基于CPFD方法的生物質(zhì)燃氣旋風分離陶瓷膜一體化除塵器仿真

孫瑞豪, 王嘯遠, 朱躍釗,2, 汪若凡

(1.南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院,南京 211816; 2.南京工業(yè)大學 能源科學與工程學院,南京 211816; 3.南京聯(lián)能環(huán)境科技有限公司,南京 210009)

生物質(zhì)氣化過程會產(chǎn)生大量固體顆粒物和焦油氣,若不對粗生物質(zhì)燃氣進行凈化,則會造成氣化機組的冷凝管堵塞、用氣設備損壞等問題,嚴重影響氣化和用氣過程的連續(xù)性與安全性,并產(chǎn)生污染[1]。

計算顆粒流體力學(CPFD)方法是近年來逐漸興起的,是專門針對工業(yè)級流態(tài)化過程及化學反應進行仿真的技術[11]。相比傳統(tǒng)通用CFD方法,CPFD方法在顆粒流仿真方面展現(xiàn)出更優(yōu)的計算效率、收斂性和可靠性。Li等[12]首次將CPFD方法應用于旋風分離器的仿真研究,考察了兩級旋風分離器串聯(lián)時內(nèi)部流場的特性,并采用響應面法優(yōu)化了兩級旋風分離器的結構。

為縮短生物質(zhì)燃氣的除塵工藝,提高除塵效率,筆者所在課題組提出了一種耦合復合陶瓷膜組的一體化旋風除塵器。本文主要基于實驗研究和CPFD模擬方法考察復合陶瓷膜組對旋風除塵器內(nèi)粉塵分布規(guī)律、停留時間以及除塵效率的影響,探討新型一體化除塵器的應用可行性,并為其設計提供參考。

1 一體化除塵器及實驗裝置

1.1 一體化除塵器結構

本文中一體化旋風除塵器是在典型拉普爾旋風分離器的基礎上進行改造的[13],具體尺寸參數(shù)見表1。

表1 旋風除塵器各部分基本參數(shù)

圖1(a)和圖1(b)給出了本文研究的復合陶瓷膜組一體化旋風除塵器的三維結構與二維模型,其與傳統(tǒng)旋風除塵器的主要區(qū)別在于出口處內(nèi)置安裝了復合陶瓷膜組,用于提高細微顆粒的去除效率。

(a) 三維模型

內(nèi)置復合陶瓷膜組由9個等距對稱布置的不銹鋼-陶瓷復合膜板組成,總長度為1 125 mm,其結構見圖1(c)。復合陶瓷膜板是由矩形不銹鋼薄殼結構上開圓孔陣列,并嵌入圓形陶瓷膜形成的。在實際應用過程中,隨著過濾時長的增加,需要利用氮氣對陶瓷膜表面進行反吹清洗,反吹結構見圖1(d)。

1.2 陶瓷膜流動阻力測試

陶瓷膜的除塵過程分為2個階段,在過濾初期濾餅沒有形成時,對粉塵的截留主要依靠陶瓷膜膜孔的攔截效應,當陶瓷膜表面濾餅層形成后則主要通過濾餅截留過濾[14]。

為獲得陶瓷膜在穩(wěn)態(tài)除塵過程中的流動阻力特性,搭建了如圖2所示的實驗測試裝置,裝置主要包括流量控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和壓力檢測系統(tǒng)。測壓點安裝在進氣口、陶瓷膜前與陶瓷膜后。3個測溫點安裝在加熱棒、進氣口以及加熱圈處。

圖2 實驗裝置圖

實驗系統(tǒng)中裝載陶瓷膜片段的管路外徑為22 mm、壁厚1.5 mm。其余管道的外徑均為8 mm、壁厚1 mm。分別在陶瓷膜前后留取一定長度作為緩流區(qū),減少進、出口效應的影響。

本文測試的擬用于一體化除塵器的陶瓷膜片通過固態(tài)粒子燒結法制成,主要成分為Al2O3和Na2O·Al2O3·6SiO2(鈉長石),直徑17 mm、厚度1.7 mm、孔隙率為65.56%、平均孔徑20 μm、堆積密度為0.98 g/mL、表觀密度為2.85 g/mL。測試過程中,采用質(zhì)量流量計調(diào)節(jié)進氣量,利用溫度控制器調(diào)節(jié)加熱棒與加熱圈的溫度,進而調(diào)節(jié)吹掃氣溫度。壓力表和壓差表分別顯示進口壓力與過膜前后的壓力差。在進口溫度為573 K、生物質(zhì)灰分添加量為0.3 g的條件下,測試體積流量和壓力對單個陶瓷膜片過膜壓差的影響。本文實驗設置的體積流量范圍為0.5～1.5 L/min(對應平均流速為1.7～5.3 m/min),濾餅厚度約為4 mm。實驗測得的陶瓷膜過膜壓降隨系統(tǒng)壓力和體積流量的變化情況見圖3。

圖3 過膜壓降變化曲線

為了給后續(xù)的仿真建模提供數(shù)據(jù)支撐,對溫度為573 K、系統(tǒng)壓力為250 Pa(表壓)條件下的流速與壓降曲線進行二次擬合,得到陶瓷膜過膜壓降p與流速v的關系式為

p=220 148v2+40 070v

(1)

擬合曲線相關系數(shù)R2=0.999 2,可認為二者相關度較高。

2 數(shù)值模擬

2.1 CPFD方法

CPFD數(shù)值模擬方法借鑒了多相流質(zhì)點網(wǎng)格模型(MP-PIC)方法,使顆粒在作為連續(xù)介質(zhì)的同時也被看作離散相。基于CPFD方法開發(fā)出的Barracuda軟件,采用了特有的顆粒計算方法,將數(shù)量巨大的顆粒簡化為顆粒團[15],很好地克服了傳統(tǒng)歐拉-拉格朗日方法計算顆粒流效率低的問題,在流化床與旋風除塵器的數(shù)值模擬中得到了較好的應用。

2.2 數(shù)值方程

在CPFD方法中顆粒相利用歐拉法進行處理,氣相利用拉格朗日方法進行處理,其方程如下[16]

在氣固兩相流中:

φp+φg=1

(2)

式中:φp為顆粒相體積分數(shù);φg為氣相體積分數(shù)。

氣相質(zhì)量守恒方程為

(3)

式中:ρg為氣相密度,kg/m3;ug為氣相速度,m/s。

氣相動量守恒方程為

-?p-F+φgρgg+?·φgτg

(4)

式中:pg為氣相壓強,Pa;τg為應力張量,Pa;F為單位體積氣固相動量交換率;g為重力加速度,m/s2。

顆粒相動量方程為

(5)

式中:up為顆粒速度,m/s;ρp為顆粒密度,kg/m3;Dp為相間曳力系數(shù);τp為顆粒接觸應力。

為了覆蓋從稀相到致密相的整個顆粒分布范圍,本文中曳力模型選用Wen-Yu/Ergun模型。在該模型中,以0.75倍和0.85倍密相堆積體積分數(shù)為邊界,顆粒濃度較低時對應Wen-Yu模型,顆粒濃度較高時采用Ergun阻力模型,在中間過渡區(qū)域采用兩種模型的線性組合[17],具體表達式為

(6)

式中:φcp為致密相的體積分數(shù);D1和D2分別為Wen-Yu模型和Ergun模型的系數(shù)。

Wen-Yu模型:

(7)

(8)

式中:Cd為單顆粒標準曳力系數(shù);φf為流體體積分數(shù);ρf為流體密度,kg/m3;uf為流體速度,m/s;rp為顆粒半徑,m;Re為雷諾數(shù)。

Ergun模型:

(9)

慣性阻力系數(shù):

陶瓷膜過濾器對流場的阻力作用,在數(shù)學模型上表現(xiàn)為流體動量方程的附加動量源項Si,該附加動量源項由黏性損失項和慣性損失項兩部分構成[18],可表示為

(10)

式中:μv/α為黏性損失項;Kρ|v|v/2為慣性損失項;1/α為黏性阻力系數(shù);K為慣性阻力系數(shù);μ為流體動力黏度,kg/(m·s)。

附加動量源項Si與流經(jīng)阻力區(qū)域的壓力梯度直接相關。結合式(10)可知,流經(jīng)陶瓷膜過濾器的慣性阻力損失Δp與流速v之間的關系為

(11)

結合經(jīng)驗式(11)與式(1),設置本文中K為739 993.3。

2.3 模型構建與網(wǎng)格劃分

依據(jù)上文所述結構參數(shù)對一體化除塵器建立全尺寸三維模型。將模型導入Barracuda軟件中,采用笛卡爾網(wǎng)格技術進行網(wǎng)格劃分[19],對局部網(wǎng)格進行加密,考察了不同網(wǎng)格數(shù)量下一體化除塵器的進出口壓降,結果如圖4所示。經(jīng)過網(wǎng)格無關性分析,最終選用網(wǎng)格數(shù)為384 930的網(wǎng)格結構,以提高計算效率,同時兼顧準確性。

圖4 網(wǎng)格無關性驗證

2.4 邊界條件

設生物質(zhì)氣化合成氣為氣相,生物質(zhì)粉塵顆粒為固相,合成氣摩爾質(zhì)量為26.34 g/mol,粉塵顆粒的摩爾質(zhì)量為12 g/mol,顆粒入射質(zhì)量流量為0.002 kg/s,粒度分布如圖5所示。

圖5 粒度分布圖

在模擬過程中,設置切向壁面動量保持系數(shù)為0.99,法向壁面動量保持系數(shù)為0.3。設定除塵器入口處為速度入口邊界,進口溫度為573 K,進口氣體積流量為7 909 m3/h,模型內(nèi)部流場初始壓力設為101 325 Pa,出口處設為壓力出口,出口處壓力為101 325 Pa。圖6為CPFD模型的網(wǎng)格劃分與進出口設置示意圖。

(a) 網(wǎng)格劃分

2.5 求解策略與穩(wěn)態(tài)驗證

本文氣相湍流模型采用大渦模擬(LES)方法,求解顆粒采用MP-PIC方法,曳力模型選用Wen-Yu/Ergun模型,CFL是一個收斂條件判定數(shù),CFL的數(shù)值越接近1,模擬的精確度越高。迭代過程中需要通過調(diào)整時間步長來調(diào)控CFL的數(shù)值,以減少誤差。當時間步長過大時,計算會自動調(diào)整CFL的數(shù)值,使其維持在0.8～1.5,迭代時間步長設置為0.001 s。模擬一體化除塵器從開始運行至穩(wěn)態(tài)的過程,模擬時長約30 s[16]。

因除塵器的進口固體顆粒物質(zhì)量流量為恒定值,所以仿真過程運行狀態(tài)可大致從集塵口處的固體顆粒物質(zhì)量流量來判斷。圖7給出了一體化除塵器安裝和不安裝復合陶瓷膜組2種工況下集塵口處顆粒物質(zhì)量流量與累計值隨時間的變化情況。由圖7可知,運行5 s后,無陶瓷膜組工況下集塵室入口的顆粒質(zhì)量流量趨于穩(wěn)定的波動狀態(tài),累計質(zhì)量變化曲線的斜率也趨于穩(wěn)定,表明模擬5 s后除塵器達到穩(wěn)態(tài)運行階段,而有陶瓷膜組工況下,達到穩(wěn)態(tài)的模擬時長約為20 s。

(a) 有陶瓷膜組

3 結果與討論

3.1 模型驗證

為驗證所采用的CPFD建模與求解方法的準確性,基于文獻中旋風分離器實驗結果進行了驗證[12]。根據(jù)文獻[12]建立了雙級旋風分離器模型,將模擬得到的壓降和歐拉數(shù)Eu與實驗值進行對比,其中歐拉數(shù)的計算方法如下。

(12)

式中:Δpc為分離器的壓降;vi為分離器入口氣體速度;ρ為進口氣體的密度;ρi為分離器進口氣體的密度,kg/m3。

從圖8(a)可以看出,模擬所得到的壓降和歐拉數(shù)與實驗值一致性良好。將模擬結果與旋風除塵器壓降半經(jīng)驗模型(C-S模型[20])的結果進行了對比驗證,如圖8(b)所示。由圖8(b)可以看出,模擬所得壓降與C-S模型下計算所得的壓降誤差小于5%。由此可知本文針對一體化旋風除塵器采用的建模和求解方法是可靠的。

(a) 實驗對比

3.2 顆粒運動與分布特征

圖9給出了陶瓷膜組安裝前后2種工況下除塵器從啟動至穩(wěn)態(tài)運行階段的固體顆粒物分布模擬結果的對比。從圖9可以看出,在2種工況下,隨生物質(zhì)燃氣進入旋風除塵器的顆粒物均會沿其筒壁形成外旋流,較大的顆粒在離心力作用下被甩到筒壁上,順著筒壁滑入集塵室,而較小的顆粒會跟隨氣旋匯聚到錐體底部,形成內(nèi)旋流,部分顆粒也會從出口管下方提前進入內(nèi)旋流。不同的是,存在陶瓷膜組的工況下,旋風除塵器內(nèi)的氣體不會直接從出口管中排出,而是被陶瓷膜組過濾后再逸出。

(a) 無陶瓷膜組

圖10對比了穩(wěn)態(tài)運行階段2種工況下除塵器內(nèi)顆粒物的粒徑分布情況。由圖10可知,陶瓷膜組的過濾作用使得出口管內(nèi)的固體顆粒物數(shù)量明顯多于不安裝陶瓷膜組的工況。此外,由圖10可以看出,無陶瓷膜組時粒徑較大的粉塵顆粒(粒徑>5 μm)大多會落入集塵室內(nèi),而出口逸出的顆粒粒徑大多在5 μm以下。安裝陶瓷膜組后,原本會逸出的小粉塵顆粒(0.1 μm<粒徑<5 μm)則大多被陶瓷膜組截留。

(a) 無陶瓷膜組

顆粒與流體間的相互作用、與器壁間產(chǎn)生的接觸以及旋流器內(nèi)復雜的湍流特性等是導致顆粒停留時間不同的主要原因。因而通過分析顆粒在旋風除塵器內(nèi)的停留時間可以對其分離性能的好壞做出評價[21]。

圖11為2種工況下粉塵顆粒的停留時間分布對比圖。由圖11可以看出,無陶瓷膜組時,顆粒被氣流攜帶逸出除塵器的平均時間為5 s左右,氣旋到達集塵室的時間約為3 s,而底部被除塵器所捕集的粉塵顆粒停留時間多在25 s以上。在陶瓷膜組存在的條件下,顆粒的停留時間顯著增加,在陶瓷膜組附近,部分粉塵顆粒的停留時間達到了25 s以上,這部分顆粒幾乎不能逸出。

(a) 無陶瓷膜組

根據(jù)圖12(a)的數(shù)據(jù),未安裝陶瓷膜組時,除塵器出口的粉塵顆粒平均半徑分布在0.6～2 μm。安裝陶瓷膜組后,出口排放的粉塵顆粒平均半徑均小于0.1 μm。這表明陶瓷膜組對細小顆粒具有良好的二次過濾效果。

圖12(b)所示為2種不同操作條件下,除塵器出口附近粉塵顆粒的平均停留時間。顯然,陶瓷膜組在粉塵截留方面具有顯著效果。隨著運行時間的增加,粉塵顆粒的平均停留時間逐漸增加,達到25 s以上,而在無陶瓷膜組的情況下,粉塵顆粒的平均停留時間僅為5 s左右。這表明陶瓷膜組在有效捕捉粉塵顆粒方面表現(xiàn)出良好的性能。

圖13為2種不同工況下除塵器內(nèi)部粉塵顆粒速度分布對比圖。由圖13可以看出,在除塵器筒體與集塵室區(qū)域,2種工況下顆粒速度分布規(guī)律具有較高的一致性。筒體部分顆粒速度較大,集塵室區(qū)域顆粒速度較小。

(a) 無陶瓷膜組

另一方面,有陶瓷膜組時,錐體與除塵器出口部分顆粒速度明顯低于無陶瓷膜組工況下。這是由于存在陶瓷膜組時,含塵氣體會受到陶瓷膜組的阻攔,陶瓷膜板表面附近的顆粒速度降低,顆粒被氣流攜帶出除塵器變得更加困難。結合圖11可以看出,錐體區(qū)域顆粒分布更加密集,且顆粒停留時間較無陶瓷膜工況下更長。較多顆粒的聚集占據(jù)了氣體空間,阻礙了氣體的運動,使得顆粒速度降低,說明添加陶瓷膜組工況下顆粒聚集性能較好,有利于粉塵脫除[22]。

圖14給出了2種工況下除塵器出口處粉塵顆粒的速度分布。由圖14可以看出,在存在陶瓷膜組的情況下,粉塵顆粒的速度(無論是y方向還是x方向)均低于沒有陶瓷膜組的情況。這是由于在進氣量相同的情況下,陶瓷膜組減小了排氣管內(nèi)部空間,并對粉塵顆粒進行了二次截留,從而改變了出口段氣流速度。

(a) y方向平均速度

3.3 氣相速度分布特征

圖15給出了2種不同結構的除塵器中氣相速度分布情況,包括中心截面(z/2)和2個橫截面。速度以矢量形式表示。

由圖15可知,在2種結構中靠近壁面附近均存在軸向速度的低速區(qū)域,且徑向速度分布規(guī)律一致。然而,有陶瓷膜組工況下,中心區(qū)域的軸向速度更低,橫截面上徑向速度低的區(qū)域增加。這是因為陶瓷膜使粉塵顆粒更難被排除,導致顆粒密集堆積,阻礙氣體流動。此外,有陶瓷膜組時,由于陶瓷膜板二次過濾氣流,導致附近氣流速度下降,排氣筒內(nèi)氣流軸向低速區(qū)域增多。

圖16給出了中心截面上(z/2)沿軸線y方向,2個橫截面上(截面A-A、B-B)沿直徑z方向的氣相速度分布曲線。對比這2條曲線可以觀察到在有陶瓷膜組的情況下,在y向,速度峰值約為8 m/s,而在z向,速度峰值約為7 m/s。與無陶瓷膜組情況相比,氣相速度存在顯著差異。這是因為粉塵顆粒在除塵器內(nèi)部堆積得更密集,阻礙了氣體運動,降低了氣體流動速度,導致整體氣相速度低于無陶瓷膜組的情況。

(a) 中心截面(z/2)速度分布曲線

此外,由于含塵氣體通常會從陶瓷膜板的下半部分逸出,因此在圖16(a)中,有陶瓷膜組的情況下,陶瓷膜板的上半?yún)^(qū)域部分氣相速度降至零。

3.4 除塵器壓降

圖17為安裝和不安裝陶瓷膜組2種工況下除塵器整體壓降與進口氣體積流量的變化關系。由圖17可知,壓降隨進口氣體積流量增大而增大。

圖17 不同工況下除塵器整體壓降對比

在相同進口氣體積流量下,對比2種工況,陶瓷膜組存在時除塵器整體壓降較無陶瓷膜組時略有升高。這是由于無陶瓷膜組時,進入除塵器的含塵氣體經(jīng)過旋風除塵后,大多從上方的排氣孔直接排出,氣流路徑短,能耗較低。添加陶瓷膜組后,含塵氣體會受到陶瓷膜組阻攔進行二次凈化,能耗略有上升。進口氣體積流量為7 909 m3/h時(對應流速為33.37 m/s),有陶瓷膜組工況下壓降為403 Pa,無陶瓷膜組工況下壓降為325 Pa,壓降增大了78 Pa。

3.5 除塵器氣固分離效率

根據(jù)穩(wěn)態(tài)階段除塵器出口處的粉塵顆粒質(zhì)量累計量可以計算得出其質(zhì)量流量,進而計算出旋風分離器的除塵效率。由圖18可以看出,安裝陶瓷膜組過濾器后,旋風除塵器的除塵效率得到提升,較之未安裝陶瓷膜組的工況,除塵效率從91.2%提高到99.7%。

圖18 除塵器分離效率對比

結合圖9可以觀察到,在經(jīng)過旋風除塵處理后,含塵氣體在離開除塵器之前會受到陶瓷膜組的攔截。在這個二次過濾過程中,大量粉塵顆粒會被陶瓷膜組捕集,從而顯著提升了除塵效率。

4 結論

(1) 安裝陶瓷膜組后,旋風除塵器依然能夠依靠離心力作用捕集大顆粒粉塵,而大部分原本會逸出的小顆粒粉塵會被陶瓷膜組捕集,捕捉到的粉塵粒徑集中在1～5 μm,顆粒的總體停留時間會顯著增加,顆粒聚集性能得到優(yōu)化,整體氣相速度略有降低。

(2) 安裝陶瓷膜組后,旋風分離器對含塵生物質(zhì)燃氣的除塵效率從91.2%提高到99.7%,但整體壓降增大了78 Pa。

(3) 在實際應用中,一體化除塵器中復合陶瓷膜組上的濾餅層厚度會隨著時間的推移逐漸增加。因此,為了避免濾餅層的堵塞,需要定期進行氮氣反吹清洗操作。

(4) 所提出的耦合陶瓷膜組的一體化旋風除塵器具有可行性,但進一步的應用還須綜合考察其經(jīng)濟性和操作性。