顏培玲，陳照軍，于 洋，申賢坤，許倩倩，亓雁飛，孫德帥

(青島大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266071)

我國城市大氣環(huán)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(xì)顆粒物(PM2.5)能進(jìn)入肺部，嚴(yán)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(yè)多配有除塵設(shè)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(jīng)可以達(dá)到99.9%的質(zhì)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(tuán)聚技術(shù)是利用物理或化學(xué)方法使細(xì)顆?！俺砷L”為大顆粒物，進(jìn)而被除塵設(shè)備清除，包括電團(tuán)聚、磁團(tuán)聚、化學(xué)團(tuán)聚、聲團(tuán)聚、熱團(tuán)聚和湍流團(tuán)聚等。其中，湍流團(tuán)聚不需要額外的外場作用，通過顆粒間的相互碰撞來增強(qiáng)顆粒的團(tuán)聚。課題組前期在團(tuán)聚室內(nèi)引入氣體射流,對(duì)燃煤細(xì)顆粒的團(tuán)聚進(jìn)行了研究[2]。由于流場比較復(fù)雜，顆粒運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到氣速、溫度等因素的影響，實(shí)驗(yàn)操作難以對(duì)流場中顆粒的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行跟蹤研究，而數(shù)值模擬軟件則可以很好的計(jì)算湍流流場內(nèi)顆粒群的團(tuán)聚時(shí)空演變。群體平衡模型(Population Balance Model, PBM)能夠計(jì)算團(tuán)聚室內(nèi)多分散細(xì)顆粒物在流場中的運(yùn)動(dòng)、分布及團(tuán)聚情況。課題組對(duì)射流作用下顆粒的團(tuán)聚模擬發(fā)現(xiàn)射流位置和射流出口雷諾數(shù)均會(huì)改變顆粒的團(tuán)聚效果[3]，其變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[4]。本文通過歐拉雙流體模型與PBM模型耦合，對(duì)射流引起的湍流流場中，氣氛和溫度等參數(shù)的變化對(duì)顆粒團(tuán)聚的影響進(jìn)行模擬計(jì)算，以期補(bǔ)充顆粒物團(tuán)聚的影響因素。

1 模擬團(tuán)聚數(shù)學(xué)模型

1.1 連續(xù)相流動(dòng)方程

湍流模擬中有兩相流體分別為空氣和飛灰顆粒，在團(tuán)聚室內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[5]。

1.2 顆粒群動(dòng)力方程

通常假設(shè)顆粒間為二元不可逆碰撞，即碰撞后產(chǎn)生的團(tuán)聚產(chǎn)物不再分裂?；谏鲜鲆蛩兀瑢?duì)顆粒間的團(tuán)聚動(dòng)力方程加以構(gòu)建：

(1)

式中:n(ν, t)是顆粒尺度分布函數(shù)；α(ν, ν')是體積分別為ν和ν'的顆粒間的團(tuán)聚核；右側(cè)第一項(xiàng)為團(tuán)聚生成的顆粒，其中的系數(shù)1/2 是為了避免團(tuán)聚的重復(fù)計(jì)算，右側(cè)第二項(xiàng)為團(tuán)聚消失顆粒。團(tuán)聚核是團(tuán)聚過程的重要參數(shù)，團(tuán)聚核與顆粒斯托克斯數(shù)St密切相關(guān)，根據(jù)St不同，其團(tuán)聚核方程表達(dá)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(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；η為湍流kommogorov長度尺度；c0為常數(shù)；ζT為碰撞效率；Ui為顆粒i的均方速度，m/s。

團(tuán)聚動(dòng)力方程采用Hounslow等[6]人開發(fā)的離散分區(qū)算法，在多個(gè)分區(qū)內(nèi)劃分顆粒的尺度分布曲線，在各個(gè)區(qū)間建立平衡方程進(jìn)行聯(lián)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(gè)區(qū)間，初始顆粒的粒徑分布如表1所示。

2 湍流團(tuán)聚室的物理模型

湍流團(tuán)聚室為φ114×610 mm的有機(jī)玻璃管，圓形射流噴嘴內(nèi)徑1.4 mm(長度10 mm)。圖1所示為團(tuán)聚室的網(wǎng)格示意圖，模型網(wǎng)格為四邊形pave網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為68620個(gè)。團(tuán)聚室內(nèi)氣體密度為1.2 kg/m3，顆粒相對(duì)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(shè)置為outflow。

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

圖1 射流團(tuán)聚室網(wǎng)格視圖 Fig. 1 Computation grid of agglomeration chamber with gas jet

3 實(shí)驗(yàn)流程

射流作用下燃煤細(xì)顆粒團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機(jī)、團(tuán)聚室、流化床氣溶膠發(fā)生器、采樣器等，詳見參考文獻(xiàn)[4]。通過流化床氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生所需的氣溶膠，在氣體的攜帶下進(jìn)入團(tuán)聚室內(nèi)。同時(shí)在團(tuán)聚室邊壁引入射流，形成湍流流場，促進(jìn)顆粒物發(fā)生碰撞團(tuán)聚。團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)中用撞擊式FA-3型氣溶膠粒度分布采樣器記錄顆粒團(tuán)聚前后的質(zhì)量的變化，計(jì)算顆粒清除率。

4 結(jié)果與討論

4.1 團(tuán)聚對(duì)顆粒分布的影響

圖2 射流對(duì)顆粒團(tuán)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(tuán)聚后，顆粒粒徑分布函數(shù)發(fā)生變化，如圖2a和圖2b所示，無論是模擬值還是實(shí)驗(yàn)值，團(tuán)聚后的顆粒質(zhì)量都明顯減小，說明射流能有效促進(jìn)顆粒團(tuán)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(duì)可吸入顆粒團(tuán)聚具有促進(jìn)作用[2]，選擇了0～17 μm的顆粒。而在實(shí)驗(yàn)過程中由于采樣器儀器的限制，僅對(duì)0～10 μm的顆粒進(jìn)行分析。由圖2a可見，團(tuán)聚作用使10 μm以下顆粒物由96%降低至63%，而圖2b中實(shí)驗(yàn)團(tuán)聚結(jié)果中10 μm以下顆粒物則由100%降低至73%，理論計(jì)算高于實(shí)驗(yàn)值[7]。實(shí)驗(yàn)和模擬的變化趨勢基本相同，說明模擬計(jì)算是正確的。

4.2 氣氛對(duì)顆粒團(tuán)聚清除的影響

燃燒過程的煙氣是由多種氣體構(gòu)成的混合氣，其中含量較高的組分是N2和CO2，因此對(duì)氣氛對(duì)顆粒團(tuán)聚的影響進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖3a為不同氣氛下顆粒體積分?jǐn)?shù)分布，可以看到不同氣氛下顆粒體積分?jǐn)?shù)在團(tuán)聚后明顯減少。CO2氣氛的顆粒體積分?jǐn)?shù)最高，混合氣氛(N2與CO2的體積比為4∶1)下體積分?jǐn)?shù)最小，說明煙氣的混合氣氛更有利于團(tuán)聚進(jìn)行。從圖3b可看出在團(tuán)聚后小粒徑(< 4 μm)顆粒清除率較高，湍流對(duì)顆粒有卷吸作用，顆粒之間碰撞幾率大，更容易團(tuán)聚。大顆粒(> 8 μm)的數(shù)量較少且質(zhì)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(tuán)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?；旌蠚夥障聦?duì)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(dòng)力學(xué)粘度最低，導(dǎo)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(tuán)聚效果不好[8]。而氮?dú)夂涂諝獾恼扯炔畈欢?，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(duì)顆粒團(tuán)聚的影響

Fig.3 Effect of atmosphere on particle agglomeration

4.3 溫度對(duì)顆粒團(tuán)聚的影響

溫度變化會(huì)影響團(tuán)聚室內(nèi)顆粒濃度的分布，因此對(duì)不同溫度下團(tuán)聚室內(nèi)兩相流流場進(jìn)行數(shù)值模擬。圖4為溫度變化對(duì)顆?？偳宄实挠绊懀瑘D4a中隨著溫度的升高，顆?？偳宄什粩嘣龃?，溫度在50～90℃之間顆?？偳宄试龃筝^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(gè)溫度值計(jì)算其單級(jí)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(qiáng)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(tuán)聚體的尺寸，提高顆粒的清除率，與Lind等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究溫度對(duì)亞微米顆粒形成的影響相似，溫度升高，團(tuán)聚后顆粒粒徑越大，團(tuán)聚效果也越好。

圖4 溫度對(duì)顆粒清除率的影響

Fig.4 Effect of temperature on particle clearance

4.4 相對(duì)濕度對(duì)顆粒團(tuán)聚影響

團(tuán)聚室內(nèi)相對(duì)濕度對(duì)顆粒在湍流中的團(tuán)聚行為產(chǎn)生影響。圖5給出濕度對(duì)顆粒清除率的影響，從圖5中可見，濕度5%時(shí)顆粒清除率為72%，隨著濕度的增加而單調(diào)遞增，在濕度達(dá)到40%時(shí)，清除率最高達(dá)到78%，而后隨著濕度增加，清除率有所下降[2]。顆粒團(tuán)聚效果隨相對(duì)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(xì)管力也增大，濕度繼續(xù)增加顆粒之間的主要粘附力由范德華力轉(zhuǎn)變?yōu)槊?xì)管力，增強(qiáng)了顆粒團(tuán)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(shí)，顆粒之間的毛細(xì)管力不再增大，而在毛細(xì)管力作用下顆粒之間的距離不斷減小，范德華力變?yōu)榕懦饬Γ瑢?dǎo)致顆粒之間的粘附作用力下降，顆粒清除率降低。

5 結(jié)論

(1) 團(tuán)聚室內(nèi)不同氣氛影響細(xì)顆粒的團(tuán)聚效率，粒徑小于4 μm的顆粒物團(tuán)聚受氣氛的影響較小；對(duì)中等及大粒徑顆粒，氮?dú)夂投趸蓟旌蠚夥障骂w粒的清除率最高，由于二氧化碳的動(dòng)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(tuán)聚，導(dǎo)致二氧化碳?xì)夥障骂w粒清除率最低。

(2) 溫度的升高，使氣體的粘度增大，湍流強(qiáng)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(duì)濕度與顆粒清除率不是簡單的線性關(guān)系，在相對(duì)濕度為40%時(shí)，顆粒數(shù)量清除率達(dá)到最高。

[1] 陳泊豪,於進(jìn),周萬利,等.電聲換能超聲波霧化方法捕集細(xì)顆粒物的強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程,2014,32(6):78-82.

[2] 孫德帥,郭慶杰,司崇殿.氣體射流作用下燃煤可吸入顆粒的團(tuán)聚[J].過程工程學(xué)報(bào),2009,9(3):437-440.

[3] Qin T T,Sun D S,Liu Y L,et al.Numerical simulation into agglomeration process of inhalable particle in double gas-jets[C].Proceedings of 3rd International Conference on Material,Mechanical and Manufacturing Engineering,Guangzhou，China,2015.

[4] 于 洋,孫德帥,顏培玲,等.湍流與化學(xué)團(tuán)聚耦合促進(jìn)燃煤細(xì)顆粒物的清除[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2017,11(11):5949-5955.

[5] 徐 宇,吳玉林,劉文俊,等.用兩相流模型模擬混流式水輪機(jī)內(nèi)空化流動(dòng)[J].水利學(xué)報(bào),2002,33(8):57-62.

[6] Litster J D, Smit D J,Hounslow M J.Adjustable discretized population balance for growth and aggregation[J].AICHE Journal,1995,41(3):591-603.

[7] 章鵬飛,米建春,潘祖明.裝置元件排列間距和顆粒濃度對(duì)細(xì)顆湍流聚并的影響[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(6):1625-1632.

[8] 楊振楠,郭慶杰,李金惠.氣氛與濕度對(duì)燃煤飛灰顆粒聲波團(tuán)聚的影響[J].化工學(xué)報(bào),2011,62(4):1055-1061.

[9] 萬古軍,魏耀東,薛曉虎,等.溫度對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒濃度分布影響的模擬[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2008,14(6):562-568.

[10] Lind T,Kauppinen E I,Srinivasachar S,et al.Submicron agglomerate particle formation in laboratory and full-scale pulverized coal combustion[J].Journal of Aerosol Science,1996,27:361-362.