鄧杰文，曲宏偉

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206； 2.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

濕法電除塵器內(nèi)噴霧過(guò)程霧滴運(yùn)動(dòng)特性研究

鄧杰文1，曲宏偉2

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206； 2.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

分析濕法電除塵器作為在處理粉塵時(shí)，霧化液滴的運(yùn)動(dòng)情況直接影響顆粒物的脫除效率，采用CPFD方法模擬無(wú)電離情況下時(shí)臥式濕法電除塵器噴霧過(guò)程，并與實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。分析了液滴運(yùn)動(dòng)形態(tài)、壓力分布、速度分布等，分析表明:模擬所得的壓力值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值相吻合，煙氣在沿程的噴嘴作用下獲取動(dòng)能不斷增加，同時(shí)霧化液滴在氣流出口位置出現(xiàn)回流，形成霧滴“空白”區(qū)域，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基本吻合，驗(yàn)證了CPFD方法預(yù)測(cè)霧化液滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可行性。

濕法電除塵; CPFD方法; 噴嘴霧化; 顆粒污染物

0 引 言

近年來(lái)各地連續(xù)出現(xiàn)霧霾天氣，引起了人們對(duì)微細(xì)粉塵污染物關(guān)注，政府也發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]要求火電廠采用各種措施降低微細(xì)粉塵的排放，其中濕法電除塵是較有效的方式之一[2-4]。濕法電除塵在降低酸霧、微小粉塵、重金屬[5]、氣溶膠粒子[6]等污染物排出方面性能有優(yōu)于普通電除塵器[7]，其主要原因在于濕法電除塵中的噴霧到形成水膜的過(guò)程中，細(xì)小的液滴能夠與這些污染物結(jié)合進(jìn)而脫除，因此濕法電除塵器內(nèi)噴霧過(guò)程中形成的微小液體的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)直接影響污染物的脫除效率。然而，濕法電除塵內(nèi)的霧化液滴粒徑較小，且流動(dòng)過(guò)程不易采用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，至今關(guān)于霧化液滴的運(yùn)動(dòng)行為研究比較稀少[8-10]。徐立成[11]采用云物理學(xué)冷凝核法理論來(lái)描述水霧對(duì)粉塵脫除的過(guò)程，他認(rèn)為當(dāng)粉塵和霧化液滴的粒徑相接近時(shí)，水霧能更好地脫除粉塵；Selvam等[12]分析了沸騰霧化噴射過(guò)程，這些研究都需要昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器才能完成，本文采用CPFD方法對(duì)多噴嘴聯(lián)合作用下的霧化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了濕法電除塵內(nèi)部霧化液滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律特點(diǎn)

1 數(shù)值方法

CPFD數(shù)值方法是Dale M. Snider[13]博士最先提出來(lái)運(yùn)用歐拉-拉格朗日耦合求解方式來(lái)解決流體中顆粒三維運(yùn)動(dòng)的高效求解計(jì)算方法，其不同于其他多相流數(shù)值方法的地方在于CPFD在進(jìn)行求解過(guò)程中，提出了“顆粒團(tuán)”概念，將一定數(shù)量同類(lèi)特征的實(shí)際顆粒進(jìn)行打包形成計(jì)算顆粒，計(jì)算顆粒在流場(chǎng)中受到重力、摩擦力和顆粒相互碰撞作用力，氣體相和顆粒相運(yùn)動(dòng)通過(guò)各自的控制方程完成求解，在這個(gè)過(guò)程中對(duì)應(yīng)氣體的控制方程[14]為

(1)

(2)

式中：θg表示氣相占據(jù)體積比例；ρg和υg表示氣體物質(zhì)密度和流動(dòng)速度；τg表示氣相應(yīng)力張量；Sg表示氣體源項(xiàng)；P表示氣壓；g表示重力加速度；F表示兩相之間的粘性力：

(3)

式中：μg表示氣相動(dòng)力粘度；rp表示顆粒半徑;υp表示顆粒相速度;ρp表示顆粒相密度;f表示概率分布函數(shù);fb由曳力模型給出。

本文涉及到的曳力模型是Wen-Yu/Ergun模型，這種模型是通過(guò)Wen-Yu模型與Ergun模型進(jìn)行線性變換得到的，因此由曳力模型決定的系數(shù)，表述如式(4)：

(4)

式中：θcp表示顆粒處于壓實(shí)狀態(tài)的體積分?jǐn)?shù)，fw、fe是通過(guò)Wen-Yu模型和Ergun模型得到的。

在計(jì)算顆粒碰撞時(shí)，采用的顆粒法向應(yīng)力表達(dá)方程如下：

(5)

式中：Ps為大于零的常數(shù)；γ是模型的自有系數(shù)，取值范圍為[1.2，5]；ε是構(gòu)建的一個(gè)小量，用于消除模型中奇異點(diǎn)。

2 幾何模型與邊界條件

2.1 濕法電除塵模型尺寸

本文是以濕法電除塵實(shí)驗(yàn)臺(tái)為計(jì)算基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際濕法電除塵尺寸，沿?zé)煔馔鞣较蛉∫粋€(gè)計(jì)算單元，該計(jì)算單元包含兩排集塵板，計(jì)算單元長(zhǎng)度為9.6 m，高度6 m，兩側(cè)集塵板相距0.455 m，實(shí)驗(yàn)臺(tái)最外層兩側(cè)玻璃擋板距離0.5 m，實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用U型管差壓計(jì)來(lái)測(cè)量壓力，沿水平方向上每間隔五個(gè)噴嘴距離設(shè)置一組壓力測(cè)點(diǎn)，每一組測(cè)點(diǎn)沿垂直方向設(shè)置三個(gè)位置點(diǎn)，如圖1所示，圖中O點(diǎn)為相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向是X軸方向，垂直方向?yàn)閅軸方向。

1 氣流均布板 2集塵板 3 噴嘴 4 排水口 5 霧化水進(jìn)水管 6 壓力檢測(cè)點(diǎn)圖1 濕法電除塵實(shí)驗(yàn)布置圖與集塵板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The experimental arrangement of WESP and dust collecting plate structure

2.2 求解邊界條件與網(wǎng)格

設(shè)置煙氣入口氣流速度2 m/s，入口壓力95 700 Pa，噴嘴速度25 m/s，總質(zhì)量流量0.1 kg/s，cpfd計(jì)算方法是基于笛卡爾網(wǎng)格體系的，因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)以影響流體變化的特征為主構(gòu)建網(wǎng)格，該計(jì)算單元網(wǎng)格算為500 976個(gè)，在處理液滴和煙氣之間曳力模型時(shí)選擇Wenyu- Ergun模型。

根據(jù)噴嘴霧化特點(diǎn)，一般噴嘴霧化過(guò)程中液滴粒徑分布[15]采用累積體積分布曲線如圖2所示，這種方式是某一粒徑下霧滴數(shù)量或體積占有霧滴總數(shù)量或總體積的百分?jǐn)?shù)作為霧滴粒徑分布表述。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 霧滴分布情況

水經(jīng)過(guò)噴嘴霧化噴出后在煙氣的作用下向出口運(yùn)動(dòng)，霧滴剛離開(kāi)噴嘴時(shí)速度較高，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散遠(yuǎn)離噴嘴位置，速度就明顯降低。由于噴嘴出口的流速比較大，且入口煙氣的流動(dòng)方向?qū)娮靽娚浞绞酱怪保虼嗽趪娮斓淖饔孟聼煔獾倪\(yùn)動(dòng)方向也出現(xiàn)變化，方向變化后的煙氣帶動(dòng)霧滴運(yùn)動(dòng)就造成靠近入口側(cè)的霧滴比較稀薄，霧滴的流動(dòng)形態(tài)如圖3，圖中依次是1s到5s的霧化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，原本霧滴未到達(dá)空間隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加開(kāi)始減少，這些空間逐漸形成“三角”形狀；此外，煙氣流通時(shí)間越長(zhǎng)噴嘴噴射對(duì)煙氣的作用越明顯，且在出口位置出現(xiàn)的霧滴“空白”區(qū)域也越明顯，當(dāng)整個(gè)過(guò)程趨于穩(wěn)定時(shí)，整個(gè)“空白”區(qū)域的范圍也就基本不再變化，這與實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象相同。

圖3 霧化液滴粒不同時(shí)間的運(yùn)動(dòng)形態(tài)Fig.3 Droplets movement forms at different time

圖4為霧滴在流通空間的濃度分布情況，可以發(fā)現(xiàn)霧滴的“空白”區(qū)域出現(xiàn)在第16個(gè)噴嘴到除塵器出口區(qū)間，在前面提及到的“三角形”區(qū)域中，霧滴在煙氣的作用下，其中一部分運(yùn)動(dòng)到集塵板附近，且中間位置霧滴體積分?jǐn)?shù)基本為零，這就形成了一個(gè)倒U型，這個(gè)形狀有利于粉塵在電場(chǎng)力作用下與霧滴結(jié)合形成更大的顆粒，提高除塵效率。

圖4 不同位置噴嘴中心截面霧滴體積百分?jǐn)?shù)Fig.4 The volume percentage of droplets of the different nozzle section position

3.2 速度與壓力分布情況

圖5是第5s時(shí)煙氣在流場(chǎng)內(nèi)的速度分布情況，從速度云圖可以看出煙氣進(jìn)入除塵器內(nèi)，在噴嘴的噴射作用下流向發(fā)生了改變，并且速度增加明顯，這是由于噴嘴噴射出的霧化液位煙氣提供了動(dòng)能，煙氣的最大速度出現(xiàn)在出口側(cè)偏下方位置，從矢量圖來(lái)看，煙氣在出口側(cè)上端出現(xiàn)了回流，使得這個(gè)區(qū)域的霧滴在煙氣的作用下向遠(yuǎn)離出口端運(yùn)動(dòng)，因此出現(xiàn)圖3和圖4中的霧滴“空白”區(qū)域。

圖5 第5s時(shí)煙氣速度分布情況與速度矢量圖Fig.5 Flue gas velocity distribution and velocity vector diagram on the 5th second

圖6 沿Z軸方向截面上的煙氣速度分布云圖Fig.6 The flue gas velocity distribution along the Z axis

圖6顯示的幾個(gè)截面上的煙氣分布云圖，左右兩側(cè)位置為集塵板，計(jì)算結(jié)果表明距離集塵板越近煙氣速度越小，使得這些區(qū)域的霧滴速度也比較低，更有利于液膜的形成；結(jié)合圖5可以看出，煙氣在出口側(cè)靠近下端位置速度達(dá)到最大。

圖7 不同位置煙氣流速Fig.7 Flue gas flow velocity at different locations

煙氣速度值與X軸位置關(guān)系如圖7所示，可以看出Y值為0.5 m和1.5 m兩個(gè)監(jiān)測(cè)位置，當(dāng)水平距離(X軸)到5 m到8 m位置出現(xiàn)先下降在上升的趨勢(shì)，結(jié)合圖5可以看出這個(gè)區(qū)域噴嘴影響煙氣最明顯，煙氣速度和方向發(fā)生明顯改變；總體上來(lái)看，煙氣流速距離入口越遠(yuǎn)數(shù)值越大，這是沿程經(jīng)過(guò)噴嘴不斷加速造成的。垂直方向上距離噴嘴越遠(yuǎn)煙氣流速越快，這是由于靠近噴嘴側(cè)煙氣的流向發(fā)生改變，并獲取了噴嘴提供的動(dòng)能，在作用之初，煙氣仍保持上一個(gè)時(shí)刻速度狀態(tài)，隨著擴(kuò)散作用完成了能量傳遞，因此才會(huì)形成出口下端速度較大的現(xiàn)象。

圖8 不同位置霧滴速度Fig.8 The droplet velocity at different locations

霧滴速度值與Y軸位置關(guān)系如圖8所示，發(fā)現(xiàn)霧滴離開(kāi)噴嘴后，攜帶的能量傳遞給煙氣，因此霧滴速度快速下降；靠近除塵口位置(X=9.36 m)時(shí)，霧滴的速度最先下降到0，這是由于前面提及到的霧滴“空白”區(qū)域中是沒(méi)有霧滴存在的，其他位置出現(xiàn)霧滴速度為0，是因?yàn)閳D4中形成倒U型的霧滴分布，霧滴分布在靠近集塵板兩側(cè)，中心區(qū)域也不存在霧滴，只有煙氣通過(guò)。

為了驗(yàn)證CPFD方法的準(zhǔn)確性和可行性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中壓力測(cè)點(diǎn)位置提取計(jì)算結(jié)果中與之對(duì)應(yīng)的壓力數(shù)值進(jìn)行對(duì)比如圖9所示。從數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看到，沿噴嘴噴射方向(Y軸方向)靜壓值升高，這是由于噴嘴在噴霧過(guò)程中高速的霧化液滴會(huì)增加煙氣Y軸方向速度分量，從而使得靜壓值降低，因此距離噴嘴越近的位置壓力值越小，反之，距離噴嘴越越遠(yuǎn)壓力值越大；同一高度時(shí)，壓力值基本接近，X值在7 m到9.6 m范圍時(shí)，壓力值開(kāi)始下降，上述結(jié)論在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中也得到體現(xiàn)，可計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖9 不同位置壓力測(cè)點(diǎn)計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值對(duì)比Fig.9 The simulation pressure values and experiment pressure values at different locations

4 結(jié) 論

本文采用CPFD方法對(duì)濕法電除塵內(nèi)霧滴運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬，從霧滴流動(dòng)形態(tài)、煙氣速度分布特點(diǎn)、壓力分布方面對(duì)濕法電除塵內(nèi)的兩相流進(jìn)行研究分析，得出如下結(jié)論：

(1)霧滴噴射過(guò)程會(huì)改變煙氣流動(dòng)情況，提高煙氣出口流速的同時(shí)，還會(huì)使得出口上端出現(xiàn)煙氣回流區(qū)，使得這個(gè)區(qū)域霧滴方向變化，形成一個(gè)霧滴“空白”區(qū)域；

(2)煙氣在除塵器中運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近集塵板附近的煙氣速度比較小，使得這些位置的霧滴流流速很小，霧滴在垂直橫截面上成倒U型分布，有利于液膜的形成；

(3)實(shí)驗(yàn)獲取了12個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)位置的壓力值，與數(shù)值計(jì)算得到壓力數(shù)值相吻合，同時(shí)計(jì)算中出現(xiàn)的霧滴“空白”區(qū)域也在實(shí)驗(yàn)中存在，因此通過(guò)CPFD方法計(jì)算濕法電除塵中霧滴運(yùn)動(dòng)形態(tài)是可靠的。

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Studies on Motion Characteristics of Droplet in Spray Process of WESP

DENG Jiewen1, QU Hongwei2

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012,China.)

When the wet electrostatic precipitators (WESP) deal with dust, the movement of atomized droplets directly will affect the removal efficiency of particulate. In this paper, the CPFD method was used to simulate the spray process in horizontal WESP without ionization. And the simulation results were compared with the experimental data of pressure. The movement patterns of the droplets, pressure distribution and velocity distribution were analyzed. Analysis showed that the results of simulation were consistent with experimental data and kinetic energy of flue gas was increasing owing to the effect of nozzles, meanwhile the atomized droplets backflow at the outlet of stream formed a “blank” area of droplet. All of these accord with the experimental phenomenon. Therefore, the CPFD method to predict the movement of atomized droplets is feasible.

WESP; CPFD method; nozzle atomization; particulate pollutant

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.02.15

2016-05-26.

TK223.27

A

1007-2691(2017)02-0105-06

鄧杰文(1985-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榛痣姀S顆粒污染脫除技術(shù)。