生物質(zhì)與煤混燒灰湍流團聚相互作用的模擬研究

呂建燚，徐冰漪，陸義海，付麗麗

(華北電力大學 環(huán)境科學與工程學院，河北保定071003)

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生物質(zhì)與煤混燒灰湍流團聚相互作用的模擬研究

呂建燚，徐冰漪，陸義海，付麗麗

(華北電力大學 環(huán)境科學與工程學院，河北保定071003)

摘要：研究生物質(zhì)與煤混燒灰的湍流團聚相互作用對于生物質(zhì)混燒發(fā)電鍋爐電除塵器入口前構(gòu)建湍流聚并器具有十分重要的指導意義。針對生物質(zhì)燃料玉米秸與無煙煤不同摻混比例的混燒灰，基于Fluent軟件，利用顆粒群平衡模型(PBM)，通過自定義函數(shù)(UDF)功能導入湍流團聚核函數(shù)，分析不同生物質(zhì)摻比下混燒灰樣細顆粒的湍流團聚效果。研究結(jié)果表明，湍流團聚對于微米級顆粒效果較亞微米級顆粒效果顯著，湍流團聚效率隨著粒徑的增大而增大。同時，在不同生物質(zhì)與煤混燒比下，當流場流速為1.5 m/s，生物質(zhì)摻混比例越高，湍流團聚效果越佳。因此，對于燃煤鍋爐摻雜生物質(zhì)混燒可提高灰樣的湍流團聚效率，在電除塵器入口前構(gòu)建湍流聚并器是可行的。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；混燒灰；相互作用；湍流團聚；顆粒群平衡模型

0引言

煤作為我國主要的化石能源推動了經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，然而，我國的煤品質(zhì)較差，含有大量的雜質(zhì)，由燃煤裝置燃燒產(chǎn)生的細顆粒是大氣污染物的主要來源，因此優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源的利用比例，是我國未來能源發(fā)展的必然方向[1-4]。生物質(zhì)能作為一種豐富、清潔的可再生能源，具有十分廣闊的利用前景，這已成為共識[5-7]。生物質(zhì)與煤混燃技術(shù)由于其既能滿足電廠負荷需求，又能節(jié)約煤資源和減少環(huán)境污染的多重優(yōu)點，目前正成為研究的熱點[8,9]。鑒于日趨嚴峻的環(huán)保形勢，研究混燒灰的高效捕集也是刻不容緩。然而，現(xiàn)階段除塵設備對于超細顆粒物捕集具有一定的局限性，因此，強化對細顆粒粉塵的團聚以致高效捕集將是燃煤顆粒物以及混燒灰除塵技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。

對此，國內(nèi)外專家學者對細顆粒團聚技術(shù)進行了大量的研究。文獻[10]就燃煤細微顆粒物聲波團聚機理進行了模擬研究，研究結(jié)果表明，燃煤飛灰在聲波的作用下，隨著聲壓級的升高，團聚效果增強，大量細顆粒團聚產(chǎn)生粗顆粒，同時存在最佳團聚頻率。文獻[11]就燃煤可吸入顆粒物在雙氣流射流作用下的團聚過程進行了實驗研究，結(jié)果顯示微米級顆粒在雙射流作用下的團聚效果明顯優(yōu)于單射流作用。文獻[12]就燃煤細顆粒的化學團聚進行了實驗研究，結(jié)果表明化學團聚技術(shù)可使細顆粒的平均粒徑增大，同時降低顆粒出口數(shù)濃度，并且煙氣流量團聚劑流量和濃度等都是影響超細顆粒物團聚的重要因素。

但是國內(nèi)外學者對于生物質(zhì)與煤混燒灰在電除塵器內(nèi)部的湍流團聚相互作用情況還鮮少研究。除塵器內(nèi)部顆粒的湍流團聚是由流場作用產(chǎn)生的，不同粒徑大小的顆粒在湍流場中所受到的擾動大小不同。由于流場對顆粒的擾動作用，提高了顆粒之間相互碰撞的幾率，從而提高了顆粒的團聚效率。對于細顆粒的團聚減排，研究顆粒在電除塵器內(nèi)部的相互作用情況十分必要，本研究就生物質(zhì)玉米秸稈與無煙煤按0%，10%，15%，20%，100%摻比的混燒灰，基于Fluent軟件，利用顆粒群平衡模型(PBM)，通過自定義函數(shù)(UDF)功能導入湍流團聚核函數(shù)，就不同混燒比例下的灰樣的湍流團聚情況進行計算，分析得出最佳運行工況。

1物理模型

以電站實際運行線板式電除塵器作為研究的物理模型，采用Gambit軟件建立五電場單通道簡化模型，其中，單電場長度為3 500 mm，極板高度為1 000 mm，板間距為400 mm，采用四方形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對網(wǎng)格進行優(yōu)化，并對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，分別采用了5.5萬、7萬、8.5萬三套網(wǎng)格進行計算，并對計算結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格的劃分對于計算結(jié)果的偏差較小，可認為達到網(wǎng)格無關(guān)性要求，最終選取網(wǎng)格總數(shù)為7萬個。除塵器通道簡化物理模型如圖1所示。

圖1　除塵器通道簡化物理模型

2數(shù)學模型及邊界條件

本文利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬，采用歐拉雙流體模型，湍流模型采用標準k-ε模型，利用PBM模型研究顆粒的聚并情況，對PBE求解采用sectional算法，由自定義函數(shù)(UDF)功能導入湍流團聚核函數(shù)。入口條件為速度入口，流場流速為1.0 m/s，空氣密度為1.225 kg/m3，空氣粘度為1.789 4×10-5Pa·s，顆粒粘度為1.721×10-5Pa·s，顆粒體積分數(shù)分別為0.7%，1.05%，1.4% 3種工況，壁面條件為無滑移壁面，出口條件為Outflow。選取Phase Coupled SIMPLE算法進行數(shù)值求解。

3生物質(zhì)與煤灰樣真密度測量

以《火力發(fā)電廠燃料試驗方法》中關(guān)于燃煤真比重的測定方法為依據(jù)進行混燒灰樣真密度的測量，用十二烷基硫酸鈉溶液浸潤粉塵，將盛有固定量粉塵溶液的比重瓶在水中煮沸，排除吸附氣體，再進行空白實驗，利用阿基米德原理計算出粉塵的真密度[13]。

在準備好的比重瓶內(nèi)加入4 g已制備好的玉米秸稈與無煙煤煤混燒灰灰樣。向比重瓶內(nèi)注入6 mL 2%的十二烷基硫酸鈉，并將其靜置15 min，使生物質(zhì)與煤混燒灰樣充分被浸潤液所浸透。取水50 mL，注入上述比重瓶中，煮后轉(zhuǎn)移至沸水浴鍋中煮20 min，以排除生物質(zhì)與煤混燒灰內(nèi)的吸附氣體。從水浴鍋取出比重瓶，注入沸水至瓶口，蓋上瓶塞，過剩的水將從塞上的毛細管溢出，此時瓶和毛細管不能有氣泡存在，若有氣泡則需要重新操作。將瓶外表面的水擦干，并迅速把它放在天平上以測量比重瓶質(zhì)量。比重瓶內(nèi)不加生物質(zhì)與煤混燒灰樣品而且不煮沸，其余同上，進行空白實驗的測定。

(1)

式中：G為生物質(zhì)與煤混燒灰的質(zhì)量；G0為空白時測定的質(zhì)量；G1為煮沸加水后比重瓶加液體的重量。

不同摻雜比下的生物質(zhì)與煤混燒灰樣真密度如圖2所示。如圖可見，隨著生物質(zhì)在其中摻雜比例的增加，混燒灰的真密度出現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

圖2　不同生物質(zhì)與煤混燒比例下的灰樣真密度

4湍流團聚分析

本文主要研究不同混燒比例下(0%，10%，15%，20%，100%)的生物質(zhì)與煤混燒灰樣在湍流團聚機理下的團聚情況。通過改變不同比例混燒灰的顆粒體積分數(shù)與真密度研究顆粒在不同體積分數(shù)下的團聚情況。同時，在確定最佳顆粒體積分數(shù)后改變流場流速(0.5 m/s，1.0 m/s，1.5 m/s)工況下，研究顆粒在最佳體積分下的湍流團聚情況，通過計算分析除塵器內(nèi)部湍流團聚機理下不同工況的顆粒數(shù)密度的變化情況，研究影響湍流團聚對顆粒團聚的作用以及除塵器的最佳運行工況。

表1為PBM模型中采取的分區(qū)算法顆粒參數(shù)，顆粒的粒徑范圍為0.3～7.62 μm。圖3和4分別為實驗條件下采用ELPI測量系統(tǒng)測得的不同摻混比例下的除塵器入口顆粒數(shù)密度百分數(shù)以及總顆粒數(shù)密度。由圖3和圖4可以看出，雖然細顆粒物粒徑所占體積分數(shù)較小，但其數(shù)密度卻不可忽視。因此，研究微米級以及亞微米級顆粒的團聚技術(shù)對于細顆粒物的減排具有十分重要的意義。

表1　分區(qū)算法顆粒參數(shù)

圖3　除塵器入口顆粒數(shù)密度百分數(shù)

圖4　除塵器入口總顆粒數(shù)密度

由圖3明顯可以看出，隨著生物質(zhì)在灰樣中摻雜的比例增加，亞微米級顆粒呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。顆粒粒徑峰值也逐漸發(fā)生改變，從1.20 μm轉(zhuǎn)移到0.3 μm處。同時由圖4可見，隨著生物質(zhì)在灰樣中摻雜比例的增加，導致除塵器入口處的總顆粒數(shù)密度明顯增大，當混燒比例為100%時總顆粒數(shù)密度最大。

5顆粒湍流團聚核函數(shù)分析

湍流團聚是由流場作用產(chǎn)生的，不同粒徑大小的顆粒在湍流場中所受到的擾動大小不同。由于流場對顆粒的擾動作用，提高了顆粒之間相互碰撞的幾率，從而提高了顆粒的團聚效率。由湍流作用引起的顆粒團聚需要考慮顆粒的慣性作用，其中慣性作用由St判斷。根據(jù)St的不同，顆粒主要分為3種：零慣性顆粒、有限慣性顆粒以及高慣性顆粒。顆粒類型不同也導致了湍流團聚核函數(shù)的不同[14-16]。

(2)

式中：τp為直徑dp的顆粒弛豫時間尺度，s；τk為湍流的Kommogorov時間尺度，s；ρp為灰樣密度，kg/m3；ρf為氣體密度，kg/m3；η為湍流的Kommogorov長度尺度，s。

(1)零慣性顆粒(St→0)

(3)

(2)有限慣性顆粒(St<0)：

(4)

(3)高慣性顆粒(St→∞)

(5)

式中：ζT為碰撞效率，實際碰撞次數(shù)與理論碰撞次數(shù)之比；ε為湍流耗散率；v為氣體運動粘度，m2/s；Ui為顆粒i的均方速度，m/s。

圖5為湍流團聚核函數(shù)隨粒徑的變化曲線。從圖中可以看出，當Li不變時，隨著Lj的增大，湍流團聚核函數(shù)值呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。同時，團聚核函數(shù)隨著兩顆粒粒徑的增大而增大。湍流團聚核函數(shù)最大值出現(xiàn)在Li=Lj=7.62 μm處。最小值出現(xiàn)在Li=Lj=0.3 μm處。

圖5　湍流團聚核函數(shù)隨粒徑的變化

6數(shù)值模擬結(jié)果與討論

6.1除塵器出口顆粒湍流團聚效率分析

圖6為流場流速為1.0 m/s工況條件下除塵器出口顆粒湍流團聚效率。由圖可見，當生物質(zhì)摻雜比例一定時，隨著顆粒體積分數(shù)的增加，細顆粒的數(shù)密度亦增大，提高了顆粒與顆粒之間的碰撞機率，為細顆粒的湍流聚并提供了十分有利的條件，使除塵器湍流團聚效果逐漸變優(yōu)。同時，當顆粒體積分數(shù)不變時，隨著生物質(zhì)摻雜比例的增加，亞微米級顆粒增多，由于湍流團聚對微米級顆粒效果優(yōu)于亞微米級顆粒，團聚效果呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。隨著混燒比例的增加，總顆粒數(shù)密度逐漸上升，提高了顆粒與顆粒之間的團聚效率。由圖6可以看出當顆粒體積分數(shù)為1.4%時顆粒團聚效果最優(yōu)。

圖6　除塵器出口顆粒湍流團聚效率

圖7　0%混燒比工況下湍流團聚效率

6.2生物質(zhì)與煤混燒灰最佳顆粒體積分數(shù)分析

圖7～圖11分別為1 m/s工況下生物質(zhì)與煤不同混燒比例的除塵器內(nèi)部湍流團聚效率。由圖可知，當顆粒所占體積分數(shù)一定時，在湍流團聚作用下，Bin1-Bin7的顆粒數(shù)密度均減小，Bin0的顆粒所占數(shù)密度百分數(shù)增大，其中，在Bin1-Bin4區(qū)間內(nèi)的湍流團聚效率較大，說明湍流團聚對微米級顆粒的作用效果優(yōu)于亞微米級顆粒。同時，隨著顆粒體積分數(shù)增加，亦增加了顆粒與顆粒之間的碰撞機率，使湍流團聚效果也逐漸增強，其中體積分數(shù)為1.4%時團聚效果愈佳。綜上5種情況，可以得出不論是生物質(zhì)與煤混燃或是純?nèi)?，其湍流團聚均在顆粒體積分數(shù)為1.4%時效果最佳。

圖8　10%混燒比例工況下湍流團聚效率

圖9　15%混燒比例工況下湍流團聚效率

圖10　20%混燒比例工況下湍流團聚效率

6.3生物質(zhì)與煤混燒灰最佳流場流速分析

圖12～圖16分別為5種不同生物質(zhì)與煤混燒比例下不同流場流速下的湍流團聚效率。由圖可見，隨著流場流速的增加，不同區(qū)間粒徑的湍流團聚效率均增大，使除塵器出口的Bin1-Bin7的顆粒減少，Bin0的顆粒明顯增加。說明除塵器內(nèi)部流速增大，增加了流場對顆粒的擾動作用，使顆粒與顆粒之間的碰撞機率增大，從而提高了湍流團聚效率。綜上可以得出最佳流場流速為1.5 m/s。

圖12　0%混燒比例下湍流團聚效率

圖13　10%混燒比例下湍流團聚效率

圖14　15%混燒比例下湍流團聚效率

圖15　20%混燒比例下湍流團聚效率

圖16　100%混燒比例下湍流團聚效率

6.4生物質(zhì)與煤最佳混燃比例分析

由6.3得出，最佳燃燒顆粒體積分數(shù)與最佳流場流速分別為1.4%，1.5 m/s。因此，在最佳燃料比下和最佳流場流速下就不同混燒比例分析生物質(zhì)與煤最佳摻雜比例。

由圖17可知，在生物質(zhì)與煤不同混燃比例條件下，粒徑峰值主要集中于4.80～7.62 μm處。隨著生物質(zhì)的摻雜比例的增加，7.62 μm顆粒純生物質(zhì)灰工況下的數(shù)密度百分數(shù)明顯高于10%～20%混燒灰。同時在純生物質(zhì)工況下0.3～4.80 μm粒徑處的湍流團聚效率與混燒灰相比明顯較高。因此，生物質(zhì)摻混比例越高，混燒灰湍流團聚效果愈加明顯。

圖17　不同混燃比下的除塵器出口湍流團聚效率

7結(jié)論

(1)隨著生物質(zhì)與煤摻雜比例的增加，導致細顆粒的數(shù)密度逐漸增加，其中當純生物質(zhì)時，其顆?？倲?shù)密度最大。湍流團聚對于微米級顆粒效果較亞微米級顆粒明顯，對于實現(xiàn)尾部顆粒的高效捕集具有十分重要的影響，因此除塵器內(nèi)部的湍流團聚效果不可忽略。

(2)隨著顆粒體積分數(shù)的增加，使顆粒數(shù)密度增多，增加了顆粒與顆粒之間的碰撞幾率，從而使顆粒的湍流團聚效果愈加明顯，其中當顆粒體積分數(shù)為1.4%時團聚效果最佳。

(3)在最佳顆粒體積分數(shù)下，隨著流場流速的不斷增加，增大了流場對于顆粒的擾動作用，從而增加了顆粒與顆粒之間的碰撞幾率，顆粒與顆粒的團聚效果增大。因此，當除塵器入口流速為1.5 m/s時效果最優(yōu)。

(4)當流場流速為1.5 m/s，顆粒體積分數(shù)為1.4%時，隨著生物質(zhì)與煤混燒比例的增加，湍流團聚效果愈加明顯。粒徑7.62 μm的顆粒在純生物質(zhì)工況下出現(xiàn)最大數(shù)密度百分數(shù)。同時在純生物質(zhì)工況下0.3～4.80 μm粒徑處的湍流團聚效率與混燒灰相比明顯要高。

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Simulation Studies on Turbulent Agglomeration Interaction of Biomass/Coal Co-combustion Ash

LU Jianyi，XU Bingyi，LU Yihai，F(xiàn)U Lili

(School of Environmental Science and Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Abstract：Studying the interaction of co-firing biomass/coal ash in ESP for constructing turbulent coalescence device is very important to biomass co-firing power boilers. For the different co-combustion ratio of corn stalk biomass fuels and anthracite, researches the particle interaction under turbulent aggregation. Based on the Fluent software, and utilizing the particle balance model (PBM) and user defined function (UDF) to import the turbulent agglomeration kernel. The fine particle of different volume fraction and different flow field rate under turbulent aggregation are calculated,and analyzed the aggregation effect of different co-combustion ratio ash. The produce data show that turbulent agglomeration effect is significant for micron particle than sub-micron particle, and the agglomeration efficiency strength with the increasing of particle size.Meanwhile, with the improvement of biomass co-combustion ratio, the turbulent agglomeration has a better effect under 1.5 m/s flow rate.Therefore, biomass co-combustion in coal-fired units can improve the efficiency of turbulent aggregation , and it is feasible to construct turbulent coalescence device in front of ESP entrance.

Keywords：biomass; co-combustion ash; interaction; turbulent agglomeration; particle balance model (PBM)

收稿日期：2016-05-05。

基金項目：國家自然科學基金(51376063)。

作者簡介：呂建燚(1972-)，男，教授，研究方向為大氣污染控制技術(shù)，E-mail: lujianyi@tsinghua.org.cn。

中圖分類號:TQ564.4

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.001