脱硫后烟气超细颗粒物声波团聚的数值模拟研究

声波团聚脱硫后烟气细颗粒物的数值模拟摘要对传统分组法进行改进，可以根据质量浓度的大小自动调整分组的大小，在质量浓度较大处，划分精细，可保证计算精度；质量浓度较小处，划分粗略，可减少计算耗时。研究了声波团聚作用对细颗粒物粒径分布的影响，并在团聚过程中考虑了布朗团聚的效果。引入质量守恒率的概念，方便判断计算结果是否能代表实际质量浓度分布。结果表明，声波作用2秒钟可以使细颗粒物的总数目浓度降低40以上；为增加团聚颗粒的量，增强声强级比提高声波频率具有更加显著的效果；质量浓度分布向大粒径方向迁移，且大粒径的颗粒比小粒径的颗粒更容易受声波频率的影响。关键字脱硫烟气；细颗粒物；声波团聚；分组法；数值模拟DOI中图分类号TK16文献标志码A文章编号NUMERICALSIMULATIONOFACOUSTICAGGLOMERATIONONFINEPARTICLESFROMCOALFIREDFLUEAFTERTHEWETFLUEGASDESULFURIZATIONSYSTEMABSTRACTFLYASHPARTICLESFROMTHEOUTLETOFTHEWETFLUEGASDESULPHURIZATIONSYSTEMAREFINERTHANTHATBEFORETHECYCLONEITISOFVITALIMPORTANCETODEALWITHTHOSEFINERPARTICLESWHENCLEANINGTHEFLUEGASTHEEFFECTOFACOUSTICAGGLOMERATIONONFINEPARTICLESWASINVESTIGATEDWITHSECTIONALARITHMETIC,WHICHWASWIDELYUSEDBROWNAGGLOMERATIONWASALSOTAKENINTOACCOUNTFORACCURACYOFTHECALCULATIONIMPROVEMENTS,SUCHASSECTIONALSIZECOULDADJUSTAUTOMATICALLYACCORDINGTOTHEMASSDENSITYOFTHEPARTICLES,WASPUTFORWARDINTHISPAPERBESIDES,MASSCONSERVATIONRATEWASINTRODUCEDTOESTIMATETHECALCULATIONERRORINTHECOMPUTEOFMASSDENSITY,WHICHTURNEDOUTOVERTO95WHENFREQUENCYWASBELOW2500HZANDSOUNDINTENSITYWASLEVELSILBELOW160DBTHERESULTSSHOWTHATTHETOTALNUMBERDENSITYDECREASEDMORETHAN40WITHIN2SECONDIMPROVINGSILISMOREEFFECTIVETHANIMPROVINGFREQUENCYINSTRENGTHENINGAGGLOMERATIONEFFECTMASSDISTRIBUTIONMOVEDTOCOARSEPARTICLESWHENACOUSTICWASAVAILABLECOARSEPARTICLESWEREMORESENSITIVETOWAVEFREQUENCYTHANFINEPARTICLESKEYWORDSWETFLUEGASDESULFURIZATION；FINEPARTICLES；ACOUSTICAGGLOMERATION；SECTIONALARITHMETIC；NUMERICALSIMULATION；引言近年来，随着世界工业的发展，煤炭、石油等传统能源的消耗量持续增加。传统能源的使用一方面满足了人们日益增长的需求，另一方面也带来了不可避免的环境污染问题。其中空气污染问题对人们的生产生活的影响最为直接，也是目前世界最大的环境问题之一。在我国，粒径小于10M的颗粒称为可吸入颗粒物。2013年2月，全国科学技术名词审定委员会讲粒径小于25M的颗粒定义为细颗粒物，顺带提出粒径小于1M的颗粒物可称为超细颗粒物1。空气污染源中，细颗粒物是最主要的污染源之一，危害极大2，降低空气的能见度，并对人体的呼吸系统及心血管系统形成较大威胁3。我国对于细颗粒物的治理相对落后，相关的法律法规也在完善之中，所以我国细颗粒物的污染问题较世界各发达国家更加严重4。诸如北京、上海、哈尔滨等人口密集城市，纷纷报道细颗粒物浓度爆表，这对我国人们正常的生产生活带来了较大的威胁。据相关部门统计，我国细颗粒物主要来源于燃煤烟气和汽车尾气的排放，大约各占305。对于燃煤烟气，传统的烟气净化装置（旋风除尘器、布袋除尘器等），对粒径大于10M的颗粒物脱除效率较高，研究论文而对小于10M的颗粒脱除效率很低ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。湿法脱硫系统中，烟气中会形成硫酸钙、亚硫酸钙等混合的小颗粒，这部分颗粒粒径也非常小。清华大学对脱硫后烟气中颗粒物的粒径分布做了实验研究7，结果显示，脱硫后的烟气中，颗粒的质量分布主要集中在粒径为1M和3M处。由此可见，脱硫后烟气中的颗粒物绝大多数属于可吸入颗粒物。如果不将这些颗粒物除去，而直接排放至大气，那么必将加剧环境污染程度，对人们的生活和健康带来不可忽视的损害。但是，目前对脱硫后烟气颗粒物的研究较少，而这部分烟气中的颗粒物影响又很大，因此本文将脱硫后烟气作为研究对象。目前，对于超细颗粒物的处理方法仍是一个难题。控制排放的技术主要分为两大类，一类是从燃烧入手，改善燃烧条件，从而减少颗粒物的排放；另一类是提高颗粒物的净化脱除率。对于后者，又可以从两个方面入手升级除尘设备的脱除能力，从而提高对超细颗粒物的脱除率；对超细颗粒物进行预处理，增大其粒径，从而可以用传统除尘设备将其除去。研究时间表明，在除尘装置前对气溶胶颗粒进行预处理，使其颗粒粒径增大后，再用传统除尘器对其进行脱除，是一种有效的方法8。对超细颗粒物预处理主要是指利用各种外场力作用，使细颗粒物发生碰撞、团聚（聚并），从而形成粒径较大的颗粒。团聚技术种类繁多，声波团聚是其中有效的一种方法，也是今后发展的方向之一8。1主要内容11声波团聚声波团聚的现象是于1866年被发现的，发展至今，研究者们对于声波团聚做了大量实验及理论研究。但是，由于声波团聚机理的复杂性，该机理还不是十分完善，仍需要继续深入研究。目前，被广泛接受的机理主要有以下几种，同向团聚机理、流体力学作用、声辐射压力作用及声致湍流作用。其中前两者是主要的声波团聚机理2。所以，本文主要应用同向团聚机理和流体力学作用两个机理研究声波团聚作用对超细颗粒物粒径分布的影响。12数值模拟121计算模型及核函数SMOLUCHOSKI提出的气溶胶动力学方程9仍然是目前计算颗粒粒径分布的最适用的方程。,120,0,1式中，表示体积为V的颗粒，在T时,刻的数目浓度值，方程左边表示体积为U的颗粒与体积为VU的颗粒发生碰撞、团聚时，产生的体积为V的颗粒的数目浓度随时间的变化率。方程右边第一项表示发生碰撞、团聚后，产生体积为V的颗粒的数目，右边第二项表示产生的体积为V的颗粒与体积为U的颗粒碰撞、团聚，导致体积为V的颗粒的数目减少量。其中，K表示团聚核函数10。要对该方程求解，需要对其进行离散化，就得到体积为K的颗粒的数目浓度随时间的变化率，本文给出离散后的结果如下1112,1,2式中，代表体积为K的颗粒的数目浓度值。而总的气溶胶数目浓度为13因此，对（2）式进行积分，便可获得总数目浓度值随时间的变化率，如下式1211,4不同的声波团聚机理对应不同的团聚核函数公式。如21所述，本文主要应用发展较为成熟的同向团聚机理和流体力学作用两个机理。其中，同向团聚机理的团聚核函数采用以下公式125,42|1212式中，UG为声波的振动速度幅值，F为声波频率，为声波角频率，D为颗粒动力学直径，为颗粒的弛豫时间。应用该核函数公式需要做以下假设1颗粒均是球形颗粒；2碰撞是团聚的充分条件；3团聚后发生后，小颗粒浓度可迅速达到平衡。流体力学作用采用以下公式ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND6,42其中，320111026921669216328027对于颗粒I122241/289121/2102122241/29211另外，R0为颗粒间的平均距离，可以用颗粒数目浓度值反算获得13；R为颗粒空气动力学半径；为烟气动力粘度。对于颗粒J，计算方法与颗粒I相同。另外，根据研究表明，由于气溶胶颗粒粒径较小，由热运动引起的布朗团聚较强。因此，为了使模拟更加准确，本文将布朗团聚也考虑在内，其团聚核函数14为（12）,23式中，K为BOLTZMANN常数，T为绝对温度，D为颗粒直径，为烟气的动力粘度，C为CUNNINGHAM滑移因子15。选定各机理的团聚核函数之后，根据线性叠加原则，得到总的团聚核函数，如下式。,（13）将总的团聚核函数带入到离散的气溶胶动力学方程（即式（2）中去，就可以对团聚结果进行求解。122算法介绍对气溶胶动力学方程的求解方法主要分为三种，分别为分组法、矩量法和蒙特卡洛法16。矩量法是将动力学方程通过积分变换转化成粒径分布矩量的方程组，通过求解粒径分布矩量值，得到颗粒粒径分布变化情况。矩量法具有计算速度快、保存变量少的特点，但传统矩量法用于求解颗粒动力学方程存在方程组不能封闭的缺点。因此，张光学等17利用近似矩量法对声波团聚进行了研究，获得了较高的计算精度。蒙特卡洛方法立足于气体分子的运动论，将所计算的实际颗粒场用取样颗粒场进行置换，该算法简单，易于编程，但是若要保持计算精度，需要跟踪众多取样颗粒，导致计算代价更大；分组法也称为区域算法，该方法是将最小体积到最大体积范围的颗粒划分为若干组，并假定每个分组内的颗粒粒度满足一定分布规律。该方法的计算精度和计算量主要由分组数量决定，分组数量越大，计算精度越高，但计算代价也越大。因此，应用分组法可以合理选择分组数量，满足计算精度的同时，将计算时间控制在合理范围内。本文采用比较直观、可操作性较强的分组法作为求解气溶胶动力学方程的方法。但是，对于跨度较大的粒径分布（两个数量级），传统分组法要求分组数目多。张光学18介绍了改进的分组法（其他文献中称为几何级数分组法10）。每组的跨度按比例系数成比例增大，比例系数按如下公式确定14（）1/其中，L为需要划分的组数，分别是最大和最小的颗粒粒径。和该分组方法在小粒径处划分较细，计算精确；但是，随着粒径的增大，划分的越粗略，计算的精确度也受到限制。对于符合对数正态分布的粒径分布，该方法不仅大大减少了分组的数目，减少了计算量，而且还能保证一定的计算精度。但是对于脱硫后的颗粒物，并不完全符合对数正态分布，所以为了保证计算精度，并减少计算量，本文采用一种新的分组方法。第I组的粒径跨度按下式计算（15）1为分组宽度调整因子，该值可根据需要划分的精度进行调整，该值越小，划分的越细；MI1为第I1组最小粒径颗粒的质量浓度。本文这种分组方法在颗粒质量浓度较大处划分的较细，可以保证计算精度；在颗粒质量浓度较小处，划分的较粗略，从而可以大大减少计算时间。综合考虑计算精度和耗时的要求，本文将气溶胶颗粒划分为1424组。在计算团聚的颗粒量时，时间步长是除了核函数外的另一个重要的参数。如果时间步长取的过大，则计算粗略，结果不够精确；反之，若时间步长太小，则计算耗时较长。故合理选择时间步长是数值模拟的关键步骤，本文采用的方法可以根据总颗粒数目的变化调整时间步长14（16）式中，为时间调整因子，可根据计算精度要求进行调整；N为总颗粒数目浓度；称为平均团聚常数，计算公式为1211,（17）123计算条件本文模拟的对象是锅炉尾部脱硫除尘后的烟气颗粒物，所以本文所使用的参数均是参考的实际烟气。烟气的初始条件是模拟过程中最重要的参数，本文采用实际烟气中的颗粒粒径分布作为本文的初始条件。根据清华大学王珲等ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND对脱硫后烟气中颗粒粒径的研究，脱硫除尘后的烟气中超细颗粒物比例较大，如图1所示。本文将王珲研究结果分为三段处理（分别为01205M，20555M，5510M），每段均符合对数正态分布，然后将该分布作为本文的初始粒径分布，如图2所示。再假设每分组内颗粒质量分布符合平均分布，获得颗粒的平均粒径数目浓度分布关系，如图3所示。图1湿法脱硫出口颗粒物粒径质量浓度分布FIG1WFGDOUTLETPARTICLESIZEDISTRIBUTION02030512358105101520PARTICLEDIAMETR/MMASDENSITY/MG3MASDENSITY图2初始颗粒物粒径质量浓度分布FIG2INITIALMASSDENSITYDISTRIBUTION02051235810246X1010PARTICLEDIAMETR/MNUMBERDENSITY/M3NUMBERDENSITY图3初始颗粒物粒径数目浓度分布FIG3INITIALNUMBERDENSITYDISTRIBUTION除了颗粒的初始分布还需要确定声波的初始条件，才能对声波团聚的过程进行模拟。本文采用正弦平面波，给定声波的频率和声强级作为声波的初始条件。由于实际团聚过程的复杂性，必须对实际团聚过程简化才能对其进行模拟。因此，本文做了以下假设条件1团聚过程中只发生二元碰撞；2忽略颗粒的破碎；3各粒径的颗粒在组内质量分布符合平均分布。2计算结果及分析经过以上的讨论，就建立了声波团聚计算模型，选择合适的参数之后，就可以对气溶胶动力学方程进行求解。21颗粒数目总浓度随时间的变化图4是声波频率为1500HZ，声强级为140DB，团聚时间为2秒钟时，颗粒数目总浓度随时间的变化情况。经过2秒钟团聚之后，粒径在10M以下的颗粒总数目浓度由2331013个M减小至1331013个M，减少了4292。0051152121416182224X1013TIME/SCTOTALNUMBERDENSITY/M3图4颗粒数目总浓度随时间的变化图FIG4TOTALNUMBERDENSITYCURVEF1500HZ图5A是不同频率下，2秒团聚时间内，颗粒数目总浓度的减少率情况。从该图中不难看出，随着频率的增加，减少率不断提高。但是，减少率提高的幅度较小。这一现象说明，频率的增加对粒径小于10M的细颗粒物的团聚没有很明显的效果。这是因为细颗粒物受烟气的携带作用较大，基本与烟气具有相同的速度，频率增大并不能增加颗粒之间发生碰撞的几率，因此，也不能有效提高团聚率。如图5B为不同声强级下，2秒团聚时间内，颗粒数目总浓度减少率的变化情况。由图可见，当声强级小于140DB时，颗粒数目总浓度的减少率在42左右。当声强级增大至160DB时，减少率迅速提高至8841。由此可知，声强级的提高对细颗粒物的团聚具有十分显著的作用。50101502025030424254343544545FREQUENCY/HZTOTALNUMBERDECRMENTRATE/ACHANGEOFFREQUENCY101012013014015016045060708090SOUNDINTESITYLEVL/DBTOTALNUMBERDECRMENTRATE/BCHANGEOFSIL图5颗粒数目总浓度的变化FIG5TOTALNUMBERDENSITYCURVE22频率对颗粒粒径分布的影响由21可知，频率对细颗粒物总数目浓度的影响并不大，为进一步探究频率对细颗粒物范围内颗粒粒径分布的影响，本文分析得出以下结果。如图6所示，随着声波频率的增大，质量浓度分布的第一个波峰先向大粒径方向迁移。频率为1500HZ时第一个波峰迁移至2M处，随后，该峰又向后退至15M处，且波峰的宽度迅速减小；第二、三个波峰也都向大粒径方向移动，其中第二个在频率超过1500HZ时，达到4M处；第三个波峰在500HZ时就溢出了细颗粒物的粒径范围。由于大于10M的颗粒可以用传统除尘设备除去，故本文不研究粒径溢出细颗粒范围的颗粒。从以上现象分析可知，声波作用后，颗粒质量浓度的分布迅速向大粒径方向移动，并且粒径越大的颗粒受频率影响越大。05123581004101520PARTICLEDIAMETR/MMASDENSITY/MG3INITALDISTRIBUTIONF50HZF1F250HZ图6不同频率下的质量浓度分布FIG6MASSDENSITYDISTRIBUTIONCURVEWITHFREQUENCY23误差分析由于123节中假设条件3）的存在，在计算每个分组的质量浓度时，势必会出现误差。这是因为团聚发生之后，每个分组内的颗粒分布并不符合平均分布。为了判断本文计算的质量浓度是否能反应真实的质量浓度分布，本文引入质量守恒率的概念，定义如下质量守恒率团聚后的细颗粒总质量团聚前的细颗粒总质量100经分析发现，质量浓度变化越大，所带来的计算误差也就越大。由22节可知，声波频率越大，团聚的颗粒量也就越大，质量浓度的变化也越大，所引起的计算误差随之也越大。故本文计算了2500HZ声波频率时的质量守恒率，总质量浓度的变化如图所示。结果显示，当团聚时间为2秒时，质量守恒率为9875。本文认为，当质量守恒率大于90时，计算出来的质量浓度分布可以近似表示实际的质量浓度的分布。005115215815815915916TIME/SCTOTALMASDENSITY/MG3图7总质量浓度随时间的变化FIG7TOTALMASSDENSITYCURVE3结论1声波作用2秒可使细颗粒总数目浓度大幅度降低，并且质量浓度分布逐渐向大粒径方向迁移。2频率的提高对于细颗粒物总数目浓度的降低没有明显的效果，而声强级提高至160DB时，可以使总数目浓度的减少率达到88413相对粒径小的颗粒而言，粒径越大，颗粒的团聚受频率的影响也越大。4声波频率在2500HZ以下，声强级在160DB以下时，质量守恒率均大于95，故本文计算的质量浓度的分布可以真实反映实际的质量浓度分布。REFERENCES1任佳PM25命名为“细颗粒物”N法制晚报,2013228A102杨林军燃烧源细颗粒物污染控制技术M第一版北京化学工业出版社,201163隋建才,徐明厚,丘纪华等燃煤过程中可吸入颗粒物污染与我国能源发展J科技导报,2004,54244,64DOI103321/JISSN10007857200405014NATIONALAERONAUTICSANDSPACEADMINISTRATION（NASA）NEWMAPOFFERSAGLOBALVIEWOFHEALTHSAPPINGAIRPOLLUTIONEB/OL20109201385中华人民共和国环境保护部2010年环境统计年报R201216张晓玲,亢燕铭,付海明等旋风分离器捕集效率的无量纲表示J应用科学学报,2004,223419422DOI103969/JISSN025582972004030337王珲,宋蔷,姚强等电厂湿法脱硫系统对烟气中细颗粒物脱除作用的实验研究J中国电机工程学报,2008,28517DOI103321/JISSN025880132008050018陈运法,朱延钰,程杰等关于大气污染控制技术的几点思考J中