燃煤过程中亚微米颗粒凝并过程矩方法模拟

摘要

燃煤和垃圾焚烧过程中产生的亚微米颗粒物粒径较小且富集了大量的重金属元素，对自然环境和人体健康有着严重的危害，因此了解亚微米颗粒在燃烧过程中的生成、长大机理，以及如何有效的抑制其排放是目前亟待解决的问题。亚微米颗粒的形成一般经历了蒸发、成核、冷凝以及颗粒间的布朗凝并过程。在上述经历中，颗粒间的凝并过程对亚微米颗粒的长大起着极为重要的作用。 本文在总结了有关亚微米颗粒物成核、冷凝、布朗凝并过程的研究进展和相关数学模型之后，将以合理的对数正态分布假设为基础，运用矩方法(Moment Method)重点分析燃煤气氛下布朗凝并过程对亚微米颗粒尺寸分布的影响，随后将计算的颗粒场与实际燃煤过程结合，讨论流场、温度场的特性对颗粒尺寸分布的影响。燃煤过程产生的颗粒通常呈典型的双峰分布，因此本文根据参与模态的不同，将凝并过程细分为同模态间的自身凝并和粗模态对细模态的捕集，使用矩方法的模拟结果表明：当细颗粒数浓度远大于粗颗粒时，颗粒间的自身凝并占主导地位；随着细颗粒数目的减少，粗颗粒的捕集效应变得相对明显。与单独的自身凝并相比，捕集过程的加入使得颗粒粒径减小，分布变窄，破坏了自保持特性。在分析影响凝并过程的因素时发现：初始颗粒的不均匀分布可增大布朗凝并速率，而且凝并过程对燃烧气氛如烟气密度、温度等有较强的依赖性。将矩方法和煤粉燃烧过程的通用数值模拟程序将结合，初步探讨了实际燃烧过程中颗粒物的演化过程及其尺寸分布模拟结果表明：煤粉火炬所在的温度较高的区域内亚微米颗粒数量浓度较大，随着炉膛高度增加，温度下降的同时，颗粒数目也逐渐减少，粒径则呈增大的趋势。高温区内的颗粒数浓度达到最大的同时，其质量浓度却处在较低值。同时发现颗粒在回流区内有较明显的富集现象。这说明在实际的炉膛燃烧过程中，流场的流动结构对亚微米颗粒凝并及其数密度分布具有重要的影响。