超细颗粒物凝聚中试试验均匀给料方案研究

许铨安，刘含笑，郦建国，姚宇平

(菲达环保科技股份有限公司，浙江诸暨 311800)

《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)规定燃煤电厂烟尘排放限值30mg/m3，重点地区为20mg/m3。《环境空气质量标准》(GB 3095－2012)增设了PM2.5浓度限值，并给出了监测实施的时间表。图1是中国与美国、欧盟等国家环境空气质量标准中PM2.5浓度限值对比。从图中可以看出，欧盟未规定日平均浓度限值，日本未规定年平均浓度限值，其余国家和组织均规定了年平均和日平均二项浓度限值。《环境空气质量标准》二级标准中PM2.5日平均和年平均浓度限值与WHO过渡期目标1要求相同，一级标准中平均浓度限值相对较低，与美国要求相同。

目前，燃煤电站控制烟尘排放的主流装置是干式电除尘器，除尘效率可达99.5%以上，但对超细颗粒物的捕获率相对较低，以颗粒数计仍有占飞灰总数90%以上的超细颗粒物进入大气中。在传统的电除尘器之前增设超细颗粒团聚装置是降低火电厂PM2.5排放的有效措施，国内外学者针对不同团聚机理做了大量研究，并开展相关试验［1－6］。

按机理不同可将凝聚方法分为：湍流凝聚、电凝聚、化学凝聚、声波凝聚、磁凝聚等，其中湍流凝聚结构简单，性能可靠，凝聚效果好，具有较好的商业应用前景［7］。在湍流凝聚试验中，给料的均匀性、连续性、稳定性直接影响到试验结果的准确性，本文提出在圆方管处增设扰流钝体的方法，并通过数值方法分析加钝体前后烟道内烟尘流动特性和颗粒质量浓度分布，为试验台的优化设计以实现颗粒在湍流凝聚器前的均匀分布提供了理论基础。

图1 国内外环境空气质量标准中PM2.5的浓度限值对比

1 试验台及数学模型

中试试验大厅布置俯视图如图2所示。改造段如图中虚线所示，在该水平烟道布置湍流凝聚器，研究湍流对颗粒凝聚的增强效果和运动规律，这里需要在凝聚器入口处使颗粒初始分布尽量均匀，以减少浓度不均给实验带来的误差影响。为此，在烟道圆方管处加设一个扰流钝体，钝体为前段为半球的圆锥体，椎体长度150mm，底圆半径300mm，顶半球半径50mm，与细管端面距离200mm布置方式如图3所示。

图2 试验大厅布置

图3 钝体布置示意

数学模型包括连续相计算方程和颗粒相计算方程，湍流流场采用LES模型计算，颗粒相采用DPM模型计算，具体计算方程如下。

连续方程：

动量守恒方程：

烟道中煤灰颗粒的体积分数小于10%，采用拉格朗日法来描述烟尘颗粒与连续相的运动较为准确，将两者作为惰性离散相颗粒处理，即选用DPM模型来跟踪颗粒运动。颗粒相的作用力平衡方程在直角坐标系下的形式为：

式中：FD为连续相阻力;G为重力;Fsaffman为saffman力;Fother为其他相间作用力，在本计算中不作考虑。

2 网格划分及边界条件

为使计算精确，网格划分均采用结构化网格，经局部调整优化，将网格质量调整至最佳效果，网格划分如图4所示。边界条件设置如表1所示，考虑颗粒与连续相耦合作用，选用随机涡模型计算连续相对颗粒相的作用，尽量同试验实际条件吻合。

图4 网格划分

表1 边界条件

3 计算结果及分析

在非定常工况下，分别计算有钝体和无钝体工况，结果表明：钝体具有很好的速度扰流效果，使得速度扰流更明显;钝体对湍流强度的提高也很明显。图5为2.6s时刻不同粒径颗粒运动轨迹图，颗粒运动受扰流影响明显，颗粒越小，受连续相运动影响越大，轨迹线越曲折，颗粒越大，惯性越大，受连续相运动影响就越小，不同粒径颗粒存在明显的轨迹束聚集现象，这是由于湍流引起的颗粒局部富集现象。钝体使得颗粒在圆方管处运动复杂度进一步提高。

图5 颗粒运动轨迹(2.6s)

图6 颗粒截面浓度

图 6为加设钝体后 x=0、z=－ 1、z=－ 2、z=－3、z=－4、z=－5处烟道截面颗粒质量浓度云图，由图可知，截面颗粒浓度分布并不均匀，但沿着烟道颗粒均匀性越来越好，从z=－3截面开始，各处浓度值已经基本维持在一个数量级，此后位置颗粒均匀性较好。图7为有无钝体工况各个截面处颗粒浓度值比较，从图可知加设钝体后颗粒均匀性明显改善，结合图8的浓度均方差曲线可以看出，除了x=0截面均匀性不如原工况外，其余截面均匀性都有所提高，因此在圆方管处加设钝体是改善烟道内煤灰颗粒均匀性的有效方案。

图7 截面颗粒浓度比较

图8 六个截面浓度均方差曲线

4 结语

运用数值方法，采用LES模型计算湍流流场，采用DPM模型计算颗粒运动，分析中试试验台给料的均匀性，得到了有无扰流钝体工况下水平烟道各截面处颗粒浓度分布及数值的均方差曲线。结果表明：钝体具有很好的扰流效果;颗粒运动受扰流影响明显，颗粒越小，受连续相运动影响越大，轨迹线越曲折，不同粒径颗粒存在明显的轨迹束聚集现象，钝体使得颗粒运动轨迹复杂度进一步提高;加设钝体后颗粒均匀性明显改善，因此在圆方管处加设钝体是改善烟道内煤灰颗粒均匀性的有效方案。

［1］刘 忠，刘含笑，冯新新，等.湍流聚并器流场和颗粒运动轨迹模拟［J］.中国电机工程学报，2012，32(1)：71 －75.

［2］刘忠，刘含笑，冯新新，等.超细颗粒物聚并模型的比较研究［J］.燃烧科学与技术，2012，18(3)：212 －216.

［3］刘 忠，刘含笑，李怀亮，等.超细颗粒物湍流聚并理论与数值模拟［C］.第14届中国电除尘学术会议论文集，2011.

［4］Hanxiao Liu，Zhong Liu，etal.Multiple vortex body vortex numerical simulation［J］.Advanced Materials Research，2011，32(14)：1755 －1758.

［5］郦建国，郭 峰，梁丁宏，等.促进颗粒物聚合的方法与装置［P］.中国，CN101780361A，2010-07-21.

［6］解 标，严瑞锋，王 强，等.电除尘器末端微细粉尘收集装置研究［J］.电力科技与环保，2012，28(4)：20 －23.

［7］徐小峰，郦建国，郭 峰.可吸入颗粒物脱除技术及应用前景［C］.第13届中国电除尘学术会议论文集，青岛：2011.