光催化氧化VOCs凈化設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化與數(shù)值模擬*

華紹廣 權(quán)登輝 楊曉軍 李剛 劉龍

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司 安徽馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室 安徽馬鞍山 243000；3. 華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司 安徽馬鞍山 243000)

0 引言

近幾年來，光催化氧化處理低濃度VOCs(有機揮發(fā)性污染化合物)的技術(shù)研究逐漸成為國內(nèi)外廢氣治理中一個熱門的研究方向。目前低濃度VOCs處理主要采用光催化氧化、低溫等離子技術(shù)、活性炭吸附以及轉(zhuǎn)輪吸附+氧化等技術(shù)[1]，其中光催化氧化技術(shù)在得到廣泛應(yīng)用的同時存在效率低、氧化不徹底等問題，產(chǎn)生這些問題的原因是多方面的，入口管路氧化劑和VOCs不能充分混合以及反應(yīng)室內(nèi)氣體流場分布不均勻是導(dǎo)致處理效果不佳的重要因素[2-4]。Kenics型靜態(tài)混合器具有空間需求小、生產(chǎn)成本低、混合效果好和熱均勻化效果好的優(yōu)點[5]。朱巖等[6]設(shè)計了一種新型VOCs處理設(shè)備，為了增加廢氣處理面積，在反應(yīng)室入口加入輸氣扇分流廢氣，同時在設(shè)備內(nèi)部加入熱風(fēng)機二次氣化有害物質(zhì)。

光催化協(xié)同氧化高效凈化VOCs技術(shù)處理效果較好，但是要基于VOCs分子與臭氧充分混合并在光催化反應(yīng)室內(nèi)均勻分布的前提，目前市場存在的VOCs處理設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，很難使VOCs分子充分反應(yīng)，導(dǎo)致降解效率普遍不高。目前針對光催化氧化VOCs處理設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究大多采用實驗測定對比方案，盲目性較大。入口管路對于氧化劑和VOCs的充分混合對于進入反應(yīng)室內(nèi)充分反應(yīng)具有重要意義，相關(guān)研究應(yīng)用較少。旋流器的加入可以進一步使氧化劑與VOCs在空間均勻分布。本文對VOCs處理設(shè)備結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，基于理論分析與CFD模擬建立了其內(nèi)部流場與氣相組分運動的三維數(shù)值模型，采用LES(大渦模擬)方法模擬了設(shè)備內(nèi)部組分輸運以及空間流場的影響規(guī)律，靜態(tài)混合器與旋流器的協(xié)同作用最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以達到入口管路氣相組分充分混合以及反應(yīng)室內(nèi)氣流均勻分配的目的。模擬與實驗結(jié)果的高度吻合可以為光催化氧化處理VOCs工藝降解率的提高提供理論基礎(chǔ)。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)模型和數(shù)值計算方法

1.1 結(jié)構(gòu)模型

VOCs處理設(shè)備結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示，包括入口管路和反應(yīng)室兩部分，臭氧和苯蒸氣分子經(jīng)入口管路輸運至反應(yīng)室入口，在反應(yīng)室內(nèi)經(jīng)紫外燈照射進行光催化氧化反應(yīng)，反應(yīng)后氣體產(chǎn)物經(jīng)反應(yīng)室出口排出。入口管路尺寸為60 mm×60 mm×1 300 mm，反應(yīng)室入、出口為高度300 mm的四棱臺，反應(yīng)室尺寸為800 mm×1 200 mm×900 mm。設(shè)備實際處理過程中將空氣中流動狀態(tài)視為定常不可壓縮，實驗過程中空氣流體溫度保持在300 K，操作壓力為101 325 Pa,設(shè)備整體絕熱且壁面無滑移，空氣密度為0.998 kg/m3,動力粘度為1.83×10-5(N·s)/m2，模擬與實驗過程中空氣流速為1.5 m/s,換算為空氣流量為60 kg/h.

圖1 VOCs處理設(shè)備結(jié)構(gòu)模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 氣相控制方程

連續(xù)相方程：

(1)

動量方程：

(2)

物質(zhì)輸運方程(包括苯蒸氣、臭氧和空氣等)：

將靜態(tài)混合器中VOCs分子(苯蒸氣介質(zhì))、臭氧以及空氣視為同相中的不同組分，實現(xiàn)對管內(nèi)化學(xué)物質(zhì)混合和輸運的模擬需要求解多組分的對流、擴散和反應(yīng)的守恒方程[7]。其控制方程如下：

(3)

式中，Ri為組分間化學(xué)反應(yīng)項，本次模擬計算中不存在組分間的化學(xué)反應(yīng)，故Ri=0。Ji為組分i的擴散通量，其在湍流模型中的表達式如下：

(4)

1.2.2 湍流模型

目前廣泛應(yīng)用于靜態(tài)混合器和旋流分離器內(nèi)部流場分析的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、雷諾應(yīng)力模型(RSM)以及基于雷諾平均方程的LES(大渦模擬)[8]，大渦模擬方法讓依靠時間尺度模擬的大邊界問題可以利用一系列的過濾方程[9]，分離不同尺度的渦，對于大尺度渦進行直接模擬，小尺度渦則用模型使其封閉進行模擬。大渦模擬可以精確求解某個尺度以上所有湍流尺度的運動，是一種近似直接模擬的方法，因而被認為是最具有潛力的湍流模型[10]。該模型已被精確應(yīng)用于氣相旋流流場的預(yù)測，控制方程表達式如下：

(5)

式中，σij為分析粘性產(chǎn)生的應(yīng)力張量，τij為亞格子應(yīng)力，μt為亞格子渦粘系數(shù)。

1.2.3 網(wǎng)格劃分及邊界參數(shù)

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后入口管路和反應(yīng)室進行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格類型選用T-Grid非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并在混合和起旋元件流動較為變化劇烈的區(qū)域進行網(wǎng)格加密，如下圖2所示分別為靜態(tài)混合器元件和旋流器網(wǎng)格局部細化示意圖。在進行網(wǎng)格獨立性驗證時，綜合考慮計算精度和保證較高的網(wǎng)格質(zhì)量，最終確定網(wǎng)格節(jié)點間距為50 mm，經(jīng)驗證模擬結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)增加的誤差不超過1.5%[11]，確定4組模型網(wǎng)格數(shù)分別為126 578，189 372，207 965以及278 562，網(wǎng)格獨立性良好。模擬邊界參數(shù)與實際工況一致，如下表1所示。

1.2.4 均勻性量化處理

VOCs處理設(shè)備反應(yīng)室內(nèi)速度場的分布采用相對均方根速度值σ作為氣流均勻程度的評價指標(biāo)，近似考慮了速度不均勻性的折射效應(yīng)，對于速度場不均勻性反應(yīng)較靈敏[12]，計算公式為：

(6)

式中，vi為監(jiān)測點上的流速，m/s；v為監(jiān)測點上的平均速度，m/s；n為監(jiān)測面上的監(jiān)測點數(shù)。

圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型網(wǎng)格劃分局部細化圖

表1 邊界條件

2 設(shè)備處理性能數(shù)值模擬分析

2.1 入口管路組分濃度分布

圖3和圖4分別為入口管路Z=0.65 m和Z=1.3 m截面處苯蒸氣和臭氧質(zhì)量分數(shù)分布云圖，可以看出管路輸運的氣體組分濃度分布存在大面積紊亂，苯蒸氣和臭氧多區(qū)域的濃度梯度易造成反應(yīng)室內(nèi)氣體組分漩渦區(qū)域面積變大，進一步導(dǎo)致苯分子得不到充分降解，為了使氣體組分得到充分混合，需要對入口管路進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.2 反應(yīng)室空間流場分布

圖5為反應(yīng)室流場分布云圖，由監(jiān)測面速度、壓強分布云圖以及反應(yīng)室空間速度流線圖組成。由圖5(a)可知，氣流在進入反應(yīng)室后，沿主流方向形成一股沖擊射流，射流邊界越來越窄，一直延續(xù)至反應(yīng)室中心區(qū)域。在沖擊射流附近形成了較大的速度脈動，速度均方根值高達0.96，這是由于氣流在入口處未得到充分擴散，在中心區(qū)域形成了明顯的回流區(qū)域，下壁面邊界處的氣流速度梯度形成漩渦[13]，增加了流動阻力[14]，易造成臭氧和苯蒸氣由入口進入后主要集中在底部區(qū)域，并產(chǎn)生回流現(xiàn)象，光催化氧化協(xié)同反應(yīng)不能夠充分進行。從圖5(b)可以看出氣流在反應(yīng)室壓強分布梯度達到了1.5 kPa，這是氣流流速極不均勻分布、動能轉(zhuǎn)變成壓能所致，較大幅度的壓力梯度跳躍同時也會使反應(yīng)室內(nèi)氣相組分形成紊亂分布。圖5(c)中整個反應(yīng)室空間速度流線分布較為紊亂，這是由于邊界處速度梯度形成了漩渦，與圖5(a)監(jiān)測面流速分布規(guī)律基本一致。從以上分析可知，該VOCs處理設(shè)備反應(yīng)室內(nèi)部流場分布極不均勻，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖3 不同截面苯質(zhì)量分數(shù)分布

圖4 不同截面臭氧質(zhì)量分數(shù)分布

圖5 反應(yīng)室流場分布

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與模擬分析

3.1 入口管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由圖3和圖4可知，入口管路苯蒸汽和臭氧在進入反應(yīng)室入口時濃度分布不均勻，即使反應(yīng)室空間流場達到最佳均勻狀態(tài)，苯蒸汽和臭氧的濃度分布也會造成光催化協(xié)同反應(yīng)無法進行完全，嚴重影響了苯的降解。在考慮苯蒸氣和臭氧分子均勻混合的基礎(chǔ)上，通過眾多學(xué)者的研究選用Kenics型靜態(tài)混合器替換入口管路，從而達到充分混合的目的，如下圖6所示，由插入元件和空管組合而成，插入元件個數(shù)為6個，高度為120 mm，長度為200 mm，入口和出口處各預(yù)留長度為50 mm的輸送空間。

圖6 入口管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

圖7和圖8分別為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后入口管路Z=0.65 m和Z=1.3 m截面處苯蒸氣和臭氧分子質(zhì)量分數(shù)分布云圖，管路Z=1.3 m截面苯分子和臭氧分子質(zhì)量分數(shù)基本上保持均勻分布狀態(tài)，然后在空氣氣流的作用下進入反應(yīng)室，這是由于靜態(tài)混合器的加入使得管內(nèi)氣體組分被折疊和扭曲的插入元件反復(fù)混合，從而達到均勻分布狀態(tài)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的入口管路有效改善了管內(nèi)氣體組分的濃度均勻混合程度。

3.2 反應(yīng)室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖5(a)中氣流進入反應(yīng)室沿主流方向形成一股沖擊射流，延續(xù)至反應(yīng)室中區(qū)后形成回流區(qū)域，基于氣流的擴散特性，結(jié)合均分射流流股高度的思路，如圖9所示，選用在反應(yīng)室入口四棱臺底部加入旋流器的方式，通過旋流器偏轉(zhuǎn)直葉片對入口氣流進行均分，使其在入口處達到充分擴散，對原反應(yīng)室結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

圖10為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后反應(yīng)室流場分布云圖，旋流器的加入使氣流在入口處得到充分擴散，氣流最大速度梯度減小為0.1 m/s，速度均方根值明顯降低，速度空間流線上下壁面對稱分布，旋流作用下的氣流流動均勻性顯著提高。壓力損失是一個非常重要的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，決定了設(shè)備的能耗，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后監(jiān)測面壓強分布不再產(chǎn)生跳躍，由于氣流在入口處不再存在滯留時間，壓強總體保持在5 kPa，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的反應(yīng)室在保持氣流均勻分布的同時也減小了設(shè)備的能耗。

圖7 不同截面苯質(zhì)量分數(shù)分布

圖8 不同截面臭氧質(zhì)量分數(shù)分布

圖9 反應(yīng)室結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化反應(yīng)室流場分布

3.3 模型可靠性驗證

通過數(shù)值模擬方法得到了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后入口管路不同截面組分就濃度分布和結(jié)構(gòu)優(yōu)化反應(yīng)室流場分布云圖，在確保實驗與數(shù)值模擬過程中邊界參數(shù)相同，如表1所示。將實驗中所測量得出的入口管路末端截面不同測點組分濃度、反應(yīng)室不同測點流速分布與模擬結(jié)果進行對比，驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。如下圖11為入口管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后末端截面中心軸線氣相組分質(zhì)量濃度模擬值與實驗值的比較，入口管路優(yōu)化前臭氧與苯分子質(zhì)量濃度變化最大區(qū)間為7 mg/m3，靜態(tài)混合器內(nèi)氣相組分質(zhì)量濃度區(qū)域恒值，最大變化值小于1 mg/m3，實驗值與模擬值最大誤差為2.6%。圖12為反應(yīng)室結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后縱向中心軸線與徑向中心軸線監(jiān)測面流速分布對比，未加入旋流器最高速度脈動區(qū)間達到1.6 m/s,旋流器的加入有效改善了氣流分配的均勻性，縱向與徑向截面速度值保持穩(wěn)定。實驗值與模擬值最大誤差為14.6%，采用大渦模擬方法模擬結(jié)果與實驗值吻合較好。

(a)

(b)

(a)

(b)

4 結(jié)果與討論

借助ANSYS FLUENT軟件實現(xiàn)光催化氧化工藝VOCs高效凈化設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。對入口管路氣相組分輸運和反應(yīng)室內(nèi)三維沖擊射流流場進行模擬研究，基于無反應(yīng)組分輸運充分混合和均分氣流的思想提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，通過數(shù)值模擬和實驗驗證：

(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前氣相組分濃度在監(jiān)測面梯度較大，氧化劑與VOCs分子得不到充分混合。氣流進入反應(yīng)室后沿主流方向形成一股沖擊射流，在監(jiān)測面中心區(qū)域形成了明顯的回流區(qū)域，速度均方根值高達0.96，空間流線紊亂，壓強梯度跳躍。

(2)入口管路替換為靜態(tài)混合器，使得管內(nèi)氣體組分被折疊和扭曲的插入元件反復(fù)混合，從而達到均勻分布狀態(tài)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的入口管路有效改善了管內(nèi)氣體組分的濃度均勻混合程度。

(3)反應(yīng)室入口加入旋流器，氣流在入口處得到充分擴散，氣流最大速度梯度減小為0.1 m/s，速度空間流線上下壁面對稱分布，旋流作用下的氣流流動均勻性顯著提高，無壓力梯度，設(shè)備能耗降低。

(4)模擬結(jié)果與實際工況基本一致，最大誤差為14.6%，驗證了模擬結(jié)果的可行性。