角型管道式凝并器PM2.5凝并特性的数值模拟及优化设计

2018-06-07叶和平张羽澄陈润泽金建祥刘本志

山东化工 2018年10期

罗娜，叶和平，薛陈，张羽澄，陈润泽，金建祥，沈丹，刘本志

(盐城工学院环境科学与工程学院，江苏盐城 224051)

1 研究背景

在2016年入冬到2017年春季之间，我国一些地区特别是京津冀地区,发生持续大面积重污染天气。从污染最严重的京津冀地区放眼至全国，目前我国资源型城市同样在转型过程中面临着煤烟型污染比重较大的问题，燃煤锅炉排放的大量微细粉尘(PM10及PM2.5)是影响我国城市大气质量和能见度的主要因素，并严重危害人体健康。

目前燃煤锅炉广泛使用的电除尘器、袋式除尘器和电袋复合除尘器均属高效除尘设备，但电除尘器对PM10级粉尘的分级捕集效率只有44%，而电袋复合除尘器和袋式除尘器对PM2.5的分级捕集效率却在30%左右，电除尘器分级捕集效率为16%左右[1]。针对分级捕集效率低的问题，很有必要在现有技术的基础上，研究开发强化凝并的技术和装置。

1.1 国外研究概况

由于各国对颗粒物排放标准愈加严格，为增强除尘效果需设置凝并器，就凝并器的研究而言，Watanabe等利用电凝并原理设计了一种改进的三区电凝并ESP系统，同时进行了相关的实验和理论研究；Feldman分析了湍流凝并的原理并在电厂进行大量实验，但并未见其有具体工业运用报道；在声波凝并方面，2002年澳大利亚Indigo公司开发第一个商业超细颗粒物凝并器等等。近年来的研究多在现象描述方面，对装置的研究开发相对较少，未来还需要通过更多技术开发，才能进行工业应用[2]。

1.2 国内研究概况

近年来，国内多在电凝并、化学团聚、声波团聚方面展开研究和初步应用。华北电力大学胡满银及韩光等研究了超细粉尘凝并装置中产涡段优化布置。即针对自制凝并装置，利用CFD软件模拟不同流场与粒子轨迹。结果表明：速度越大，装置产生的湍流强度与涡量越大，粒径越小，越容易发生凝并。浙江大学国家环境保护燃煤大气污染控制工程技术中心的张光学、刘建忠等开展了声团聚的研究即通过建立碰撞效率模型,研究其变化规律,发现碰撞效率对声波团聚的影响很大，粒径越小,碰撞效率越低。华中科技大学煤燃烧国家重点实验室郭沂和权张军营等通过在除尘器前烟道内喷入不同化学团聚剂溶液,进行了化学团聚示范工程试验。综合考察了不同溶液对除尘器除尘效率的影响,以及研究其他参数的影响。表明化学团聚技术有利于提高除尘设备的除尘效率[3-5]。

课题组基于流体力学凝并和双极荷电等多项技术相结合，开发出一种角型PM2.5管道式凝并器凝并技术和装置。该装置位于除尘器入口烟道内，可以实现除尘器对超细颗粒物的有效捕集，大幅度降低超细颗粒物排放。本文通过建立模型和数值模拟，研究凝并器内部流场，并对凝并器的内部结构进行优化设计，为超细粉尘凝并装置产涡凝并段结构的设计优化提供一定的理论依据。

2 物理模型

2.1 凝并器结构

角型管道式凝并器结构如图 1 所示。

1.荷电区;2.凝并区;3.负极板;4.正极板;5.角型横条图1 角型管道式凝并器结构图

构造如图1所示：整个凝并器呈管道式，安装在主体除尘器-电除尘器，之前的进气管道中；凝并器由双极荷电区和凝并区组成；双极荷电区有一组正、负相间的平行通道，内设负极板、正极板；凝并区中设置有2～4组横条，每组横条上下排列；相邻两组横条错位设置，相邻两组间距取横条断面长度的1.5倍；横条的断面形状为角形、角形开口角度为60°～120°。

工作原理：如图1所示气流首先经过双极荷电区，粉尘通过时，一半粉尘粒子荷正电，一半荷负电。然后进入凝并区，带正电的粒子和带负电的粒子在"静电力凝并"和"湍流凝并"的共同作用下碰撞凝聚，超细颗粒变成大颗粒；接着进入到后续主体除尘器内部，粗大化的粒子便于除尘器收尘，这样便减少了超细颗粒的排放。

2.2 颗粒的受力分析

荷电颗粒在凝并器内所受的作用力非常复杂，包括重力、粒子之间库仑力、浮力、气体作用于颗粒的曳力、压力梯度力、虚拟质量力、Magnus 力、Saffman 力、Basset 力等。荷电颗粒的运动方程该模型为二维水平模型，忽略重力作用，根据荷电颗粒的受力情况的分析，荷电颗粒的运动方程为：

dUp/dt=Fs-Fd+Fe

(1)

式(1)中右边 3 项分别为 Saffman 力、流体黏性阻力、颗粒库仑力作用(忽略较为次要的作用力)。

2.3 假设条件及计算方法

模型求解的假设条件包括:(1)凝并器中飞灰颗粒的运动情况简化为稀疏气固两相流动，气相为不可压缩流体;(2)假定飞灰颗粒由凝并器入口均匀进入凝并器中;(3)忽略粒子扩散率的影响;(4)假定粒子迁移率恒定不变;(5)将荷电飞灰间的库仑力转化为粒子的体积力，并且由于主要考虑库仑力对粒子在横向方向运动的影响，所以忽略其在纵向的作用。凝并器内采用κ-ε模型模拟气流流场，利用欧拉法求解。

2.4 网格划分和边界条件

采用四边形结构化网格划分，控制网格质量以降低模拟结果对网格的依赖性，横条周围网格加密，经优化，最终网格总数为38622～40008个。入口边界条件采用平均速度入口，颗粒入射速度与气速相同;出口边界条件采用充分发展管流条件;气相壁面边界采用无滑移壁面条件，在壁面附近采用标准壁面函数;气体出口采用逃逸型，颗粒出口采用收集类型，壁面和横条均采用弹性碰撞类型。

3 结果与讨论

3.1 不同组数角型横条流场数值模拟

在入口气流速度为5m/s这种工况下，分别对2组、3组、4组角型扰流横条的凝并区进行数值模拟，飞灰颗粒粒径为2.5μm。凝并区流场速度矢量图见图2。

从图2可以看出，在横条的周围形成的显著的扰流效果，沿着气流方向，在横条之前即有扰动产生，在横条之后，依然有扰流效果的延续。图2(c)中，4组横条形成的扰流最长。气流在凝并区通道中过流时，在断面横条的周边，形成流速变化(图中箭头长度代表速度大小)，存在着明显的速度梯度，而速度梯度能形成良好的凝并；竖直方向上，相邻2个横条之间形成的较狭窄的通道中，气流速度最大。同时，除了速度梯度，从速度矢量图还可以看出，代表速度矢量的小箭头，在横条周围的扰流中箭头忽疏忽密，箭头的方向也发生了改变，这说明除了明显的速度梯度之外，气流中的超细颗粒的速度方向会随气流发生改变(而不是一直沿着水平方向前进)。不同速度方向的气流的交汇，必然带来气流中超细颗粒的相遇和聚合，显著增强凝并效果。在凝并区过流断面中，添加了角型横条，产生了气流中不同速度数值的颗粒，不同速度方向的颗粒，这些加大了超细颗粒碰撞的几率，形成了良好的凝并。

图2 凝并区流场速度矢量图

图3 凝并区气流速度分布云图

凝并区气流速度分布见图3，从图3可以看出，气流在凝并区通道中过流时，在断面横条的周边，形成流速变化(图示速度等值线变化处，即图中的任意两种等值包络线过渡区域)。凝并器内分部气流流速变化处成为湍流凝并主要发生区域。在横条的背风面形成了负压区,有小区域的气流流动死角。由横条带来的凝并区通道中气流压力变化较大，经计算形成的压力范围为-35.1～85.5 Pa，压力降(出口处与进口处的压力差值)为 96.5 Pa。从分析来看，横条组数越多，扰流效果越好，凝并的效果就越好；但是横条组数越多，整个凝并区通道的压力降就越大，能耗越大。对比图2(b)与(c)，3组角型横条与4组角型横条形成的扰流效果差不多，但3组横条的压力降比4组的压力降(4组凝并区压力降达119 Pa)小22.5 Pa。综合考虑扰流效果和整个凝并区通道的压力降，选择设置3组角型扰流横条。

3.2 不同角度角型横条流场数值模拟

图4 不同角度横条凝并区流场速度矢量图

见图4 不同角度凝并区横条流场速度矢量图，(a)、(b)分别对应角型横条开口角度60°，120°。对比图2(b)与图4，不同的角型横条开口角度会造成不同的扰流效果，120°的造成的扰流影响范围最大，但是压力降也是最大，在横条的背风面形成了较大面积的负压区，在背风面也造成了一定区域的流动死角。60°的造成的扰流影响范围较小，在横条的背风面形成了的负压区，流动死角很小；但在纵切断面上，有扰流效果的速度梯度区域占整个凝并区的面积百分比相对最小。考虑扰流效果和整个凝并区通道的压力降，设置90°角型横条是优化选择。