扰流钝体布置位置数值计算

杨柯烽，王 华，刘含笑，郭 峰，潘民兴

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800）

扰流钝体布置位置数值计算

杨柯烽，王 华，刘含笑，郭 峰，潘民兴

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800）

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。在湍流凝聚实验中，给料的均匀性对PM2.5团聚影响很大，运用数值方法，采用k-ε模型计算湍流流场和DPM模型计算颗粒运动轨迹，分析了PM2.5团聚中试实验台扰流钝体不同布置位置时流场参数及颗粒分布的均匀性，发现钝体布置在偏离中心线以上80mm时，具有较好的扰流掺混效果。

细颗粒物；实验改造；数值模拟；均匀给料

近年来，我国大中城市的雾霾天气越来越多，严重影响了城市居民的健康和生活，PM2.5（主要为PM0.4～PM1）含量过高是导致雾霾天气的主要原因，而燃煤电厂又是PM2.5的主要污染源之一。目前，火电厂除尘设备90%以上为电除尘器，因PM2.5荷电性较弱，电除尘器对PM2.5的去除率也比较低，电除尘器出口PM2.5含量占烟尘排放总量的50%～90%[1]、[2]。研究表明，燃煤电厂排放排放的PM2.5占全国大气污染物排放总量的10%～20%[3]，开发一种燃煤电厂PM2.5捕集增效技术，对解决我国的PM2.5污染问题将起到重要作用[4-9]，本课题组试图搭建中试实验台研究PM2.5捕集增效技术对PM2.5的脱除效果。

在PM2.5捕集增效技术中试试验台搭建过程中，给料的均匀性至关重要，为了保证烟尘颗粒在烟道内尽快分布均匀，采用在文丘里管扩张管处设置扰流钝体的方式，本文通过数值方法，分别计算钝体6种不同布置位置情况下文丘里管各截面流场参数，旨在确定最佳布置位置。

1 实验台

1.1 实验大厅总体布置

中试实验大厅布置俯视图如图1所示。研究湍流对颗粒凝聚的增强效果和运动规律，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，改造段如图中虚线所示，钝体为前段为半球的圆锥体。在图1中，1为微颗粒捕集增效装置；2为加料系统；3为双室四电场电除尘器；4为燃油热风炉；5为旋转电极式电场；6为袋除尘器。

1.2 微颗粒捕集增效装置工作原理

烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置安装于电除尘器进口烟道内，包括双极荷电区、扰流聚合区两大部分。对进入电除尘器前的粉尘进行分列荷电处理，使相邻两列的烟气粉尘带上正、负不同极性的电荷，并通过扰流装置的扰流作用，使带异性电荷的不同粒径粉尘产生速度或方向差异而有效凝聚，形成大颗粒后被电除尘器有效收集，其工作原理如图2所示，实物图如图3所示。

图1 实验大厅布置图

图2 烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置工作原理

图3 烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置实物图

2 数值计算物理模型

取文丘里管进口圆心为原点，扰流钝体布置在文丘里管出口扩张管内，扩张管距离原心d = 3580mm，扩张管长度n = 800mm，钝体中心线偏离文丘里管中心线距离为m，钝体粗端半球面与窄管端面间距为L，分别取四种布置方式。工况A：m = 40mm，L = 300mm；工况B：m = 80mm，L = 300mm；工况C：m = 120mm，L = 300mm；工况D：m = 0mm，L = 200mm；工况E：m = 0mm，L = 300mm；工况F：m = 0mm，L = 400mm。结构简图如图4所示。为了提高计算精度，采用ICEM软件划分结构化网格，采用O型网格，网格划分如图5所示。

图4 结构简图

图5 网格划分

3 数学模型

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k-ε模型计算，颗粒相采用DPM模型计算。

连续方程如下：

动量守恒方程为：

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（离散相模型）模型来跟踪颗粒运动。模型忽略其他相间作用力，只考虑saffman力和颗粒自身重力，颗粒相的作用力平衡方程在直角坐标系下的形式为：

式中：up为颗粒相速度； FD为连续相阻力；u为连续相速度；G为重力；Fsaffman为saffman力。

4 边界条件

边界条件设置如下表所示，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，尽量同实验实际条件吻合。

边界条件的设置表

5 计算结果及讨论

5.1 截面速度云图

取x = 5m截面为研究对象，6种工况的速度云图如图6所示。截面存在明显的速度差异，靠近壁面处流速较高，靠近钝体中心线位置流速较低，且工况B、C低速区域比其他工况大，这种速度差异可以加快气固两相流体间的掺混，从而提高颗粒相的空间均匀分布。

图6 x = 5m截面速度云图

5.2 截面颗粒质量浓度云图

取x=5m截面为研究对象，6种工况的颗粒质量浓度分布云图如图7所示，颗粒高浓度区域主要集中在y＞0区域，这是因为文丘里窄管处流速较高，颗粒从入料口进入文丘里后未及时扩散到整个截面区域，因此将钝体布置在中心线偏上位置，对颗粒的扰流掺混作用更好，图中A、B工况颗粒分布区域较大。

图7 x=5m截面颗粒质量浓度云图

5.3 颗粒质量浓度均方差曲线

分别取x = 4.5m、x = 5m、x = 5.5m、x = 6m、x = 7m、x = 8m五个截面为研究对象，对计算后各截面颗粒质量浓度计算均方差，不同布置位置时，颗粒质量浓度均方差曲线如图8所示。计算结果表明，沿x轴方向颗粒均匀性逐渐提高，钝体不同布置位置情况下最终颗粒浓度分布均匀性差别不大，即x = 7m、x = 8m截面数值差别不大；不同布置位置，浓度均匀性变化率不同，比较6种布置位置，工况B（m = 80mm，L = 300mm）效果最好，在x = 5m、x = 5.5m处颗粒浓度均匀性均好于其他工况。

图8 颗粒质量浓度均方差曲线

5.4 工况B的颗粒运动轨迹及各截面湍流强度云图

工况B颗粒运动轨迹计算结果如图9所示，其中深色为较大粒径颗粒，浅色为较小粒径颗粒。由图可知，在文丘里管窄管处颗粒未及时扩散，主要集中在上部区域，在扩张管处，受到钝体扰流和气体扩张的双重作用，颗粒运动轨迹发生较大的偏转，对颗粒在空间的均匀分布起到了很好的促进作用；颗粒轨迹的偏转程度沿x轴逐渐降低，这是因为钝体扰流产生较大的湍流强度，该湍流强度沿x轴逐渐耗散，如图10所示。

图9 B工况颗粒运动轨迹

图10 B工况各截面湍流强度云图

6 结论

采用k-ε模型计算湍流流场，DPM模型计算颗粒相运动，分别计算钝体6种不同布置位置情况下文丘里管各截面的速度、颗粒质量浓度云图、质量浓度均方差值、颗粒运动轨迹和湍流强度云图，通过比较分析，发现钝体布置在偏离中心线以上80mm时，具有较好的扰流掺混效果。

[1] 王圣，朱法华，王慧敏，等.基于实测的燃煤电厂细颗粒物排放特性分析与研究[J].环境科学学报，2011（3）.

[2] C.Ehrlich,G.Noll,W.-D.Kalkoff,G.Baumbach,A.Dreiseidler.PM10,PM2.5and PM1.0-Emissions from industrial plants—Results from measurement programmes in Germany[J].Atmospheric Environment 41 (2007) ：6236-6254.

[3] 赵瑜.中国燃煤电厂大气污染物排放及环境影响研究[D].清华大学，2008.

[4] Robert Crynack,Rodney Truce,Wilkins Harrison,INDIGO凝聚器－减少在美国电厂的质量排放浓度和可见排放物[C].ICESPX，2006.

[5] 刘忠，刘含笑，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（14）：71-75.

[6] 刘忠，刘含笑，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.

[7] Hanxiao LIU,Zhong LIU.et,Multiple Vortex Body Vortex Numerical Simulation [J].Advanced Materials Research，2011，32（14）：1755-1758.

[8] 刘忠，刘含笑，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.

[9] 郦建国，郭峰，等.双极荷电流体混合凝聚技术的研究[C].全国燃煤电厂除尘技术论坛文集，2009.

Position Numerical Value Calculation of Spoiling Flow and Blunt Body Collocation

YANG Ke-feng,WANG Hua,LIU Han-xiao,GUO Feng,PAN Min-xing
(Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co.,Ltd,Zhejiang Zhuji 311800,China)

The increasing of aggregate equipment of extra fine particulates is the effective measures to reduce PM2.5emission in power plant.In the experiment of turbulent flow agglomeration,the uniformity of feed charge will cause a great impact on PM2.5aggregate.By using numerical value method and adopting k-ε model,the paper calculates the flow field of turbulent flow and by adopting DPM model,the paper calculates the track of particulate movement.The paper analyzes the flow field parameter and the uniformity of particulate distribution in the different collocation position of spoiling flow and blunt body of the primary production test of PM2.5aggregate and finds out when the blunt body collocation departs at 80mm,it has a better spoiling flow and blending result.

fine particulate; experiment reform; numerical value simulation; uniformity of feed charge

X701

A

1006-5377（2015）06-0063-04

项目：国家高技术研究发展计划（863计划）“燃煤电站PM2.5捕集增效优化技术与装备研制”（2013AA065002）。