射流作用下燃煤颗粒物团聚模拟研究

颜培玲，陈照军，于 洋，申贤坤，许倩倩，亓雁飞，孙德帅

(青岛大学 化学化工学院，山东 青岛 266071)

我国城市大气环境污染中，颗粒物污染是首要污染源。可吸入颗粒物(PM10)易被鼻和嘴吸入，而细颗粒物(PM2.5)能进入肺部，严重危害人们的身体健康。煤炭等化石燃料的燃烧是其主要来源，为减少烟气中的颗粒物，燃煤企业多配有除尘设备，如电除尘器和袋式除尘器。虽然电除尘器的除尘效率已经可以达到99.9%的质量清除率，但是去除的主要是PM10颗粒，用于捕获PM2.5等仍有很大缺陷[1]。

颗粒物团聚技术是利用物理或化学方法使细颗粒“成长”为大颗粒物，进而被除尘设备清除，包括电团聚、磁团聚、化学团聚、声团聚、热团聚和湍流团聚等。其中，湍流团聚不需要额外的外场作用，通过颗粒间的相互碰撞来增强颗粒的团聚。课题组前期在团聚室内引入气体射流,对燃煤细颗粒的团聚进行了研究[2]。由于流场比较复杂，颗粒运动过程中会受到气速、温度等因素的影响，实验操作难以对流场中颗粒的运动情况进行跟踪研究，而数值模拟软件则可以很好的计算湍流流场内颗粒群的团聚时空演变。群体平衡模型(Population Balance Model, PBM)能够计算团聚室内多分散细颗粒物在流场中的运动、分布及团聚情况。课题组对射流作用下颗粒的团聚模拟发现射流位置和射流出口雷诺数均会改变颗粒的团聚效果[3]，其变化规律与实验结果一致[4]。本文通过欧拉双流体模型与PBM模型耦合，对射流引起的湍流流场中，气氛和温度等参数的变化对颗粒团聚的影响进行模拟计算，以期补充颗粒物团聚的影响因素。

1 模拟团聚数学模型

1.1 连续相流动方程

湍流模拟中有两相流体分别为空气和飞灰颗粒，在团聚室内颗粒的聚并过程中，湍流起主要作用，气体看作不可压缩流体，因此模拟选择典型的两相流标准k-ε模型[5]。

1.2 颗粒群动力方程

通常假设颗粒间为二元不可逆碰撞，即碰撞后产生的团聚产物不再分裂。基于上述因素，对颗粒间的团聚动力方程加以构建：

(1)

式中:n(ν, t)是颗粒尺度分布函数；α(ν, ν')是体积分别为ν和ν'的颗粒间的团聚核；右侧第一项为团聚生成的颗粒，其中的系数1/2 是为了避免团聚的重复计算，右侧第二项为团聚消失颗粒。团聚核是团聚过程的重要参数，团聚核与颗粒斯托克斯数St密切相关，根据St不同，其团聚核方程表达式如(2)、(3)所示。

(2)

(3)

式中:di，dj为颗粒粒径，m；ε为湍流耗散率,m2/s3；ν为气体的运动粘度，m2/s；η为湍流kommogorov长度尺度；c0为常数；ζT为碰撞效率；Ui为颗粒i的均方速度，m/s。

团聚动力方程采用Hounslow等[6]人开发的离散分区算法，在多个分区内划分颗粒的尺度分布曲线，在各个区间建立平衡方程进行联立求解。本文颗粒相为将粒径0.4～17 μm 的颗粒按照Rosin-rammler分布分为9个区间，初始颗粒的粒径分布如表1所示。

2 湍流团聚室的物理模型

湍流团聚室为φ114×610 mm的有机玻璃管，圆形射流喷嘴内径1.4 mm(长度10 mm)。图1所示为团聚室的网格示意图，模型网格为四边形pave网格，网格数为68620个。团聚室内气体密度为1.2 kg/m3，颗粒相对密度为1838 kg/m3。入口气流流速为0.2 m/s，射流的速度入口流速为22 m/s，出口设置为outflow。

表1 初始颗粒粒径分布Tab.1 Initial particle diameter distribution

图1 射流团聚室网格视图 Fig. 1 Computation grid of agglomeration chamber with gas jet

3 实验流程

射流作用下燃煤细颗粒团聚实验系统主要包括空气压缩机、团聚室、流化床气溶胶发生器、采样器等，详见参考文献[4]。通过流化床气溶胶发生器产生所需的气溶胶，在气体的携带下进入团聚室内。同时在团聚室边壁引入射流，形成湍流流场，促进颗粒物发生碰撞团聚。团聚实验中用撞击式FA-3型气溶胶粒度分布采样器记录颗粒团聚前后的质量的变化，计算颗粒清除率。

4 结果与讨论

4.1 团聚对颗粒分布的影响

图2 射流对颗粒团聚体粒径分布的影响 Fig.2 Effect of gas jet on particle size distribution of agglomeration

颗粒物团聚后，颗粒粒径分布函数发生变化，如图2a和图2b所示，无论是模拟值还是实验值，团聚后的颗粒质量都明显减小，说明射流能有效促进颗粒团聚。在模拟研究过程中，由于考虑多分散性体系中大颗粒存在对可吸入颗粒团聚具有促进作用[2]，选择了0～17 μm的颗粒。而在实验过程中由于采样器仪器的限制，仅对0～10 μm的颗粒进行分析。由图2a可见，团聚作用使10 μm以下颗粒物由96%降低至63%，而图2b中实验团聚结果中10 μm以下颗粒物则由100%降低至73%，理论计算高于实验值[7]。实验和模拟的变化趋势基本相同，说明模拟计算是正确的。

4.2 气氛对颗粒团聚清除的影响

燃烧过程的烟气是由多种气体构成的混合气，其中含量较高的组分是N2和CO2，因此对气氛对颗粒团聚的影响进行了模拟计算。图3a为不同气氛下颗粒体积分数分布，可以看到不同气氛下颗粒体积分数在团聚后明显减少。CO2气氛的颗粒体积分数最高，混合气氛(N2与CO2的体积比为4∶1)下体积分数最小，说明烟气的混合气氛更有利于团聚进行。从图3b可看出在团聚后小粒径(< 4 μm)颗粒清除率较高，湍流对颗粒有卷吸作用，颗粒之间碰撞几率大，更容易团聚。大颗粒(> 8 μm)的数量较少且质量大，在湍流中与小颗粒形成速度梯度，小颗粒易粘附于大颗粒成为大团聚体被清除。从图3b中的局部放大图可以看出混合气氛更有利于小颗粒的清除。混合气氛下对于7 μm处较大颗粒清除率较CO2气氛下高约20%。气氛的影响可能是由于气体粘度的差异造成的，CO2的动力学粘度最低，导致射流形成的涡旋卷吸作用较弱，颗粒之间碰撞频率减小，颗粒团聚效果不好[8]。而氮气和空气的粘度差不多，所以颗粒清除率也非常相似，但总体低于混合气体下颗粒的清除率。

图3 烟气气氛对颗粒团聚的影响

Fig.3 Effect of atmosphere on particle agglomeration

4.3 温度对颗粒团聚的影响

温度变化会影响团聚室内颗粒浓度的分布，因此对不同温度下团聚室内两相流流场进行数值模拟。图4为温度变化对颗粒总清除率的影响，图4a中随着温度的升高，颗粒总清除率不断增大，温度在50～90℃之间颗粒总清除率增大较快，90℃以上颗粒随着温度升高，总清除率增大的幅度减小。为清楚的显示不同温度下颗粒清除率的变化，选取其中四个温度值计算其单级清除率变化，如图4b所示。4 μm以下颗粒的清除率受温度的影响很小。7 μm以上颗粒清除率受温度影响较明显，主要是温度升高，使气体的粘度增大[9]，湍流强度增大，颗粒与气体之间的惯性力增加，大颗粒更易从流体中获取能量而增加碰撞几率，从而增大了颗粒团聚体的尺寸，提高颗粒的清除率，与Lind等[10]通过实验研究温度对亚微米颗粒形成的影响相似，温度升高，团聚后颗粒粒径越大，团聚效果也越好。

图4 温度对颗粒清除率的影响

Fig.4 Effect of temperature on particle clearance

4.4 相对湿度对颗粒团聚影响

团聚室内相对湿度对颗粒在湍流中的团聚行为产生影响。图5给出湿度对颗粒清除率的影响，从图5中可见，湿度5%时颗粒清除率为72%，随着湿度的增加而单调递增，在湿度达到40%时，清除率最高达到78%，而后随着湿度增加，清除率有所下降[2]。颗粒团聚效果随相对湿度升高而增大，主要是随着气体湿度的增加，颗粒之间的毛细管力也增大，湿度继续增加颗粒之间的主要粘附力由范德华力转变为毛细管力，增强了颗粒团聚效果。湿度大于40%以后颗粒清除率下降，主要是气体湿度过高时，颗粒之间的毛细管力不再增大，而在毛细管力作用下颗粒之间的距离不断减小，范德华力变为排斥力，导致颗粒之间的粘附作用力下降，颗粒清除率降低。

5 结论

(1) 团聚室内不同气氛影响细颗粒的团聚效率，粒径小于4 μm的颗粒物团聚受气氛的影响较小；对中等及大粒径颗粒，氮气和二氧化碳混合气氛下颗粒的清除率最高，由于二氧化碳的动力粘度较低，影响了射流的卷吸作用，减弱了颗粒之间的碰撞团聚，导致二氧化碳气氛下颗粒清除率最低。

(2) 温度的升高，使气体的粘度增大，湍流强度增大，从而增加了颗粒之间的碰撞，粒径大于7 μm的大颗粒清除率随温度升高而增加，而粒径小于4 μm的颗粒清除率受温度的影响较小。气体相对湿度与颗粒清除率不是简单的线性关系，在相对湿度为40%时，颗粒数量清除率达到最高。

[1] 陈泊豪,於进,周万利,等.电声换能超声波雾化方法捕集细颗粒物的强化实验研究[J].环境工程,2014,32(6):78-82.

[2] 孙德帅,郭庆杰,司崇殿.气体射流作用下燃煤可吸入颗粒的团聚[J].过程工程学报,2009,9(3):437-440.

[3] Qin T T,Sun D S,Liu Y L,et al.Numerical simulation into agglomeration process of inhalable particle in double gas-jets[C].Proceedings of 3rd International Conference on Material,Mechanical and Manufacturing Engineering,Guangzhou，China,2015.

[4] 于 洋,孙德帅,颜培玲,等.湍流与化学团聚耦合促进燃煤细颗粒物的清除[J].环境工程学报,2017,11(11):5949-5955.

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[6] Litster J D, Smit D J,Hounslow M J.Adjustable discretized population balance for growth and aggregation[J].AICHE Journal,1995,41(3):591-603.

[7] 章鹏飞,米建春,潘祖明.装置元件排列间距和颗粒浓度对细颗湍流聚并的影响[J].中国电机工程学报,2016,36(6):1625-1632.

[8] 杨振楠,郭庆杰,李金惠.气氛与湿度对燃煤飞灰颗粒声波团聚的影响[J].化工学报,2011,62(4):1055-1061.

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[10] Lind T,Kauppinen E I,Srinivasachar S,et al.Submicron agglomerate particle formation in laboratory and full-scale pulverized coal combustion[J].Journal of Aerosol Science,1996,27:361-362.