角型管道式凝并器PM2.5凝并特性的數值模擬及優化設計

羅 娜，葉和平，薛 陳，張羽澄，陳潤澤，金建祥，沈 丹，劉本志

(鹽城工學院環境科學與工程學院，江蘇 鹽城 224051)

1 研究背景

在2016年入冬到2017年春季之間，我國一些地區特別是京津冀地區,發生持續大面積重污染天氣。從污染最嚴重的京津冀地區放眼至全國，目前我國資源型城市同樣在轉型過程中面臨著煤煙型污染比重較大的問題，燃煤鍋爐排放的大量微細粉塵(PM10及PM2.5)是影響我國城市大氣質量和能見度的主要因素，并嚴重危害人體健康。

目前燃煤鍋爐廣泛使用的電除塵器、袋式除塵器和電袋復合除塵器均屬高效除塵設備，但電除塵器對PM10級粉塵的分級捕集效率只有44%，而電袋復合除塵器和袋式除塵器對PM2.5的分級捕集效率卻在30%左右，電除塵器分級捕集效率為16%左右[1]。針對分級捕集效率低的問題，很有必要在現有技術的基礎上，研究開發強化凝并的技術和裝置。

1.1 國外研究概況

由于各國對顆粒物排放標準愈加嚴格，為增強除塵效果需設置凝并器，就凝并器的研究而言，Watanabe等利用電凝并原理設計了一種改進的三區電凝并ESP系統，同時進行了相關的實驗和理論研究；Feldman分析了湍流凝并的原理并在電廠進行大量實驗，但并未見其有具體工業運用報道；在聲波凝并方面，2002年澳大利亞Indigo公司開發第一個商業超細顆粒物凝并器等等。近年來的研究多在現象描述方面，對裝置的研究開發相對較少，未來還需要通過更多技術開發，才能進行工業應用[2]。

1.2 國內研究概況

近年來，國內多在電凝并、化學團聚、聲波團聚方面展開研究和初步應用。華北電力大學胡滿銀及韓光等研究了超細粉塵凝并裝置中產渦段優化布置。即針對自制凝并裝置，利用CFD軟件模擬不同流場與粒子軌跡。結果表明：速度越大，裝置產生的湍流強度與渦量越大，粒徑越小，越容易發生凝并。浙江大學國家環境保護燃煤大氣污染控制工程技術中心的張光學、劉建忠等開展了聲團聚的研究即通過建立碰撞效率模型,研究其變化規律,發現碰撞效率對聲波團聚的影響很大，粒徑越小,碰撞效率越低。華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室郭沂和權張軍營等通過在除塵器前煙道內噴入不同化學團聚劑溶液,進行了化學團聚示范工程試驗。綜合考察了不同溶液對除塵器除塵效率的影響,以及研究其他參數的影響。表明化學團聚技術有利于提高除塵設備的除塵效率[3-5]。

課題組基于流體力學凝并和雙極荷電等多項技術相結合，開發出一種角型PM2.5管道式凝并器凝并技術和裝置。該裝置位于除塵器入口煙道內，可以實現除塵器對超細顆粒物的有效捕集，大幅度降低超細顆粒物排放。本文通過建立模型和數值模擬，研究凝并器內部流場，并對凝并器的內部結構進行優化設計，為超細粉塵凝并裝置產渦凝并段結構的設計優化提供一定的理論依據。

2 物理模型

2.1 凝并器結構

角型管道式凝并器結構如圖 1 所示。

1.荷電區;2.凝并區;3.負極板;4.正極板;5.角型橫條圖1 角型管道式凝并器結構圖

構造如圖1所示：整個凝并器呈管道式，安裝在主體除塵器-電除塵器，之前的進氣管道中；凝并器由雙極荷電區和凝并區組成；雙極荷電區有一組正、負相間的平行通道，內設負極板、正極板；凝并區中設置有2～4組橫條，每組橫條上下排列；相鄰兩組橫條錯位設置，相鄰兩組間距取橫條斷面長度的1.5倍；橫條的斷面形狀為角形、角形開口角度為60°～120°。

工作原理：如圖1所示氣流首先經過雙極荷電區，粉塵通過時，一半粉塵粒子荷正電，一半荷負電。然后進入凝并區，帶正電的粒子和帶負電的粒子在"靜電力凝并"和"湍流凝并"的共同作用下碰撞凝聚，超細顆粒變成大顆粒；接著進入到后續主體除塵器內部，粗大化的粒子便于除塵器收塵，這樣便減少了超細顆粒的排放。

2.2 顆粒的受力分析

荷電顆粒在凝并器內所受的作用力非常復雜，包括重力、粒子之間庫侖力、浮力、氣體作用于顆粒的曳力、壓力梯度力、虛擬質量力、Magnus 力、Saffman 力、Basset 力等。荷電顆粒的運動方程該模型為二維水平模型，忽略重力作用，根據荷電顆粒的受力情況的分析，荷電顆粒的運動方程為：

dUp/dt=Fs-Fd+Fe

(1)

式(1)中右邊 3 項分別為 Saffman 力、流體黏性阻力、顆粒庫侖力作用(忽略較為次要的作用力)。

2.3 假設條件及計算方法

模型求解的假設條件包括:(1)凝并器中飛灰顆粒的運動情況簡化為稀疏氣固兩相流動，氣相為不可壓縮流體;(2)假定飛灰顆粒由凝并器入口均勻進入凝并器中;(3)忽略粒子擴散率的影響;(4)假定粒子遷移率恒定不變;(5)將荷電飛灰間的庫侖力轉化為粒子的體積力，并且由于主要考慮庫侖力對粒子在橫向方向運動的影響，所以忽略其在縱向的作用。凝并器內采用κ-ε模型模擬氣流流場，利用歐拉法求解。

2.4 網格劃分和邊界條件

采用四邊形結構化網格劃分，控制網格質量以降低模擬結果對網格的依賴性，橫條周圍網格加密，經優化，最終網格總數為38622～40008個。入口邊界條件采用平均速度入口，顆粒入射速度與氣速相同;出口邊界條件采用充分發展管流條件;氣相壁面邊界采用無滑移壁面條件，在壁面附近采用標準壁面函數;氣體出口采用逃逸型，顆粒出口采用收集類型，壁面和橫條均采用彈性碰撞類型。

3 結果與討論

3.1 不同組數角型橫條流場數值模擬

在入口氣流速度為5m/s這種工況下，分別對2組、3組、4組角型擾流橫條的凝并區進行數值模擬，飛灰顆粒粒徑為2.5μm。凝并區流場速度矢量圖見圖2。

從圖2可以看出，在橫條的周圍形成的顯著的擾流效果，沿著氣流方向，在橫條之前即有擾動產生，在橫條之后，依然有擾流效果的延續。圖2(c)中，4組橫條形成的擾流最長。氣流在凝并區通道中過流時，在斷面橫條的周邊，形成流速變化(圖中箭頭長度代表速度大小)，存在著明顯的速度梯度，而速度梯度能形成良好的凝并；豎直方向上，相鄰2個橫條之間形成的較狹窄的通道中，氣流速度最大。同時，除了速度梯度，從速度矢量圖還可以看出，代表速度矢量的小箭頭，在橫條周圍的擾流中箭頭忽疏忽密，箭頭的方向也發生了改變，這說明除了明顯的速度梯度之外，氣流中的超細顆粒的速度方向會隨氣流發生改變(而不是一直沿著水平方向前進)。不同速度方向的氣流的交匯，必然帶來氣流中超細顆粒的相遇和聚合，顯著增強凝并效果。在凝并區過流斷面中，添加了角型橫條，產生了氣流中不同速度數值的顆粒，不同速度方向的顆粒，這些加大了超細顆粒碰撞的幾率，形成了良好的凝并。

圖2 凝并區流場速度矢量圖

圖3 凝并區氣流速度分布云圖

凝并區氣流速度分布見圖3，從圖3可以看出，氣流在凝并區通道中過流時，在斷面橫條的周邊，形成流速變化(圖示速度等值線變化處，即圖中的任意兩種等值包絡線過渡區域)。凝并器內分部氣流流速變化處成為湍流凝并主要發生區域。在橫條的背風面形成了負壓區,有小區域的氣流流動死角。由橫條帶來的凝并區通道中氣流壓力變化較大，經計算形成的壓力范圍為-35.1～85.5 Pa，壓力降(出口處與進口處的壓力差值)為 96.5 Pa。從分析來看，橫條組數越多，擾流效果越好，凝并的效果就越好；但是橫條組數越多，整個凝并區通道的壓力降就越大，能耗越大。對比圖2(b)與(c)，3組角型橫條與4組角型橫條形成的擾流效果差不多，但3組橫條的壓力降比4組的壓力降(4組凝并區壓力降達119 Pa)小22.5 Pa。綜合考慮擾流效果和整個凝并區通道的壓力降，選擇設置3組角型擾流橫條。

3.2 不同角度角型橫條流場數值模擬

圖4 不同角度橫條凝并區流場速度矢量圖

見圖4 不同角度凝并區橫條流場速度矢量圖，(a)、(b)分別對應角型橫條開口角度60°，120°。對比圖2(b)與圖4，不同的角型橫條開口角度會造成不同的擾流效果，120°的造成的擾流影響范圍最大，但是壓力降也是最大，在橫條的背風面形成了較大面積的負壓區，在背風面也造成了一定區域的流動死角。60°的造成的擾流影響范圍較小，在橫條的背風面形成了的負壓區，流動死角很小；但在縱切斷面上，有擾流效果的速度梯度區域占整個凝并區的面積百分比相對最小。考慮擾流效果和整個凝并區通道的壓力降，設置90°角型橫條是優化選擇。

4 結論

角型管道式凝并器在凝并區過流斷面中，添加了角型橫條，產生了流場中分部氣流不同速度數值，不同速度方向，這些加大了超細顆粒碰撞的幾率，形成了良好的凝并。綜合考慮擾流效果和整個凝并區通道的壓力降，設置3組角型橫條，角型開口角度設置90°是優化選擇。

[1] 張曉曦.電袋復合細粒子高效捕集技術機理初探[D].北京：華北電力大學，2014.

[2] 酈祝海.促進PM (2.5)凝并技術及研究進展[C].// 中國環境保護產業協會電除塵委員會.第十五屆中國電除塵學術會議論文集,2013:109-116.

[3] 韓 光.超細粉塵凝并裝置中產渦段優化布置的研究[D].北京：華北電力大學，2013.

[4] 張光學，劉建忠，周俊虎，等.小顆粒聲波團聚中碰撞效率的計算及影響分析[J].化工學報,2009,60(1):42-47.

[5] 郭沂權，張軍營，趙永椿，等.50MW燃煤電站鍋爐細顆粒物化學團聚示范工程試驗研究[J].中國電機工程學報,2016(s1):87-94.