內(nèi)顆粒黏性很大。可以假設(shè)顆粒發(fā)生碰撞即聚并在一起。

假定懸浮顆粒尺寸分布連續(xù)，顆粒為均質(zhì)球形，忽略重力對顆粒運動的影響，只考慮兩種碰撞聚并作用，顆粒尺寸分布隨時間變化的控制方程為

(2)

3.3 湍流凝并碰撞核函數(shù)

在湍流流場中，聚并可以通過兩種機制產(chǎn)生：①黏性子機制：適用于小于Kolmogorov微尺度η的顆粒；②慣性子機制：適用于大于Kolmogorov微尺度η的顆粒，在這種情況下，假定顆粒具有獨立的速度。

對于黏性子，粒子碰撞受旋渦內(nèi)局部剪切的影響，碰撞率表示為

(3)

(4)

式(4)中：ε為單位質(zhì)量流體的能量耗散率；ν為流體的運動黏性系數(shù)。

對于慣性子，顆粒尺度比最小的渦流大，因此它們被流場速度波動拖拽，在這種情況下，聚并速率可用亞伯拉罕模型[15]表示為

(5)

湍流碰撞的經(jīng)驗捕獲效率系數(shù)描述了碰撞顆粒之間流體動力和吸引力的相互作用，Hsu等[16]提出的關(guān)系式為

(6)

(7)

(8)

3.4 模擬邊界條件

通過雙流體模型與群體平衡模型的耦合，反映凝并器內(nèi)顆粒的凝并情況，入口條件為速度入口(15、10和5 m/s)，出口條件為outflow，壁面條件設(shè)置為無滑移壁面，壁面及渦片表面均設(shè)置為顆粒反彈類壁面條件，壓力速度耦合采用Phase Coupled SIMPLE算法，動量、湍動能及湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式。冷態(tài)條件下，氣相密度為1.225 kg/m3，運動黏度為14.8×10-6m2/s，顆粒相密度為2 100 kg/m3。對群體平衡方程(population balance equation，PBE)采用離散法求解，顆粒相采用煤灰顆粒，通過Andersen測得粒徑分布為0.45～12.5 μm，將0.45～12.5 μm顆粒分為8個區(qū)間，各個區(qū)間顆粒所占體積分數(shù)如表1所示。

表1 不同粉塵粒徑所對應(yīng)的兩種體積分數(shù)Table 1 Two different particle size of the corresponding volume fraction

整個模擬過程中，初始顆粒體積分數(shù)為0.007，通過凝并模擬對比3種入口速度下顆粒凝并率以及兩種凝并器的凝并效果。

4 模擬結(jié)果對比分析

以10 m/s的入口速度為例，對比不同粒徑區(qū)間顆粒體積分數(shù)的變化情況，如圖4所示。

圖4 不同粒徑區(qū)間顆粒體積分數(shù)變化情況Fig.4 Variation of particle volume fraction in different grain sizes

表2給出了兩種凝并器在3種入口速度下的壓降，通過數(shù)據(jù)可以看出，隨著速度的降低，壓降有明顯的下降，并且隨著速度的變小，壓降值下降更為劇烈。入口速度為5 m/s時，兩種凝并器的壓降值都在500 Pa以內(nèi)，較低的壓降值將直接削減工程一次投資，這也為工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

表2 不同入口速度下的壓降值Table 2 Pressure drop at different inlet speeds

通過PBM與雙流體模型的耦合模擬計算，得出不同粒徑區(qū)間顆粒的凝并效率，如圖5和表3所示。通過對比分析得出以下結(jié)論。

(1)Bin1區(qū)(次微米顆粒)，15 m/s降低到10 m/s，傳統(tǒng)凝并器顆粒凝并率提高1.29%，中軸對稱式凝并器顆粒凝并率提高0.01%改進前后凝并率分別提高1.3%和0%，而從10 m/s降低到5 m/s凝并率分別提高2.65%和1.63%。

(2)Bin1、Bin2和Bin3 3個粒徑區(qū)，改進前后的凝并率略有提高。

(3)Bin5區(qū)，改進前后最低凝并率從6.01%提高到20.7%。

(4)Bin7區(qū)(微米顆粒)，5 m/s時的凝并率達90.29%，比改進前提高8.85%。

(5)Bin7區(qū)，15 m/s降低到10 m/s凝并率，傳統(tǒng)凝并器顆粒凝并率提高4.76%，改進后提高6.69%；10 m/s降低到5 m/s凝并率，原型提高8.89%，改進后提高9.63%。

比較表3可知，對所有粒徑而言，中軸對稱式凝并器的顆粒凝并率都有所提高，這是值得關(guān)注的效果。圖5表明，改進后的凝并器更適合于超細粉塵(納米級和次微米級)向細顆粒(微米級)凝并，可以有效填補電除塵器在0.1～1 μm區(qū)間因荷電不足導(dǎo)致的捕集效率低的物理窗口。

圖5 兩種凝并器的顆粒凝并率Fig.5 The coagulating rate of two kinds of condenser

表3 不同入口速度下各區(qū)間顆粒凝并效率Table 3 Particle coagulation and efficiency of each interval at different inlet speeds

5 結(jié)論

凝并器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變將直接對凝并效果產(chǎn)生影響，通過對30 000 m3/h煙氣量(相當(dāng)于10 t/h燃煤鍋爐)配備的兩種凝并器進行凝并模擬對比，得出以下結(jié)論。

(1)入口速度直接影響凝并器壓降值和各區(qū)間顆粒凝并率值。

(2)在同一凝并器中，隨著入口速度的不斷下降，凝并器內(nèi)部的壓降值下降顯著，入口速度變?yōu)樵瓉淼?/3，壓降值變?yōu)樵瓉淼?/6左右。

(3)對于整體凝并效率而言，入口速度的下降，并沒有使得凝并率出現(xiàn)大幅降低。相反，部分區(qū)間顆粒凝并率反而略微升高，這一現(xiàn)象可能與渦旋運動強弱、顆粒受力以及雷諾數(shù)的變化有直接關(guān)系。

(4)對比兩種凝并器，中軸對稱式結(jié)構(gòu)的壓降略高，凝并效果相對較好。因此，需要綜合考慮凝并效率與壓降之間的平衡取舍，以尋求利益最大化。