不同结构超细粉尘颗粒凝并器凝并性能

曾国梁,李高峰,程千钉,赵 佺,张平平,胡万照,高志良,季启政,姜建中

(1.北京东方计量测试研究所，北京 100094；2.北京航天河科技发展有限公司第一分公司，北京 102205；3.中国人民解放军军事科学院国防工程研究院，北京 100036)

随着人类对化石能源需求的增加，人类活动对自然环境的影响日益加剧。近年来，大气污染已引起了人们的广泛重视。尤其在中国，持续不断的雾霾现象严重影响了人们的正常生活。目前，越来越严苛的环保政策要求下，传统除尘技术已受到极大挑战，亟须新技术来满足需求。

严苛的粉尘排放标准[1]和频发的雾霾现象，使次微米颗粒的脱除受到越来越广泛的关注。由于次微米颗粒的特殊性质，传统电除尘器[2]、布袋除尘器[3]在捕集过程中很难起到有效的捕捉作用。Chen等[4]实验研究发现，随着颗粒尺寸下降。捕集效率下降，捕集效率低主要归因于超细颗粒荷电不足。因此，单纯提高传统除尘器性能已很难解决这一物理窗口。为控制次微米颗粒，研究者采用了多种技术手段，期望相关技术手段能与现有除尘技术组合形成对次微米颗粒的有效捕集[5-6]，但实际效果却并不理想。而2002年澳大利亚Indigo公司公布了商业颗粒物湍流凝并器专利技术[7]。此后，次微米颗粒凝并成微米颗粒研究成为一项新的研究内容。次微米颗粒聚并成微米颗粒，躲过静电除尘的颗粒窗口，将大大提高环境质量。

王国昌等[8]对Indigo工业湍流聚并器的核心元件进行计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟，分析不同聚并元件结构下三种烟气颗粒粒径分布模式下的聚并效果。刘忠等[9]构建了湍流聚并器内超细颗粒物聚并模型，引入全范围惯性颗粒的湍流聚并核函数,将双流体模型和颗粒群平衡模型(population balance model,PBM)进行耦合计算，发现随着流速增加聚并效果有所增强。耿珺等[10]采用矩阵方法以期获得碰撞凝并时间内的颗粒尺寸分布的变化情况。发现细颗粒聚并时,颗粒参数表现出明显的自保持性,细颗粒与大颗粒碰撞凝并时,除颗粒数衰减外,其余参数并未表现出强烈的自保持性。

现利用超细颗粒湍流凝并机理，通过仿真模拟探究不同凝并结构的凝并效果，得出湍流凝并器在不同速度条件下将超细颗粒(纳米颗粒和次微米颗粒)凝并成细颗粒(微米颗粒)的能力。

1 湍流凝并器模型

凝并器内部的核心部件称为涡片。图1给出了常见的3种涡片形式，涡片工作的物理机制是湍流凝并，即小尺度涡流会形成不同尺寸颗粒的碰撞和凝并，形成尺寸大于凝并颗粒尺寸的大颗粒。

Indigo公司在Adelaide大学采用激光荧光法(laser induced fluorescence，LIF)实验，证明湍流聚并实现了以下效果：①次微米粒子排放减少10倍以上；②直径小于1.5 μm的PM2.5微粒排放减少5倍以上；③视煤种和电厂条件的不同，浊度降低2～8倍；④排放浓度下降1/3～2/3。

图2所示为Indigo公司凝并器简图。凝并器前段的大涡片可以起到很好的导流作用，使含尘颗粒能够充分与小涡片接触，同时，大涡片也可以使气流产生大涡旋运动。后段的小涡片可以产生大范围的小涡旋运动，促使不同颗粒相互碰撞并发生凝并。凝并效果的提升是人们一直所追求的，而涡片各种参数的变化将直接影响整个凝并效果。经过一系列验证对比，“Z”形涡片的凝并效果最为突出。但Indigo公司聚并器有两个问题：一是压降较高，二是要求足够耐磨能力。因此，对凝并器做了优化。

30 000 m3/h烟气大体上相当于10 t/h燃煤锅炉的烟气量，研究结果可以直接指导10 t/h燃煤锅炉消除超细粉尘，也可以作为更大容量锅炉的聚并器模块。作为超细颗粒凝并技术，对工业除尘设计有诸多方便之处。

两种凝并器结构如图3所示，比较这两种结构的聚并效果，图3(a)是以Indigo公司凝并器为基础的传统凝并器结构，图3(b)是在传统凝并器基础上进行结构优化调整后的结构。整个二维计算域长1 800 mm，宽910 mm，涡片与水平夹角为60°，大涡片距第一排小涡片250 mm，小涡片距离150 mm，其余参数如图3所示。

3 PBM模型与湍流凝并模拟

近年来，随着计算流体力学的高速发展，计算机模拟在前期工程应用中变得越来越普及，通过模拟能很好地预测一些复杂工况的结果。颗粒群体平衡模型(population balance model，PBM)广泛用于预测气泡的生成和破碎、污泥絮凝的沉降及烟气颗粒的凝并等领域，如Li等[11]、Wang等[12]曾采用CFD-PBM耦合方法计算流体域内局部气泡尺寸分布及影响气泡分布的各种因素，得到模拟结果与实验结果在含气率、液速和气泡尺寸分布上吻合较好。

通过CFD-PBM耦合计算烟气颗粒在凝并器内的凝并情况，对比不同凝并器的凝并效果，探究影响凝并的因素。

3.1 颗粒群体平衡模型(PBM)

PBM[13]是一种描述多相流中分散相尺寸分布的统计方程，一般形式[14]为

b(v)n(v,t)

(1)

式(1)中：n(v,t)为颗粒大小概率分布函数；ub为体积Vb的速度矢量；v为其中一个颗粒运动速度；v′为另一个颗粒运动速度；t为颗粒运动时间；c(v,v′)为两颗粒凝并速率函数；b(v)为颗粒破碎速率函数；β(v,v′)为两颗粒分散分布函数。

等号左侧第一项为时间或非稳态项，第二项为对流项；等号右侧第一项为凝并生成项，第二项为凝并消失项，第三项为破碎生成项，第四项为破碎消失项。

3.2 悬浮颗粒的凝并过程

由于颗粒本身具有黏性，而且黏性与温度有很大的关系，也就是说，同一物质在不同温度下，其黏性不同。由于研究的温度区间内颗粒黏性很大。可以假设颗粒发生碰撞即聚并在一起。

假定悬浮颗粒尺寸分布连续，颗粒为均质球形，忽略重力对颗粒运动的影响，只考虑两种碰撞聚并作用，颗粒尺寸分布随时间变化的控制方程为

(2)

3.3 湍流凝并碰撞核函数

在湍流流场中，聚并可以通过两种机制产生：①黏性子机制：适用于小于Kolmogorov微尺度η的颗粒；②惯性子机制：适用于大于Kolmogorov微尺度η的颗粒，在这种情况下，假定颗粒具有独立的速度。

对于黏性子，粒子碰撞受旋涡内局部剪切的影响，碰撞率表示为

(3)

(4)

式(4)中：ε为单位质量流体的能量耗散率；ν为流体的运动黏性系数。

对于惯性子，颗粒尺度比最小的涡流大，因此它们被流场速度波动拖拽，在这种情况下，聚并速率可用亚伯拉罕模型[15]表示为

(5)

湍流碰撞的经验捕获效率系数描述了碰撞颗粒之间流体动力和吸引力的相互作用，Hsu等[16]提出的关系式为

(6)

(7)

(8)

3.4 模拟边界条件

通过双流体模型与群体平衡模型的耦合，反映凝并器内颗粒的凝并情况，入口条件为速度入口(15、10和5 m/s)，出口条件为outflow，壁面条件设置为无滑移壁面，壁面及涡片表面均设置为颗粒反弹类壁面条件，压力速度耦合采用Phase Coupled SIMPLE算法，动量、湍动能及湍流耗散率均采用二阶迎风格式。冷态条件下，气相密度为1.225 kg/m3，运动黏度为14.8×10-6m2/s，颗粒相密度为2 100 kg/m3。对群体平衡方程(population balance equation，PBE)采用离散法求解，颗粒相采用煤灰颗粒，通过Andersen测得粒径分布为0.45～12.5 μm，将0.45～12.5 μm颗粒分为8个区间，各个区间颗粒所占体积分数如表1所示。

表1 不同粉尘粒径所对应的两种体积分数Table 1 Two different particle size of the corresponding volume fraction

整个模拟过程中，初始颗粒体积分数为0.007，通过凝并模拟对比3种入口速度下颗粒凝并率以及两种凝并器的凝并效果。

4 模拟结果对比分析

以10 m/s的入口速度为例，对比不同粒径区间颗粒体积分数的变化情况，如图4所示。

图4 不同粒径区间颗粒体积分数变化情况Fig.4 Variation of particle volume fraction in different grain sizes

表2给出了两种凝并器在3种入口速度下的压降，通过数据可以看出，随着速度的降低，压降有明显的下降，并且随着速度的变小，压降值下降更为剧烈。入口速度为5 m/s时，两种凝并器的压降值都在500 Pa以内，较低的压降值将直接削减工程一次投资，这也为工业化应用奠定了基础。

表2 不同入口速度下的压降值Table 2 Pressure drop at different inlet speeds

通过PBM与双流体模型的耦合模拟计算，得出不同粒径区间颗粒的凝并效率，如图5和表3所示。通过对比分析得出以下结论。

(1)Bin1区(次微米颗粒)，15 m/s降低到10 m/s，传统凝并器颗粒凝并率提高1.29%，中轴对称式凝并器颗粒凝并率提高0.01%改进前后凝并率分别提高1.3%和0%，而从10 m/s降低到5 m/s凝并率分别提高2.65%和1.63%。

(2)Bin1、Bin2和Bin3 3个粒径区，改进前后的凝并率略有提高。

(3)Bin5区，改进前后最低凝并率从6.01%提高到20.7%。

(4)Bin7区(微米颗粒)，5 m/s时的凝并率达90.29%，比改进前提高8.85%。

(5)Bin7区，15 m/s降低到10 m/s凝并率，传统凝并器颗粒凝并率提高4.76%，改进后提高6.69%；10 m/s降低到5 m/s凝并率，原型提高8.89%，改进后提高9.63%。

比较表3可知，对所有粒径而言，中轴对称式凝并器的颗粒凝并率都有所提高，这是值得关注的效果。图5表明，改进后的凝并器更适合于超细粉尘(纳米级和次微米级)向细颗粒(微米级)凝并，可以有效填补电除尘器在0.1～1 μm区间因荷电不足导致的捕集效率低的物理窗口。

图5 两种凝并器的颗粒凝并率Fig.5 The coagulating rate of two kinds of condenser

表3 不同入口速度下各区间颗粒凝并效率Table 3 Particle coagulation and efficiency of each interval at different inlet speeds

5 结论

凝并器内部结构的改变将直接对凝并效果产生影响，通过对30 000 m3/h烟气量(相当于10 t/h燃煤锅炉)配备的两种凝并器进行凝并模拟对比，得出以下结论。

(1)入口速度直接影响凝并器压降值和各区间颗粒凝并率值。

(2)在同一凝并器中，随着入口速度的不断下降，凝并器内部的压降值下降显著，入口速度变为原来的1/3，压降值变为原来的1/6左右。

(3)对于整体凝并效率而言，入口速度的下降，并没有使得凝并率出现大幅降低。相反，部分区间颗粒凝并率反而略微升高，这一现象可能与涡旋运动强弱、颗粒受力以及雷诺数的变化有直接关系。

(4)对比两种凝并器，中轴对称式结构的压降略高，凝并效果相对较好。因此，需要综合考虑凝并效率与压降之间的平衡取舍，以寻求利益最大化。