多場耦合作用脫除PM2.5的數值模擬與實驗研究

楊晨鵬，朱家驊，楊海濤，陳 倬，段 旬

(四川大學 化學工程學院，四川 成都 610065)

近年來PM2.5污染嚴重，空氣質量明顯下降，究其根本，過程工業尾氣排放是其主要原因[1]。2016年我國全面執行《環境空氣質量標準》，排放標準更加嚴苛，尾氣除塵勢在必行。傳統除塵技術[2]難以適應我國基礎工業發展階段尾氣除塵，尤其是對于PM2.5脫除。

基于工業尾氣自身具有余熱的特性，課題組提出了廢氣廢水交叉流陣列變溫脫除PM2.5新方法[3]，利用氣液間傳熱傳質推動力，促進PM2.5脫除，取得以廢治廢的效果。工業過程中會產生大量低溫廢水和高溫廢氣，氣液兩相接觸時，將同時進行傳熱傳質。傳熱傳質過程中顆粒受到熱泳力和擴散泳力作用，促進顆粒的脫除。Calvert等人[4]對熱泳力和擴散泳力脫除顆粒進行了研究，發現熱泳力和擴散泳力對細顆粒物脫除效果明顯；王翱[5]等人發現，脫除顆粒時擴散泳力作用強于慣性作用；余徽[6]等人對熱泳力脫除顆粒進行了模擬研究，模擬結果預測誤差較大。先前的研究很難了解多場耦合作用對顆粒脫除的影響，顆粒在流場、溫度場、濃度場中受到多種機理作用，運動情況復雜，還需深入研究。

本文基于歐拉-拉格朗日模型，考慮熱泳力、擴散泳力影響，對流場、溫度場和濃度場耦合作用下液膜捕集顆粒過程進行模擬，并通過氣液交叉流除塵實驗驗證模擬結果準確性。

1 數學模型

裝置幾何模型如圖1所示，液相沿纖維繩降膜，形成均勻穩定的液膜；含塵氣體沿垂直于纖維繩方向橫掠液膜柱，其中的顆粒物受到慣性力、布郎擴散、熱泳力和擴散泳力等作用，在各力共同作用下向液膜柱移動，與液膜柱接觸后被捕捉。

模擬計算時不考慮降膜對顆粒捕集的影響，簡化為二維模型。

圖1 氣液交叉流模型示意圖

模擬計算中的連續性方程為：

動量守恒方程：

能量守恒方程

Gk、Gb為平均速度梯度和浮力產生的湍動能，YM表示波動膨脹的影響，αk和αε為逆效應普朗特數，Sk和Sε為源項。

其中μt為渦黏度，由k和ε計算得到：

模型中的參數設置如下：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

水蒸氣傳質擴散由組分輸運模型計算：

Yi為組分質量分數，Si為源項生成率，Ri為組分化學反應生成率。

顆粒運動方程：

FD(u-up)是顆粒受到單位質量的曳力：

其中u為流體速度，up為顆粒速度，μ為流體動力粘度，ρ為流體密度，ρp為顆粒密度，dp為顆粒直徑，Re為相對雷諾數：

附加質量力F考慮熱泳力和擴散泳力，熱泳力計算公式：

DT,p是熱泳系數，Talbot等人通過研究給出如下計算式：

其中Kn為Knudsen數，2λ/dp；λ為平均分子自由程；K=k/kp；k、kp為流體和顆粒熱導率；mp為顆粒質量；T為流體溫度； 為動力粘度；其余常數Cs為1.17，Ct為2.18，Cm為1.14。

擴散泳力模型需要通過UDF 導入，Brock[7]等人給出了擴散泳力表達式：

其中xa和xv分別為空氣、水蒸氣摩爾分率，Dv為水蒸氣擴散系數，σ為擴散滑移系數。

氣體入口設為常速，液柱為恒溫壁面，液膜表面水蒸氣濃度為壁溫對應的飽和水蒸氣濃度。

采用ANSYS ICEM軟件對物理模型進行結構化網格劃分，對近壁面處進行網格加密處理，網格質量在0.9以上，進行網格無關性驗證，當網格數在8.1×105以上時，氣體出口溫度及水蒸氣質量分數不再明顯變化，模型網格劃分滿足計算要求。通過Fluent軟件進行數值計算，擴散泳力通過UDF(User Defined Functions)嵌入Fluent解算。

2 實驗

實驗裝置包括氣體調節系統、降膜陣列和檢測系統，實驗流程圖如圖2所示。由鼓風機吸入的空氣首先進入系統，然后與蒸汽混合。含蒸汽的氣體被加熱以達到一定的溫濕度，將粒子加入到氣流中。水槽中的水沿纖維繩柱降膜，形成均勻穩定的液膜。20排纖維繩柱呈正三角形排列，每排25根或24根纖維繩，液柱橫向間距為4 mm，直徑為1.2 mm。

1壓縮機，2干燥劑，3過濾器，4氣溶膠發生器，5蒸汽發生器，6緩沖槽，7加熱器，8壓差計，9鼓風機，10顆粒檢測儀，11傳感器，12稀釋器，13循環水泵，14恒溫水槽，15采樣口，16溫濕度檢測儀

圖2 實驗流程圖

水溫維持在20℃，氣體入口速度1.02 m/s，溫度60℃，改變氣體濕度，考察濕度差對顆粒脫除效率的影響。實驗所用顆粒物為氧化鋁，由粉塵粒徑檢測儀測量濃度和粒徑分布。顆粒脫除率通過顆粒數目濃度來表征：

(15)

其中cin為入口顆粒數目濃度，cout為出口顆粒數目濃度。

3 結果與討論

3.1 模擬結果

含塵氣體橫掠液膜柱時，氣體會與液膜發生傳熱傳質。圖3為氣體溫度和水蒸氣質量分數隨液膜柱排數變化規律?？梢钥闯?，隨著氣體橫掠交叉流陣列，氣體溫度和濕度不斷降低，氣體溫度逐漸降至接近于液柱表面液體溫度，水蒸氣濃度逐漸降至接近液膜柱表面水蒸氣飽和濃度。

圖3 氣體溫度和水蒸氣濃度隨液膜柱變化圖

以粒徑0.1 μm和1 μm顆粒為例討論PM2.5的脫除效果。圖4為不同工況下總脫除效率隨液膜柱排數變化規律。由圖可知，隨著氣體橫掠交叉流陣列，液膜柱排數增加顆粒總脫除效率不斷增加，但趨勢逐漸變緩，說明單排液膜柱脫除效率逐漸降低。在粒徑為1 μm時，入口相對濕度由0.575增大到0.757，總脫除效率提高了35.1%。

圖4 總脫除效率變化規律

圖5為不同工況下單排液膜柱脫除效率與液膜柱排數的關系。由圖可知，隨著氣體橫掠交叉流陣列，液膜柱排數增加，單排液膜柱顆粒脫除效率不斷減小。隨液膜柱排數增加氣液間溫度差和濕度差逐漸降低，即顆粒受到的熱泳力和擴散泳力也將降低，單排液膜柱顆粒捕集效率降低，傳熱傳質推動力是脫除效率的關鍵因素。

圖5 單排液膜柱脫除效率變化規律

3.2 模擬結果與實驗結果對比

表1為氣體入口溫度60℃，水溫20℃，不同入口相對濕度下，PM2.5顆粒脫除效率的實驗和數值模擬結果。從表中可以看出實驗值和模擬值吻合良好，模擬結果中顆粒效率預測誤差在±10%以內，實驗結果驗證了數值模擬的合理性。

表1 模擬結果與實驗結果對比

4 結論

(1)對流場、溫度場和濕度場耦合作用下液膜捕集顆粒過程進行了模擬，并通過含塵氣體橫掠液膜柱陣列除塵實驗驗證了模擬結果的準確性。

(2)氣液間傳熱傳質推動力是PM2.5脫除效率的關鍵因素。氣液間溫濕度差減小時，PM2.5脫除效率隨之減小。

(3)濕度差對PM2.5脫除作用明顯。在氣體入口溫度60℃，水溫20℃，當氣體入口相對濕度由0.575提高到0.757，經過20排液膜柱，總脫除效率提高了35.1%。