超細顆粒物凝聚中試試驗均勻給料方案研究

許銓安，劉含笑，酈建國，姚宇平

(菲達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬T暨 311800)

《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223－2011)規(guī)定燃煤電廠煙塵排放限值30mg/m3，重點地區(qū)為20mg/m3?！董h(huán)境空氣質量標準》(GB 3095－2012)增設了PM2.5濃度限值，并給出了監(jiān)測實施的時間表。圖1是中國與美國、歐盟等國家環(huán)境空氣質量標準中PM2.5濃度限值對比。從圖中可以看出，歐盟未規(guī)定日平均濃度限值，日本未規(guī)定年平均濃度限值，其余國家和組織均規(guī)定了年平均和日平均二項濃度限值。《環(huán)境空氣質量標準》二級標準中PM2.5日平均和年平均濃度限值與WHO過渡期目標1要求相同，一級標準中平均濃度限值相對較低，與美國要求相同。

目前，燃煤電站控制煙塵排放的主流裝置是干式電除塵器，除塵效率可達99.5%以上，但對超細顆粒物的捕獲率相對較低，以顆粒數計仍有占飛灰總數90%以上的超細顆粒物進入大氣中。在傳統的電除塵器之前增設超細顆粒團聚裝置是降低火電廠PM2.5排放的有效措施，國內外學者針對不同團聚機理做了大量研究，并開展相關試驗［1－6］。

按機理不同可將凝聚方法分為：湍流凝聚、電凝聚、化學凝聚、聲波凝聚、磁凝聚等，其中湍流凝聚結構簡單，性能可靠，凝聚效果好，具有較好的商業(yè)應用前景［7］。在湍流凝聚試驗中，給料的均勻性、連續(xù)性、穩(wěn)定性直接影響到試驗結果的準確性，本文提出在圓方管處增設擾流鈍體的方法，并通過數值方法分析加鈍體前后煙道內煙塵流動特性和顆粒質量濃度分布，為試驗臺的優(yōu)化設計以實現顆粒在湍流凝聚器前的均勻分布提供了理論基礎。

圖1 國內外環(huán)境空氣質量標準中PM2.5的濃度限值對比

1 試驗臺及數學模型

中試試驗大廳布置俯視圖如圖2所示。改造段如圖中虛線所示，在該水平煙道布置湍流凝聚器，研究湍流對顆粒凝聚的增強效果和運動規(guī)律，這里需要在凝聚器入口處使顆粒初始分布盡量均勻，以減少濃度不均給實驗帶來的誤差影響。為此，在煙道圓方管處加設一個擾流鈍體，鈍體為前段為半球的圓錐體，椎體長度150mm，底圓半徑300mm，頂半球半徑50mm，與細管端面距離200mm布置方式如圖3所示。

圖2 試驗大廳布置

圖3 鈍體布置示意

數學模型包括連續(xù)相計算方程和顆粒相計算方程，湍流流場采用LES模型計算，顆粒相采用DPM模型計算，具體計算方程如下。

連續(xù)方程：

動量守恒方程：

煙道中煤灰顆粒的體積分數小于10%，采用拉格朗日法來描述煙塵顆粒與連續(xù)相的運動較為準確，將兩者作為惰性離散相顆粒處理，即選用DPM模型來跟蹤顆粒運動。顆粒相的作用力平衡方程在直角坐標系下的形式為：

式中：FD為連續(xù)相阻力;G為重力;Fsaffman為saffman力;Fother為其他相間作用力，在本計算中不作考慮。

2 網格劃分及邊界條件

為使計算精確，網格劃分均采用結構化網格，經局部調整優(yōu)化，將網格質量調整至最佳效果，網格劃分如圖4所示。邊界條件設置如表1所示，考慮顆粒與連續(xù)相耦合作用，選用隨機渦模型計算連續(xù)相對顆粒相的作用，盡量同試驗實際條件吻合。

圖4 網格劃分

表1 邊界條件

3 計算結果及分析

在非定常工況下，分別計算有鈍體和無鈍體工況，結果表明：鈍體具有很好的速度擾流效果，使得速度擾流更明顯;鈍體對湍流強度的提高也很明顯。圖5為2.6s時刻不同粒徑顆粒運動軌跡圖，顆粒運動受擾流影響明顯，顆粒越小，受連續(xù)相運動影響越大，軌跡線越曲折，顆粒越大，慣性越大，受連續(xù)相運動影響就越小，不同粒徑顆粒存在明顯的軌跡束聚集現象，這是由于湍流引起的顆粒局部富集現象。鈍體使得顆粒在圓方管處運動復雜度進一步提高。

圖5 顆粒運動軌跡(2.6s)

圖6 顆粒截面濃度

圖 6為加設鈍體后 x=0、z=－ 1、z=－ 2、z=－3、z=－4、z=－5處煙道截面顆粒質量濃度云圖，由圖可知，截面顆粒濃度分布并不均勻，但沿著煙道顆粒均勻性越來越好，從z=－3截面開始，各處濃度值已經基本維持在一個數量級，此后位置顆粒均勻性較好。圖7為有無鈍體工況各個截面處顆粒濃度值比較，從圖可知加設鈍體后顆粒均勻性明顯改善，結合圖8的濃度均方差曲線可以看出，除了x=0截面均勻性不如原工況外，其余截面均勻性都有所提高，因此在圓方管處加設鈍體是改善煙道內煤灰顆粒均勻性的有效方案。

圖7 截面顆粒濃度比較

圖8 六個截面濃度均方差曲線

4 結語

運用數值方法，采用LES模型計算湍流流場，采用DPM模型計算顆粒運動，分析中試試驗臺給料的均勻性，得到了有無擾流鈍體工況下水平煙道各截面處顆粒濃度分布及數值的均方差曲線。結果表明：鈍體具有很好的擾流效果;顆粒運動受擾流影響明顯，顆粒越小，受連續(xù)相運動影響越大，軌跡線越曲折，不同粒徑顆粒存在明顯的軌跡束聚集現象，鈍體使得顆粒運動軌跡復雜度進一步提高;加設鈍體后顆粒均勻性明顯改善，因此在圓方管處加設鈍體是改善煙道內煤灰顆粒均勻性的有效方案。

［1］劉 忠，劉含笑，馮新新，等.湍流聚并器流場和顆粒運動軌跡模擬［J］.中國電機工程學報，2012，32(1)：71 －75.

［2］劉忠，劉含笑，馮新新，等.超細顆粒物聚并模型的比較研究［J］.燃燒科學與技術，2012，18(3)：212 －216.

［3］劉 忠，劉含笑，李懷亮，等.超細顆粒物湍流聚并理論與數值模擬［C］.第14屆中國電除塵學術會議論文集，2011.

［4］Hanxiao Liu，Zhong Liu，etal.Multiple vortex body vortex numerical simulation［J］.Advanced Materials Research，2011，32(14)：1755 －1758.

［5］酈建國，郭 峰，梁丁宏，等.促進顆粒物聚合的方法與裝置［P］.中國，CN101780361A，2010-07-21.

［6］解 標，嚴瑞鋒，王 強，等.電除塵器末端微細粉塵收集裝置研究［J］.電力科技與環(huán)保，2012，28(4)：20 －23.

［7］徐小峰，酈建國，郭 峰.可吸入顆粒物脫除技術及應用前景［C］.第13屆中國電除塵學術會議論文集，青島：2011.