杨晨鹏，朱家骅，杨海涛，陈 倬，段 旬

(四川大学 化学工程学院，四川 成都 610065)

近年来PM2.5污染严重，空气质量明显下降，究其根本，过程工业尾气排放是其主要原因[1]。2016年我国全面执行《环境空气质量标准》，排放标准更加严苛，尾气除尘势在必行。传统除尘技术[2]难以适应我国基础工业发展阶段尾气除尘，尤其是对于PM2.5脱除。

基于工业尾气自身具有余热的特性，课题组提出了废气废水交叉流阵列变温脱除PM2.5新方法[3]，利用气液间传热传质推动力，促进PM2.5脱除，取得以废治废的效果。工业过程中会产生大量低温废水和高温废气，气液两相接触时，将同时进行传热传质。传热传质过程中颗粒受到热泳力和扩散泳力作用，促进颗粒的脱除。Calvert等人[4]对热泳力和扩散泳力脱除颗粒进行了研究，发现热泳力和扩散泳力对细颗粒物脱除效果明显；王翱[5]等人发现，脱除颗粒时扩散泳力作用强于惯性作用；余徽[6]等人对热泳力脱除颗粒进行了模拟研究，模拟结果预测误差较大。先前的研究很难了解多场耦合作用对颗粒脱除的影响，颗粒在流场、温度场、浓度场中受到多种机理作用，运动情况复杂，还需深入研究。

本文基于欧拉-拉格朗日模型，考虑热泳力、扩散泳力影响，对流场、温度场和浓度场耦合作用下液膜捕集颗粒过程进行模拟，并通过气液交叉流除尘实验验证模拟结果准确性。

1 数学模型

装置几何模型如图1所示，液相沿纤维绳降膜，形成均匀稳定的液膜；含尘气体沿垂直于纤维绳方向横掠液膜柱，其中的颗粒物受到惯性力、布郎扩散、热泳力和扩散泳力等作用，在各力共同作用下向液膜柱移动，与液膜柱接触后被捕捉。

模拟计算时不考虑降膜对颗粒捕集的影响，简化为二维模型。

图1 气液交叉流模型示意图

模拟计算中的连续性方程为：

动量守恒方程：

能量守恒方程

Gk、Gb为平均速度梯度和浮力产生的湍动能，YM表示波动膨胀的影响，αk和αε为逆效应普朗特数，Sk和Sε为源项。

其中μt为涡黏度，由k和ε计算得到：

模型中的参数设置如下：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

水蒸气传质扩散由组分输运模型计算：

Yi为组分质量分数，Si为源项生成率，Ri为组分化学反应生成率。

颗粒运动方程：

FD(u-up)是颗粒受到单位质量的曳力：

其中u为流体速度，up为颗粒速度，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，ρp为颗粒密度，dp为颗粒直径，Re为相对雷诺数：

附加质量力F考虑热泳力和扩散泳力，热泳力计算公式：

DT,p是热泳系数，Talbot等人通过研究给出如下计算式：

其中Kn为Knudsen数，2λ/dp；λ为平均分子自由程；K=k/kp；k、kp为流体和颗粒热导率；mp为颗粒质量；T为流体温度； 为动力粘度；其余常数Cs为1.17，Ct为2.18，Cm为1.14。

扩散泳力模型需要通过UDF 导入，Brock[7]等人给出了扩散泳力表达式：

其中xa和xv分别为空气、水蒸气摩尔分率，Dv为水蒸气扩散系数，σ为扩散滑移系数。

气体入口设为常速，液柱为恒温壁面，液膜表面水蒸气浓度为壁温对应的饱和水蒸气浓度。

采用ANSYS ICEM软件对物理模型进行结构化网格划分，对近壁面处进行网格加密处理，网格质量在0.9以上，进行网格无关性验证，当网格数在8.1×105以上时，气体出口温度及水蒸气质量分数不再明显变化，模型网格划分满足计算要求。通过Fluent软件进行数值计算，扩散泳力通过UDF(User Defined Functions)嵌入Fluent解算。

2 实验

实验装置包括气体调节系统、降膜阵列和检测系统，实验流程图如图2所示。由鼓风机吸入的空气首先进入系统，然后与蒸汽混合。含蒸汽的气体被加热以达到一定的温湿度，将粒子加入到气流中。水槽中的水沿纤维绳柱降膜，形成均匀稳定的液膜。20排纤维绳柱呈正三角形排列，每排25根或24根纤维绳，液柱横向间距为4 mm，直径为1.2 mm。

1压缩机，2干燥剂，3过滤器，4气溶胶发生器，5蒸汽发生器，6缓冲槽，7加热器，8压差计，9鼓风机，10颗粒检测仪，11传感器，12稀释器，13循环水泵，14恒温水槽，15采样口，16温湿度检测仪

图2 实验流程图

水温维持在20℃，气体入口速度1.02 m/s，温度60℃，改变气体湿度，考察湿度差对颗粒脱除效率的影响。实验所用颗粒物为氧化铝，由粉尘粒径检测仪测量浓度和粒径分布。颗粒脱除率通过颗粒数目浓度来表征：

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其中cin为入口颗粒数目浓度，cout为出口颗粒数目浓度。

3 结果与讨论

3.1 模拟结果

含尘气体横掠液膜柱时，气体会与液膜发生传热传质。图3为气体温度和水蒸气质量分数随液膜柱排数变化规律。可以看出，随着气体横掠交叉流阵列，气体温度和湿度不断降低，气体温度逐渐降至接近于液柱表面液体温度，水蒸气浓度逐渐降至接近液膜柱表面水蒸气饱和浓度。

图3 气体温度和水蒸气浓度随液膜柱变化图

以粒径0.1 μm和1 μm颗粒为例讨论PM2.5的脱除效果。图4为不同工况下总脱除效率随液膜柱排数变化规律。由图可知，随着气体横掠交叉流阵列，液膜柱排数增加颗粒总脱除效率不断增加，但趋势逐渐变缓，说明单排液膜柱脱除效率逐渐降低。在粒径为1 μm时，入口相对湿度由0.575增大到0.757，总脱除效率提高了35.1%。

图4 总脱除效率变化规律

图5为不同工况下单排液膜柱脱除效率与液膜柱排数的关系。由图可知，随着气体横掠交叉流阵列，液膜柱排数增加，单排液膜柱颗粒脱除效率不断减小。随液膜柱排数增加气液间温度差和湿度差逐渐降低，即颗粒受到的热泳力和扩散泳力也将降低，单排液膜柱颗粒捕集效率降低，传热传质推动力是脱除效率的关键因素。

图5 单排液膜柱脱除效率变化规律

3.2 模拟结果与实验结果对比

表1为气体入口温度60℃，水温20℃，不同入口相对湿度下，PM2.5颗粒脱除效率的实验和数值模拟结果。从表中可以看出实验值和模拟值吻合良好，模拟结果中颗粒效率预测误差在±10%以内，实验结果验证了数值模拟的合理性。

表1 模拟结果与实验结果对比

4 结论

(1)对流场、温度场和湿度场耦合作用下液膜捕集颗粒过程进行了模拟，并通过含尘气体横掠液膜柱阵列除尘实验验证了模拟结果的准确性。

(2)气液间传热传质推动力是PM2.5脱除效率的关键因素。气液间温湿度差减小时，PM2.5脱除效率随之减小。

(3)湿度差对PM2.5脱除作用明显。在气体入口温度60℃，水温20℃，当气体入口相对湿度由0.575提高到0.757，经过20排液膜柱，总脱除效率提高了35.1%。