楊柯烽，王 華，劉含笑，郭 峰，潘民興

（浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨 311800）

擾流鈍體布置位置數(shù)值計(jì)算

楊柯烽，王 華，劉含笑，郭 峰，潘民興

（浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨 311800）

增設(shè)超細(xì)顆粒團(tuán)聚裝置是降低火電廠PM2.5排放的有效措施。在湍流凝聚實(shí)驗(yàn)中，給料的均勻性對(duì)PM2.5團(tuán)聚影響很大，運(yùn)用數(shù)值方法，采用k-ε模型計(jì)算湍流流場(chǎng)和DPM模型計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，分析了PM2.5團(tuán)聚中試實(shí)驗(yàn)臺(tái)擾流鈍體不同布置位置時(shí)流場(chǎng)參數(shù)及顆粒分布的均勻性，發(fā)現(xiàn)鈍體布置在偏離中心線以上80mm時(shí)，具有較好的擾流摻混效果。

細(xì)顆粒物；實(shí)驗(yàn)改造；數(shù)值模擬；均勻給料

近年來(lái)，我國(guó)大中城市的霧霾天氣越來(lái)越多，嚴(yán)重影響了城市居民的健康和生活，PM2.5（主要為PM0.4～PM1）含量過(guò)高是導(dǎo)致霧霾天氣的主要原因，而燃煤電廠又是PM2.5的主要污染源之一。目前，火電廠除塵設(shè)備90%以上為電除塵器，因PM2.5荷電性較弱，電除塵器對(duì)PM2.5的去除率也比較低，電除塵器出口PM2.5含量占煙塵排放總量的50%～90%[1]、[2]。研究表明，燃煤電廠排放排放的PM2.5占全國(guó)大氣污染物排放總量的10%～20%[3]，開(kāi)發(fā)一種燃煤電廠PM2.5捕集增效技術(shù)，對(duì)解決我國(guó)的PM2.5污染問(wèn)題將起到重要作用[4-9]，本課題組試圖搭建中試實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究PM2.5捕集增效技術(shù)對(duì)PM2.5的脫除效果。

在PM2.5捕集增效技術(shù)中試試驗(yàn)臺(tái)搭建過(guò)程中，給料的均勻性至關(guān)重要，為了保證煙塵顆粒在煙道內(nèi)盡快分布均勻，采用在文丘里管擴(kuò)張管處設(shè)置擾流鈍體的方式，本文通過(guò)數(shù)值方法，分別計(jì)算鈍體6種不同布置位置情況下文丘里管各截面流場(chǎng)參數(shù)，旨在確定最佳布置位置。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

1.1 實(shí)驗(yàn)大廳總體布置

中試實(shí)驗(yàn)大廳布置俯視圖如圖1所示。研究湍流對(duì)顆粒凝聚的增強(qiáng)效果和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要在凝聚器入口處使顆粒初始分布盡量均勻，以減少濃度不均給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的誤差影響。為此，在煙道圓方管處加設(shè)一個(gè)擾流鈍體，改造段如圖中虛線所示，鈍體為前段為半球的圓錐體。在圖1中，1為微顆粒捕集增效裝置；2為加料系統(tǒng)；3為雙室四電場(chǎng)電除塵器；4為燃油熱風(fēng)爐；5為旋轉(zhuǎn)電極式電場(chǎng)；6為袋除塵器。

1.2 微顆粒捕集增效裝置工作原理

煙塵預(yù)荷電微顆粒捕集增效裝置安裝于電除塵器進(jìn)口煙道內(nèi)，包括雙極荷電區(qū)、擾流聚合區(qū)兩大部分。對(duì)進(jìn)入電除塵器前的粉塵進(jìn)行分列荷電處理，使相鄰兩列的煙氣粉塵帶上正、負(fù)不同極性的電荷，并通過(guò)擾流裝置的擾流作用，使帶異性電荷的不同粒徑粉塵產(chǎn)生速度或方向差異而有效凝聚，形成大顆粒后被電除塵器有效收集，其工作原理如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)大廳布置圖

圖2 煙塵預(yù)荷電微顆粒捕集增效裝置工作原理

圖3 煙塵預(yù)荷電微顆粒捕集增效裝置實(shí)物圖

2 數(shù)值計(jì)算物理模型

取文丘里管進(jìn)口圓心為原點(diǎn)，擾流鈍體布置在文丘里管出口擴(kuò)張管內(nèi)，擴(kuò)張管距離原心d = 3580mm，擴(kuò)張管長(zhǎng)度n = 800mm，鈍體中心線偏離文丘里管中心線距離為m，鈍體粗端半球面與窄管端面間距為L(zhǎng)，分別取四種布置方式。工況A：m = 40mm，L = 300mm；工況B：m = 80mm，L = 300mm；工況C：m = 120mm，L = 300mm；工況D：m = 0mm，L = 200mm；工況E：m = 0mm，L = 300mm；工況F：m = 0mm，L = 400mm。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。為了提高計(jì)算精度，采用ICEM軟件劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用O型網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 網(wǎng)格劃分

3 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)相計(jì)算方程和顆粒相計(jì)算方程，湍流流場(chǎng)采用k-ε模型計(jì)算，顆粒相采用DPM模型計(jì)算。

連續(xù)方程如下：

動(dòng)量守恒方程為：

煙道中煤灰顆粒的體積分?jǐn)?shù)小于10%，采用拉格朗日法來(lái)描述煙塵顆粒與連續(xù)相的運(yùn)動(dòng)較為準(zhǔn)確，將兩者作為惰性離散相顆粒處理，即選用DPM（離散相模型）模型來(lái)跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)。模型忽略其他相間作用力，只考慮saffman力和顆粒自身重力，顆粒相的作用力平衡方程在直角坐標(biāo)系下的形式為：

式中：up為顆粒相速度； FD為連續(xù)相阻力；u為連續(xù)相速度；G為重力；Fsaffman為saffman力。

4 邊界條件

邊界條件設(shè)置如下表所示，考慮顆粒與連續(xù)相耦合作用，選用隨機(jī)渦模型計(jì)算連續(xù)相對(duì)顆粒相的作用，盡量同實(shí)驗(yàn)實(shí)際條件吻合。

邊界條件的設(shè)置表

5 計(jì)算結(jié)果及討論

5.1 截面速度云圖

取x = 5m截面為研究對(duì)象，6種工況的速度云圖如圖6所示。截面存在明顯的速度差異，靠近壁面處流速較高，靠近鈍體中心線位置流速較低，且工況B、C低速區(qū)域比其他工況大，這種速度差異可以加快氣固兩相流體間的摻混，從而提高顆粒相的空間均勻分布。

圖6 x = 5m截面速度云圖

5.2 截面顆粒質(zhì)量濃度云圖

取x=5m截面為研究對(duì)象，6種工況的顆粒質(zhì)量濃度分布云圖如圖7所示，顆粒高濃度區(qū)域主要集中在y＞0區(qū)域，這是因?yàn)槲那鹄镎芴幜魉佥^高，顆粒從入料口進(jìn)入文丘里后未及時(shí)擴(kuò)散到整個(gè)截面區(qū)域，因此將鈍體布置在中心線偏上位置，對(duì)顆粒的擾流摻混作用更好，圖中A、B工況顆粒分布區(qū)域較大。

圖7 x=5m截面顆粒質(zhì)量濃度云圖

5.3 顆粒質(zhì)量濃度均方差曲線

分別取x = 4.5m、x = 5m、x = 5.5m、x = 6m、x = 7m、x = 8m五個(gè)截面為研究對(duì)象，對(duì)計(jì)算后各截面顆粒質(zhì)量濃度計(jì)算均方差，不同布置位置時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度均方差曲線如圖8所示。計(jì)算結(jié)果表明，沿x軸方向顆粒均勻性逐漸提高，鈍體不同布置位置情況下最終顆粒濃度分布均勻性差別不大，即x = 7m、x = 8m截面數(shù)值差別不大；不同布置位置，濃度均勻性變化率不同，比較6種布置位置，工況B（m = 80mm，L = 300mm）效果最好，在x = 5m、x = 5.5m處顆粒濃度均勻性均好于其他工況。

圖8 顆粒質(zhì)量濃度均方差曲線

5.4 工況B的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及各截面湍流強(qiáng)度云圖

工況B顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算結(jié)果如圖9所示，其中深色為較大粒徑顆粒，淺色為較小粒徑顆粒。由圖可知，在文丘里管窄管處顆粒未及時(shí)擴(kuò)散，主要集中在上部區(qū)域，在擴(kuò)張管處，受到鈍體擾流和氣體擴(kuò)張的雙重作用，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，對(duì)顆粒在空間的均勻分布起到了很好的促進(jìn)作用；顆粒軌跡的偏轉(zhuǎn)程度沿x軸逐漸降低，這是因?yàn)殁g體擾流產(chǎn)生較大的湍流強(qiáng)度，該湍流強(qiáng)度沿x軸逐漸耗散，如圖10所示。

圖9 B工況顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10 B工況各截面湍流強(qiáng)度云圖

6 結(jié)論

采用k-ε模型計(jì)算湍流流場(chǎng)，DPM模型計(jì)算顆粒相運(yùn)動(dòng)，分別計(jì)算鈍體6種不同布置位置情況下文丘里管各截面的速度、顆粒質(zhì)量濃度云圖、質(zhì)量濃度均方差值、顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和湍流強(qiáng)度云圖，通過(guò)比較分析，發(fā)現(xiàn)鈍體布置在偏離中心線以上80mm時(shí)，具有較好的擾流摻混效果。

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Position Numerical Value Calculation of Spoiling Flow and Blunt Body Collocation

YANG Ke-feng,WANG Hua,LIU Han-xiao,GUO Feng,PAN Min-xing
(Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co.,Ltd,Zhejiang Zhuji 311800,China)

The increasing of aggregate equipment of extra fine particulates is the effective measures to reduce PM2.5emission in power plant.In the experiment of turbulent flow agglomeration,the uniformity of feed charge will cause a great impact on PM2.5aggregate.By using numerical value method and adopting k-ε model,the paper calculates the flow field of turbulent flow and by adopting DPM model,the paper calculates the track of particulate movement.The paper analyzes the flow field parameter and the uniformity of particulate distribution in the different collocation position of spoiling flow and blunt body of the primary production test of PM2.5aggregate and finds out when the blunt body collocation departs at 80mm,it has a better spoiling flow and blending result.

fine particulate; experiment reform; numerical value simulation; uniformity of feed charge

X701

A

1006-5377（2015）06-0063-04

項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“燃煤電站PM2.5捕集增效優(yōu)化技術(shù)與裝備研制”（2013AA065002）。