射流作用下燃煤顆粒物團聚模擬研究

顏培玲，陳照軍，于 洋，申賢坤，許倩倩，亓雁飛，孫德帥

(青島大學 化學化工學院，山東 青島 266071)

我國城市大氣環境污染中，顆粒物污染是首要污染源。可吸入顆粒物(PM10)易被鼻和嘴吸入，而細顆粒物(PM2.5)能進入肺部，嚴重危害人們的身體健康。煤炭等化石燃料的燃燒是其主要來源，為減少煙氣中的顆粒物，燃煤企業多配有除塵設備，如電除塵器和袋式除塵器。雖然電除塵器的除塵效率已經可以達到99.9%的質量清除率，但是去除的主要是PM10顆粒，用于捕獲PM2.5等仍有很大缺陷[1]。

顆粒物團聚技術是利用物理或化學方法使細顆粒“成長”為大顆粒物，進而被除塵設備清除，包括電團聚、磁團聚、化學團聚、聲團聚、熱團聚和湍流團聚等。其中，湍流團聚不需要額外的外場作用，通過顆粒間的相互碰撞來增強顆粒的團聚。課題組前期在團聚室內引入氣體射流,對燃煤細顆粒的團聚進行了研究[2]。由于流場比較復雜，顆粒運動過程中會受到氣速、溫度等因素的影響，實驗操作難以對流場中顆粒的運動情況進行跟蹤研究，而數值模擬軟件則可以很好的計算湍流流場內顆粒群的團聚時空演變。群體平衡模型(Population Balance Model, PBM)能夠計算團聚室內多分散細顆粒物在流場中的運動、分布及團聚情況。課題組對射流作用下顆粒的團聚模擬發現射流位置和射流出口雷諾數均會改變顆粒的團聚效果[3]，其變化規律與實驗結果一致[4]。本文通過歐拉雙流體模型與PBM模型耦合，對射流引起的湍流流場中，氣氛和溫度等參數的變化對顆粒團聚的影響進行模擬計算，以期補充顆粒物團聚的影響因素。

1 模擬團聚數學模型

1.1 連續相流動方程

湍流模擬中有兩相流體分別為空氣和飛灰顆粒，在團聚室內顆粒的聚并過程中，湍流起主要作用，氣體看作不可壓縮流體，因此模擬選擇典型的兩相流標準k-ε模型[5]。

1.2 顆粒群動力方程

通常假設顆粒間為二元不可逆碰撞，即碰撞后產生的團聚產物不再分裂。基于上述因素，對顆粒間的團聚動力方程加以構建：

(1)

式中:n(ν, t)是顆粒尺度分布函數；α(ν, ν')是體積分別為ν和ν'的顆粒間的團聚核；右側第一項為團聚生成的顆粒，其中的系數1/2 是為了避免團聚的重復計算，右側第二項為團聚消失顆粒。團聚核是團聚過程的重要參數，團聚核與顆粒斯托克斯數St密切相關，根據St不同，其團聚核方程表達式如(2)、(3)所示。

(2)

(3)

式中:di，dj為顆粒粒徑，m；ε為湍流耗散率,m2/s3；ν為氣體的運動粘度，m2/s；η為湍流kommogorov長度尺度；c0為常數；ζT為碰撞效率；Ui為顆粒i的均方速度，m/s。

團聚動力方程采用Hounslow等[6]人開發的離散分區算法，在多個分區內劃分顆粒的尺度分布曲線，在各個區間建立平衡方程進行聯立求解。本文顆粒相為將粒徑0.4～17 μm 的顆粒按照Rosin-rammler分布分為9個區間，初始顆粒的粒徑分布如表1所示。

2 湍流團聚室的物理模型

湍流團聚室為φ114×610 mm的有機玻璃管，圓形射流噴嘴內徑1.4 mm(長度10 mm)。圖1所示為團聚室的網格示意圖，模型網格為四邊形pave網格，網格數為68620個。團聚室內氣體密度為1.2 kg/m3，顆粒相對密度為1838 kg/m3。入口氣流流速為0.2 m/s，射流的速度入口流速為22 m/s，出口設置為outflow。

表1 初始顆粒粒徑分布Tab.1 Initial particle diameter distribution

圖1 射流團聚室網格視圖 Fig. 1 Computation grid of agglomeration chamber with gas jet

3 實驗流程

射流作用下燃煤細顆粒團聚實驗系統主要包括空氣壓縮機、團聚室、流化床氣溶膠發生器、采樣器等，詳見參考文獻[4]。通過流化床氣溶膠發生器產生所需的氣溶膠，在氣體的攜帶下進入團聚室內。同時在團聚室邊壁引入射流，形成湍流流場，促進顆粒物發生碰撞團聚。團聚實驗中用撞擊式FA-3型氣溶膠粒度分布采樣器記錄顆粒團聚前后的質量的變化，計算顆粒清除率。

4 結果與討論

4.1 團聚對顆粒分布的影響

圖2 射流對顆粒團聚體粒徑分布的影響 Fig.2 Effect of gas jet on particle size distribution of agglomeration

顆粒物團聚后，顆粒粒徑分布函數發生變化，如圖2a和圖2b所示，無論是模擬值還是實驗值，團聚后的顆粒質量都明顯減小，說明射流能有效促進顆粒團聚。在模擬研究過程中，由于考慮多分散性體系中大顆粒存在對可吸入顆粒團聚具有促進作用[2]，選擇了0～17 μm的顆粒。而在實驗過程中由于采樣器儀器的限制，僅對0～10 μm的顆粒進行分析。由圖2a可見，團聚作用使10 μm以下顆粒物由96%降低至63%，而圖2b中實驗團聚結果中10 μm以下顆粒物則由100%降低至73%，理論計算高于實驗值[7]。實驗和模擬的變化趨勢基本相同，說明模擬計算是正確的。

4.2 氣氛對顆粒團聚清除的影響

燃燒過程的煙氣是由多種氣體構成的混合氣，其中含量較高的組分是N2和CO2，因此對氣氛對顆粒團聚的影響進行了模擬計算。圖3a為不同氣氛下顆粒體積分數分布，可以看到不同氣氛下顆粒體積分數在團聚后明顯減少。CO2氣氛的顆粒體積分數最高，混合氣氛(N2與CO2的體積比為4∶1)下體積分數最小，說明煙氣的混合氣氛更有利于團聚進行。從圖3b可看出在團聚后小粒徑(< 4 μm)顆粒清除率較高，湍流對顆粒有卷吸作用，顆粒之間碰撞幾率大，更容易團聚。大顆粒(> 8 μm)的數量較少且質量大，在湍流中與小顆粒形成速度梯度，小顆粒易粘附于大顆粒成為大團聚體被清除。從圖3b中的局部放大圖可以看出混合氣氛更有利于小顆粒的清除。混合氣氛下對于7 μm處較大顆粒清除率較CO2氣氛下高約20%。氣氛的影響可能是由于氣體粘度的差異造成的，CO2的動力學粘度最低，導致射流形成的渦旋卷吸作用較弱，顆粒之間碰撞頻率減小，顆粒團聚效果不好[8]。而氮氣和空氣的粘度差不多，所以顆粒清除率也非常相似，但總體低于混合氣體下顆粒的清除率。

圖3 煙氣氣氛對顆粒團聚的影響

Fig.3 Effect of atmosphere on particle agglomeration

4.3 溫度對顆粒團聚的影響

溫度變化會影響團聚室內顆粒濃度的分布，因此對不同溫度下團聚室內兩相流流場進行數值模擬。圖4為溫度變化對顆粒總清除率的影響，圖4a中隨著溫度的升高，顆粒總清除率不斷增大，溫度在50～90℃之間顆粒總清除率增大較快，90℃以上顆粒隨著溫度升高，總清除率增大的幅度減小。為清楚的顯示不同溫度下顆粒清除率的變化，選取其中四個溫度值計算其單級清除率變化，如圖4b所示。4 μm以下顆粒的清除率受溫度的影響很小。7 μm以上顆粒清除率受溫度影響較明顯，主要是溫度升高，使氣體的粘度增大[9]，湍流強度增大，顆粒與氣體之間的慣性力增加，大顆粒更易從流體中獲取能量而增加碰撞幾率，從而增大了顆粒團聚體的尺寸，提高顆粒的清除率，與Lind等[10]通過實驗研究溫度對亞微米顆粒形成的影響相似，溫度升高，團聚后顆粒粒徑越大，團聚效果也越好。

圖4 溫度對顆粒清除率的影響

Fig.4 Effect of temperature on particle clearance

4.4 相對濕度對顆粒團聚影響

團聚室內相對濕度對顆粒在湍流中的團聚行為產生影響。圖5給出濕度對顆粒清除率的影響，從圖5中可見，濕度5%時顆粒清除率為72%，隨著濕度的增加而單調遞增，在濕度達到40%時，清除率最高達到78%，而后隨著濕度增加，清除率有所下降[2]。顆粒團聚效果隨相對濕度升高而增大，主要是隨著氣體濕度的增加，顆粒之間的毛細管力也增大，濕度繼續增加顆粒之間的主要粘附力由范德華力轉變為毛細管力，增強了顆粒團聚效果。濕度大于40%以后顆粒清除率下降，主要是氣體濕度過高時，顆粒之間的毛細管力不再增大，而在毛細管力作用下顆粒之間的距離不斷減小，范德華力變為排斥力，導致顆粒之間的粘附作用力下降，顆粒清除率降低。

5 結論

(1) 團聚室內不同氣氛影響細顆粒的團聚效率，粒徑小于4 μm的顆粒物團聚受氣氛的影響較小；對中等及大粒徑顆粒，氮氣和二氧化碳混合氣氛下顆粒的清除率最高，由于二氧化碳的動力粘度較低，影響了射流的卷吸作用，減弱了顆粒之間的碰撞團聚，導致二氧化碳氣氛下顆粒清除率最低。

(2) 溫度的升高，使氣體的粘度增大，湍流強度增大，從而增加了顆粒之間的碰撞，粒徑大于7 μm的大顆粒清除率隨溫度升高而增加，而粒徑小于4 μm的顆粒清除率受溫度的影響較小。氣體相對濕度與顆粒清除率不是簡單的線性關系，在相對濕度為40%時，顆粒數量清除率達到最高。

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