寧克祥 阮晨杰 陳傳威 張傳志 王東方 顧明言 黃庠永

(安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院)

高溫除塵裝置可實(shí)現(xiàn)高溫高塵煙氣除塵與脫硝過程一體化[1-4]。含塵高溫?zé)煔庀冗M(jìn)行高溫除塵再進(jìn)行脫硝，可降低脫硝劑的磨損、堵塞，提高脫硝效率，延長SCR催化劑的壽命，從而降低脫硝成本。除塵脫硝后的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱回收利用系統(tǒng)，可提高能源利用效率，降低碳排放[5]。

多孔陶瓷管的管壁均勻地分布著許多相互連通的不規(guī)則小微孔。當(dāng)含塵氣體通過多孔陶瓷管時(shí)，干凈氣體通過多孔陶瓷管管壁的小微孔被抽走排出，而粉塵則阻留在管壁表面上與氣體分離、沉淀，達(dá)到除塵的目的[6]。

多孔陶瓷過濾器的過濾精度高[7]，具有結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、抗腐蝕和除塵效率高(可達(dá)99%以上)等優(yōu)越性能。因此，在高溫除塵方面，多孔陶瓷類型的除塵器占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[8]。

高溫除塵器粉塵捕集受到粉塵粒徑分布、氣流速度等因素的影響。通過對(duì)陶瓷除塵器的內(nèi)部流場及顆粒運(yùn)動(dòng)特性的研究，得到了不同含塵氣體流量下陶瓷除塵器內(nèi)的壓力損失、流動(dòng)特性以及顆粒捕集特性，從而為優(yōu)化除塵器結(jié)構(gòu)以及實(shí)際操作提供參考。

文章利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室建立的高溫除塵器裝置內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，利用FLUENT模擬軟件對(duì)燭狀陶瓷管除塵器內(nèi)氣體流動(dòng)特性以及對(duì)粉塵顆粒的捕集特性進(jìn)行研究。

1 除塵器結(jié)構(gòu)及模型建立

1.1 除塵器結(jié)構(gòu)

除塵器內(nèi)部有三根陶瓷管，除塵器總長676 mm、寬263 mm、高1 925 mm，含塵氣體從底部左側(cè)進(jìn)入，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。燭狀陶瓷管尺寸為高996 mm，內(nèi)徑34 mm，外徑56.5 mm，壁厚11.25 mm。采用DesignModeler和Mesh進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為58萬。

圖1 模型整體結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)學(xué)模型包括氣相流動(dòng)模型、多孔介質(zhì)模型和顆粒相模型。

(1)氣相湍流流動(dòng)模型：采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)。因?yàn)槔字Z應(yīng)力模型的適用范圍廣，涵蓋的物理機(jī)理較多，且雷諾應(yīng)力模型與實(shí)驗(yàn)值結(jié)果吻合性更好。

(2)多孔介質(zhì)模型：陶瓷過濾多孔介質(zhì)為各向同性的多孔結(jié)構(gòu)，因此采用多孔介質(zhì)模型來模擬陶瓷過濾管。三個(gè)多孔陶瓷區(qū)域設(shè)置為多孔區(qū)域、層流?？紤]到三個(gè)方向上的粘性阻力系數(shù)需要設(shè)置，將x方向、z方向的粘性阻力系數(shù)C1設(shè)置為1.11×1012m-2(滲透率K=9.0×10-13m2)[9]，另將y方向的粘性阻力系數(shù)設(shè)為比x、z方向大三個(gè)數(shù)量級(jí)；考慮到多孔區(qū)域處可視為層流，將三個(gè)方向的慣性阻力系數(shù)C2設(shè)置為0；孔隙率設(shè)為0.45。

(3)顆粒相模型：選擇離散相模型即DPM模型，顆粒相每10步數(shù)和氣相耦合，質(zhì)量力為壓力梯度力。計(jì)算中采取氣相進(jìn)口處平面為顆粒釋放平面，即面射流源方式，入射角度為垂直于射流平面，顆粒的分布規(guī)律為均勻分布。設(shè)置顆粒的入口質(zhì)量流量為5×10-5kg/s，此時(shí)的顆粒相所占體積百分比小于10%，屬于稀相流，符合DPM模型的使用條件，而顆粒間的碰撞在計(jì)算中可以忽略不計(jì)。

1.3 模擬條件

為了便于求解，假設(shè)：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；流體視為不可壓縮流體；氣體全部從出氣口流出；入口處設(shè)置為速度入口條件，含塵氣體為常溫常壓下的空氣，粉塵顆粒密度為2 600 kg/m3，入口氣體流量分別為10、15、20、25和30 m3/h，入口顆粒質(zhì)量流量為5×10-5kg/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 入口含塵氣體流量對(duì)除塵器內(nèi)速度和多孔區(qū)域壓降的影響

考慮到三個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)域處的速度分布基本類似，只分析多孔陶瓷管2出口(y=1.2 m)處的速度(圖2)及壓強(qiáng)分布(圖3)。

圖2 不同入口含塵氣體流量下除塵器內(nèi)的速度分布

圖3 不同入口含塵氣體流量下的多孔區(qū)域壓強(qiáng)分布

含塵氣體在除塵器殼體內(nèi)濾管外以及多孔介質(zhì)內(nèi)的速度較小，其數(shù)值趨近于零，當(dāng)含塵氣體流出多孔介質(zhì)區(qū)域后速度顯著增加，并在中軸線處達(dá)到峰值；隨著入口含塵氣體流量增大，氣體流速及過濾速度也會(huì)增大。

在含塵氣體進(jìn)入濾管之前，除塵器殼體內(nèi)的壓強(qiáng)分布均勻，處于恒壓狀態(tài)。隨著入口含塵氣體流量的增大，含塵氣體經(jīng)過多孔陶瓷管壁后，壓強(qiáng)值迅速降低，損失較大，且沿著濾管厚度方向線性下降，當(dāng)流出濾管后繼續(xù)維持一個(gè)較穩(wěn)定的壓強(qiáng)。含塵氣體流出多孔介質(zhì)區(qū)域后壓強(qiáng)增大，上下箱體的壓差增大，有可能會(huì)對(duì)除塵器殼體結(jié)構(gòu)造成影響。

2.2 入口含塵氣體流量和粒徑對(duì)捕集時(shí)間的影響

含塵氣體從除塵器底部左側(cè)入口進(jìn)入，首先沿著進(jìn)口方向沖擊下箱體右側(cè)壁面，大部分顆粒碰到箱體后會(huì)反彈至除塵器殼體中。粉塵顆粒的運(yùn)行軌跡決定了顆粒被捕集的位置及被捕集的時(shí)間。隨著氣體的上升，氣體碰到管壁，使得顆粒的運(yùn)動(dòng)存在較大的擾動(dòng)，顆粒軌跡繞管壁形成一個(gè)明顯的渦旋，在碰到管壁時(shí)被捕集，同時(shí)剩余顆粒繼續(xù)隨氣體上升運(yùn)動(dòng)，氣相中的顆粒數(shù)目明顯減少，整個(gè)離散相濃度分布是下段較大、中上段逐漸變小。

利用FLUENT模擬出粉塵顆粒從進(jìn)口處到接觸多孔陶瓷介質(zhì)的過程，并將經(jīng)歷時(shí)間定義為顆粒捕集時(shí)間。顆粒捕集時(shí)間與入口氣體流量、顆粒初始速度以及顆粒粒徑等因素有關(guān)，具體的顆粒捕集時(shí)間如表1所示。

從表1可以看出：

表1 不同入口含塵氣體流量下顆粒捕集時(shí)間 s

(1)在含塵氣體流量為30 m3/h時(shí)，顆粒捕集時(shí)間較短，陶瓷管1、2對(duì)較大粉塵顆粒的捕集時(shí)間比較敏感。當(dāng)粉塵粒徑為0.1 μm時(shí)，陶瓷管1、2、3對(duì)顆粒的捕集時(shí)間變化很?。划?dāng)粉塵粒徑為1.0 μm時(shí)，陶瓷管1、2、3對(duì)顆粒的捕集時(shí)間先增加后減少，陶瓷管2達(dá)到最大值；當(dāng)粉塵粒徑為20 μm時(shí)，與較小粒徑的粉塵顆粒相比，陶瓷管1、2、3對(duì)顆粒的捕集時(shí)間都大幅增加；

(2)在含塵氣體流量為25 m3/h時(shí)，陶瓷管1、2對(duì)顆粒的捕集時(shí)間較長。在同一根陶瓷管上，隨著粉塵粒徑的增大，顆粒捕集時(shí)間增加；當(dāng)粉塵粒徑分別為0.1、1.0、10 μm時(shí)，陶瓷管1、2、3對(duì)粉塵顆粒的捕集時(shí)間逐漸減少；當(dāng)粉塵粒徑為20 μm時(shí)，陶瓷管1、2、3對(duì)顆粒的捕集時(shí)間先增加后減少，陶瓷管2達(dá)到最大值；

(3)在含塵氣體流量為20 m3/h時(shí)，陶瓷管1、2、3對(duì)顆粒捕集時(shí)間變化不大；

(4)在含塵氣體流量為15 m3/h時(shí)，陶瓷管2、3對(duì)顆粒的捕集時(shí)間都比較長。當(dāng)粉塵粒徑分別為0.1、1.0 μm時(shí)，陶瓷管1、2、3對(duì)顆粒的捕集時(shí)間逐漸增加，陶瓷管3達(dá)到最大值；當(dāng)粉塵粒徑分別為10、20 μm時(shí)，陶瓷管1、2、3對(duì)顆粒的捕集時(shí)間先增加后減少，陶瓷管2達(dá)到最大值；

(5)在含塵氣體流量為10 m3/h時(shí)，陶瓷管1、2、3對(duì)顆粒的捕集時(shí)間較長，陶瓷管3對(duì)粉塵顆粒的捕集時(shí)間比較敏感。當(dāng)粉塵粒徑為10 μm時(shí)，陶瓷管3對(duì)粉塵顆粒的捕集時(shí)間最長。

將三根陶瓷管捕集時(shí)間取平均值，即每根陶瓷管在同一粒徑和入口流量下的平均值，得到了在不同含塵氣體流量下的平均顆粒捕集時(shí)間，見表2。

表2 不同含塵氣體流量下的平均顆粒捕集時(shí)間 s

隨著含塵氣體流量的增加，顆粒捕集時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短。當(dāng)含塵氣體流量增大時(shí)，除塵器殼體內(nèi)部的氣體及顆粒的運(yùn)動(dòng)速度增大，氣體對(duì)粉塵顆粒的攜帶作用加強(qiáng)，顆粒捕集時(shí)間就會(huì)縮短。相對(duì)于氣體流量較小時(shí)，氣體流量較大時(shí)捕集時(shí)間的變化率變小。氣體流量增大使得顆粒在除塵器內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間變短，同時(shí)擾動(dòng)性增加，捕集時(shí)間縮短，但捕集時(shí)間不會(huì)無限縮短。在氣體流量不變的情況下，隨著粉塵顆粒粒徑增大，平均捕集時(shí)間增加。因此，對(duì)不同粒徑的粉塵顆粒要選擇大小合適的氣體流量，才能達(dá)到既保證除塵效率又節(jié)約資源的目的。

2.3 入口含塵氣體流量對(duì)捕集位置的影響

在工況條件為顆粒流量5×10-5kg/s，顆粒粒徑0.1 μm時(shí)，入口含塵氣體流量對(duì)陶瓷管捕集顆粒位置的影響如表3所示。將三根陶瓷管壁面上的顆粒沉積百分?jǐn)?shù)取平均值，將其視為除塵器沿高度方向的平均顆粒沉積質(zhì)量百分比，分別在15、20、25、30 m3/h的氣體流量下得到了沿陶瓷管高度方向(將陶瓷管底處設(shè)為0 m)0～0.25、0.25～0.50、0.50～0.75、0.75～1.0 m的平均顆粒沉積百分比。

表3 不同含塵氣體流量下沿高度方向顆粒沉積百分比 %

對(duì)相同的顆粒粒徑，隨著含塵氣體流量增加，除塵管壁面上沉積的顆粒規(guī)律不同。當(dāng)含塵氣體流量為15 m3/h時(shí)，粉塵在0.25～0.75 m范圍捕集比例較高，在0.75 m以上捕集比例較低；含塵氣體流量為20 m3/h時(shí)，粉塵捕集區(qū)主要在0～0.50 m處，大約達(dá)到67%；而含塵氣體流量為25 m3/h時(shí)，除塵管上部捕集的顆粒比例略高于下部；當(dāng)含塵氣體流量為30 m3/h時(shí),0.25 m以上捕集的顆粒比例變化不大，高于底部0.25 m捕集的顆粒比例。隨著含塵氣體流量增多，除塵管上部捕集的顆粒增加。

2.4 顆粒的粒徑對(duì)捕集位置的影響

在工況條件為顆粒流量5×10-5kg/s，含塵氣體流量為30 m3/h時(shí)，顆粒粒徑對(duì)不同高度顆粒沉積百分比的影響如表4所示。將三根陶瓷管壁面上的顆粒沉積百分比取平均值，視為除塵器沿高度方向的平均顆粒沉積百分比，之后分別在0.1、1.0、10、20 μm粒徑條件下得到了沿陶瓷管高度方向(將陶瓷管底處設(shè)為0 m)0～0.25、0.25～0.50、0.50～0.75、0.75～1.0 m的平均顆粒沉積百分比。

表4 不同粒徑下沿高度方向顆粒沉積百分比 %

在含塵氣體流量不變的情況下，隨著顆粒粒徑增大，陶瓷管壁面上部沉積的顆粒比例減少，下部沉積的顆粒相對(duì)增多。當(dāng)顆粒粒徑為0.1 μm時(shí)，除塵管上部捕集的顆粒比例略高于下部；當(dāng)顆粒粒徑分別為1.0、10 μm時(shí)，除塵管下部捕集的顆粒比例高于上部，大約分別達(dá)到57%和66%，顆粒粒徑為10 μm時(shí)，在0～0.25 m處達(dá)到最多，為41.09%；當(dāng)顆粒粒徑為20 μm時(shí)，下部捕集的顆粒比例遠(yuǎn)高于上部。因此，隨著顆粒粒徑的增大，除塵管下部捕集的顆粒越來越多于上部。

3 結(jié)論

(1)隨著含塵氣體流量增加，除塵器壓強(qiáng)增加；氣體流過多孔介質(zhì)區(qū)域的壓強(qiáng)與過濾流速呈線性關(guān)系。

(2)粉塵粒徑變大，顆粒捕集時(shí)間變長；含塵氣體流量增多，粉塵顆粒捕集時(shí)間縮短。

(3)含塵氣體流量增加，陶瓷管上部的顆粒沉積占比高于下部的。

(4)粉塵粒徑增大，陶瓷管下部的顆粒沉積占比增多，且遠(yuǎn)高于上部的。