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党的二十大报告提出,推动绿色发展,促进人与自然和谐共生,要统筹产业结构调整、污染治理、生态保护、应对气候变化,协同推进降碳、减污、扩绿、增长 [1],这为重点行业加快转型升级,实现高质量发展指明了方向。2023年全国“两会”期间,生态环境部部长黄润秋在部长通道答记者问时指出,必须认真落实党的二十大精神,生态环境部将统筹推进降碳、减污、扩绿、增长,持续推进人与自然和谐共生的中国式现代化建设[2]。在国家碳达峰、碳中和“1+N”政策体系中[3],生态环境部等七部门联合印发《减污降碳协同增效实施方案》[4-5],鼓励行业、地方、园区、企业等多层面开展实践创新和试点示范。
作为关系国计民生的重点行业,化工行业在国内外产业链、供应链、价值链的绿色重组和转型升级领域影响深远、举足轻重,产业园区集聚生产要素等资源,发挥污染处置集约化规模化降碳化资源优势,主动释放污染减排、综合利用、变废为宝、扩绿增长等方面的内生动力与发挥外部辐射带动作用,在协同推进减污降碳扩绿增长上创新实践,以自身转型升级带动产业链上下游其他行业和地方形成绿色低碳发展的系统合力与良性循环,既是新命题,也是新考验。
台州湾经济技术开发区2021年6月升级为国家级开发区,由医药化工产业园、汽车及高端装备产业园、新材料产业园组成,其中环境风险和污染压力最大的医药化工产业园,前身是1999年在杜桥设立的沿海化工园区,2001年8月又经原国家计委、经贸委批准设立浙江省化学原料药基地临海园区,规划面积为18.34 km2。目前建成区面积约11 km2,共入驻医药化工企业58家,已投产49家,包括规上企业40家,有23家医药化工企业是上市公司或控股子公司,4家企业列入拟上市公司,作为国内医药生产集中程度最高的园区之一,这里形成了“中间体—原料药—制剂”的完整产业链,在产20大类医药化学原料药。一方面,在抗心血管类、抗抑郁症类、降糖类、抗病毒类、驱虫类等多领域药物的研发和生产上能力突出,2021年,医化产业园实现产值253.4亿元,同比增长18.7%。另一方面,园区随之每年都产生的数万吨废盐和蒸馏废液废渣等成为制约园区绿色发展的硬骨头。如作为危险废物的废盐,其主要成分包括:各类混盐(约50%氯化钠、20%硫酸钠、5%溴化钠),有机物20%,水分5%。以往的处置方式是运往本市或外省的危废填埋场作填埋处理。(1)处置容量有限不可持续,台州当地仅有1家危废填埋场且填埋库容只够满足园区2年的废盐处置需要,而且根据去年出台的《浙江省危险废物“趋零填埋”三年攻坚行动方案》(浙环函〔2022〕243号)要求,浙江省将不再新建危废填埋场,届时园区废盐的本地处置将不可持续;(2)这种刚性填埋场存在占用土地资源多,还可能渗透污染地下水等环境安全风险;(3)运往省外处置不仅成本大幅提升,长途运输还可能出现交通事故并对沿途流域区域生态环境安全存在外溢风险隐患,按平均一车运30 t废盐来计算,2万吨的废盐需要运输667车,每车泄漏1%,也将造成200 t危险废物的泄漏风险。
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化工行业是环境风险、环境影响和敏感性突出的行业,西方工业化、现代化的进程伴随着人造化学物质和化工污染物的无限度开发应用与环境释放,上百年来使大量毒害人类健康和生态环境而不可降解的持久性有机污染物等危险化学品遍布全球环境,先污染后治理造成的碳排放等生态环境代价远远高于其当初生产使用的短期收益,造成的环境损害却长期贻害生态系统安全和人类健康。因此,化工产业园区响应“双碳”目标要求,必须将降碳与深入打好污染防治攻坚战同频共振,协同共赢,通过减污降碳协同增效。
台州湾经济技术开发区立足医药化工产业园绿色发展实际,针对相关企业每年产生数万吨废盐而传统填埋方式面临存量有限、增量不再、成本高企等难题,园区对症下药,开发建设了危废废盐综合利用、危废焚烧的高温烟气预热回收这两个项目,通过两步耦合,因地制宜化害为利。第一步,改外送处置为就地处置,改危废填埋为利用园区优势工业化处理并变废为宝就地消纳就成为废盐处置的最佳选择,使每年几万吨的废盐处置转化为园区企业生产必需的优质工业盐原料,在做好外购工业盐原料与外送废盐处置两个降碳减污“减法”的同时,还可同步实现两个绿色节支增效附加值的“加法”。第二步,将废盐处置过程中通过多级碳化工艺从废盐混合物中成功去除的有机物所形成的高温废气,导入烟气预热回收利用装置,与园区企业产生的蒸馏有机废液废渣共同焚烧处置,而余热利用产生的蒸汽和水正是企业蒸馏生产所必需的资源,从而保障回收利用的自产自销。
由此,园区不仅有效发挥自身工业化园区在就地处置、工业化处置和就地资源价值转化方面的绿色潜能,变废为宝、循环利用;还为园区进一步夯实发展基础绿色底色、提升发展质量和效益空间打开了传统桎梏和堵点,从而为实现降碳减污扩绿增长的协同增效奠定了基础,也为更多企业和园区开展相关实践提供了启示。
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作为新升级为国家级经济技术开发区,医药化工产业园紧扣制约绿色发展的突出污染问题打好降碳减污协同推进的主动仗。一是聚焦园区及周边地区每年2万吨的废盐污染物如何集中处置、变废为宝,实施了废盐综合利用项目;二是聚焦园区每年3万吨以制药蒸馏废渣废液为主的有机危险废物的减量化资源化无害化处置需要,开展了危险废物焚烧的烟气余热回收利用项目。
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针对医药化工产业园及其周边地区工业企业产生的废盐污染物,园区果断投资1亿元,2022年建设完成了2万吨/年废盐资源化利用项目,采用“多级碳化+膜精制处理+冷冻分盐+余热回收”工艺,有效提升工业化规模化处置效能。(1)多级碳化工艺:引入冶金炉的高效连续处理技术,预处理干燥后的废盐进入多级碳化炉,在无氧及缺氧条件下使有机物碳化,彻底去除工业废盐中的大分子与长碳链有机物,处理后的固体盐TOC≤50 mg/kg;(2)膜精制:将碳化后的固体盐进行溶解后,通过陶瓷硅碳化膜过滤分离后,再加入药剂进行精制除杂,去除重金属等杂质并进一步降低有机物含量,调节出精制盐水;(3)冷冻蒸发分盐:除杂后的精制盐水进入冷冻蒸发系统,通过冷冻结晶器-多效蒸发器-多效蒸发器的系统循环交替生产,将氯化钠、硫酸钠等工业盐进行分离,最终制备出满足《再生工业盐》《无水硫酸钠》标准的工业盐产品,处理后的盐TOC≤10 mg/kg;(4)将项目产生的高温废气通过焚烧系统余热锅炉进行余热回收,回收后生产出的蒸汽供全厂蒸发器使用。
该项目采用的废盐资源化综合利用技术,在临海A公司与中科院合作研发的废盐微波碳化技术基础上,与东北大学合作进行装备制造,通过江苏盐城、重庆等地产业化试验加以完善。有效破解了传统焚烧技术因在处理废盐时无法精准控制温度和焚烧氧含量,容易让其中的氯化钠、硫酸钠等盐熔融结焦,从而导致设备无法稳定运行、无法生产出合格产品及有机物去除不彻底等难点。“变废为宝”将危废废盐中的有机物通过碳化热解进行去除,同时通过盐硝热分离技术将其中的氯化钠、硫酸钠、溴化钠进行分离提纯,生产出相对应满足国家/行业标准的工业盐产品,让危废变成符合标准的工业盐产品并用于园区企业替代外购原料生产。仅对危废处理再生的工业盐产品用于园区企业替代外购原料生产这一项,园区节能产生的相对碳减排量就超过5 000 t/a,因为该项目将2万t/年废盐再生为工业盐产品,避免了该部分工业盐进行生产采购,故减少了该部分工业盐进行生产的能耗。即相应工业盐生产的年耗电量为4 172 000 kW·h,折算碳排放量2 424 t;年蒸汽用量44 459 t,折算碳排放量8 637 t;合计碳排放量在11 061 t。而该项目将废盐综合利用的年耗电量在1 000 万kW·h,折算为碳排放5 810 t。两项相抵降碳达5 251 t/a。
通过废盐资源化利用,直接减少了每年2万吨危废污染物,从根本上解决废盐处置问题;避免了以往通过填埋方式对土地资源的消耗和可能造成的地下水污染风险;避免外委填埋转移发生泄漏等环境风险;传统焚烧技术焚烧温度在750 ℃以上,本项目通过多级碳化,将温度控制在350和650℃等不同区间,减少了热能消耗;项目所消耗的水资源全部进行中水回用,不额外增加用水;碳化产生的高温烟气通过余热锅炉将热能进行回收,产生出蒸汽给厂区自用,节省了蒸汽外购使用,降低了能源消耗,进一步实现节能减排。实现资源循环,将2万吨废盐污染物再生为工业盐产品,通过变废为宝,实现了资源再生利用和园区绿色节支。
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建设运行废盐综合利用项目的同时,园区投资2.5亿元配套建设了3万吨/年的危废焚烧系统,用于园区企业药品蒸馏产生有机废渣废液和废盐处置产生高温烟气的危废焚烧处置及烟气余热回收。
该项目采用广州维港公司及中国航天集团设计的危废焚烧系统,建设了100 t/d回转窑+二燃室+SNCR脱硝+余热锅炉+急冷塔+干式反应器+布袋除尘器+湿法脱酸+SGH的生产线。其焚烧系统的工艺方案包括:【焚烧炉(回转窑+二燃室)】+【余热锅炉(SNCR脱硝)】+【急冷吸收塔】+【干式反应器(消石灰粉及活性炭进行吸附)】+【气箱脉冲袋式除尘器】+【预冷塔+脱酸塔(用NaOH溶液吸附)】+【烟气加热器】+【引风机】+【烟囱】。废物焚烧处置前必须进行前处理或特殊处理,达到进炉要求,废物在炉内燃烧均匀、完全;二燃室内温度应达到1 100 ℃以上,烟气停留时间须在2.0 s以上;燃烧效率大于99.9%;焚毁去除率大于99.99%;焚烧残渣的热灼减率<5%。焚烧设施包括前处理系统、尾气净化系统、报警系统和应急装置;废物焚烧产生的残渣、烟气处理过程中产生的飞灰,须按危险废物进行安全填埋处置;处理全过程的无接触、无泄漏、无污染;焚烧设备保证气密性,防止有害物质的泄露;为了避免装、出料的二次污染和频繁启停、停炉造成的烟气中二英超标,系统必须能连续不间断地运行。
该项目满足了园区每年3万吨以制药蒸馏废渣废液为主的有机危险废物的减量化资源化无害化处置需要。通过余热锅炉将焚烧产生的高温烟气进行热量回收,生产出蒸汽可外供使用,共生成蒸汽79 200 t/a,合计减少15 386 t/a二氧化碳排放,不仅实现了节能减碳,还额外产生热能;项目将园区3万吨/年的危险废物进行焚烧处置,减少了污染物排放;还将厂区料坑和仓库产生的VOC废气进行集中焚烧处置,减少了VOC排放;该项目脱酸下来的水蒸发后进行中水回用到碱洗塔进行喷淋,实现了水资源的循环,减少了水资源使用。项目投产后的园区综合经济效益约为9 000万元/年。
国内很多同类型园区也存在工业废盐、有机废物、废热废气消纳处置成本高,和工业盐原料、蒸汽等生产采购成本高的两难问题,而上述两个项目的耦合发力,为统筹化解两难问题,低成本实现废物变资源的高回报提供了优化解决方案。
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针对医疗化工园区废盐污染物产生量大、危废处置难等减污降碳问题,园区管委会着力发挥园区产业链协同处置、协同消纳、协同增效的优势,依托废盐综合资源化利用、新建危废处置装置与高温烟气余热回收利用等技术改造项目,着力补齐一条围绕医药化工主业产业链提供降碳减污协同效益的新兴价值链。
(1)有效增强和保障了园区绿色发展底色和能源资源再生利用底气。如通过废盐资源化利用项目,采用“多级碳化+膜精制处理+冷冻蒸发分盐+余热回收”工艺,将医化园区产生的工业废盐绿色处置再生为符合工业盐标准的产品,可直接保障用于产业园下游产业链发展所需的氯碱、印染、水泥助磨剂、卤素化工等高附加值产品生产,实现了园区发展中减污降碳的做减法,直接变现为再生型低成本新原料高价值新产品的做加法。同时,园区还依托数字化技术优势,打通危废的企业端、收集端、生产端等智能化管理,进一步高效地开展收运、处置等各环节工作,进一步减少运行成本和企业成本。这都有效提升了园区绿色发展的硬实力和资源再生、化害为利的绿色价值成色。
(2)有效带动了所在区域流域的生态安全和环境质量改善,由于不再需要像以往依靠省外填埋场进行废盐污染物填埋,一方面直接改善了园区及周边环境的土地资源占用和地下水污染风险,一方面有效规避了跨区域、跨流域危废转移中的运输安全和环境风险、卡脖子等问题。
(3)通过破解绿色发展难题增强了园区绿色发展、健康发展、安全发展的绿色底色与成色[6]。这也为园区及其企业及时做好环境信息披露[7]、提升ESG信用评级[8]、改善环境“邻避”效应等提供了有利契机。
综上所述,立足园区潜力开展工业废盐危险废物就地工业化处置与资源化循环利用技术实践,不仅能够变废为宝,使废盐就地处置变为可替代园区企业外购的再生工业盐原料,还可有效回收利用处置过程中的余热为企业提供蒸汽,更可使园区和周边区域的危险废物能够通过就地工业化处置规避以往外运处置的环境风险外溢成本。这为国内其他地区的同类型工业园区因地制宜协同推进降碳减污提供了有益启示和借鉴。
希望更多园区和企业能够积极响应国家降碳减污扩绿增长协同推进号召,在因地制宜破解自身污染处置难题的同时打好变废为宝、化害为利主动仗。发掘自身就地处置、工业化处置和资源能源再生、循环利用的潜能优势,以绿色实践的硬成效树立园区、企业绿色形象,赋值升级绿色信用软实力,在国内国际双循环和绿色高质量发展中力争上游[9],不断提升绿色竞争力[10]。
产业园区减污降碳协同增效的有益实践
——台州湾经开区的危废就地处置耦合利用启示Synergistic effect of reduction of pollution and carbon emissions in industrial parks
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摘要: 化工产业园区发挥污染处置集约化规模化降碳化资源优势,在污染减排、综合利用、变废为宝、扩绿增长等方面具有内生动力与辐射外部的协同增效空间,文章深入分析台州湾经济技术开发区立足医药化工产业园绿色发展实际,开展污染废物危险废物的低碳化资源化循环利用实践及其成效,旨在为同类园区和企业因地制宜协同推进减污降碳扩绿增长提供耦合思路,引导工业园区在国内国际绿色产业转型升级博弈中增强绿色发展底色,夯实能源资源再生利用底气,提升园区产业集群绿色信用价值,助力国家和地方绿色高质量发展。Abstract: Chemical industrial parks leveraged the advantages of pollution control, scaled reduction of carbon emissions and resource optimization, possessed inherent synergistic potentials in pollution reduction, comprehensive utilization, waste-to-value conversion, and green growth. Based on the green development of the pharmaceutical and chemical industry park, an in-depth analysis of the practice and effectiveness of a low-carbon resource utilization of pollution waste and hazardous waste in the Taizhou Bay Economic and Technological Development Zone was provided. The aim is to provide a coupling strategy for similar parks and enterprises to collaboratively promote the reduction of pollution and carbon emissions, green expansion and growth according to local conditions. It guides industrial parks to enhance their basis for a green development in the domestic and international green industry transformation and upgrade competition, consolidate the confidence in the recycling of energy and resources, enhance the green credit value of industrial clusters in the park, and contribute to the high-quality green development at the national and local levels.
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脉冲喷吹清灰除尘器通常被很多行业用于控制空气污染,如电力生产、煤矿挖掘[1]。灰尘通过烟气管道进入袋式除尘器而被滤袋收集,形成灰尘饼,由于灰尘的连续堆积,须定期对灰尘饼进行清洁[2]。脉冲喷吹清灰能周期性地进行定期清洁,所以这种清灰方式有着广泛的应用[3]。
在脉冲喷吹清灰时,脉冲阀释放一个短脉冲(50~150 ms),将干净的压缩空气分配到吹扫管的众多喷嘴中。每个喷嘴朝向滤袋开口端上方,压缩空气通过喷嘴的作用发生膨胀,形成脉冲射流,同时在脉冲射流周围的邻近区域,射流气体会夹带周围空气,与脉冲射流一同进入滤袋中,对滤袋进行清洁。关于脉冲喷吹清灰的研究有很多,多数都集中在高压清灰上,建立的CFD模型也仅仅是二维模型[4-6]。QIAN等[4]通过建立喷嘴与滤袋开口之间的最佳距离数值模型,研究了高压(0.6 MPa)清洁的清灰效果;万凯迪等[5]通过建立二维滤袋模型,研究了PPS针刺毡滤袋在高压(0.45 MPa)喷吹下的清灰效果;HAJEK[6]建立二维轴对称单滤袋模型,在不考虑射流偏移的情况下研究清灰效果。
近年来,人们对低压脉冲喷吹清灰的研究越来越感兴趣。低压清洁在0.2~0.3 MPa的罐压下运行,而传统的高压清洁可在更高的压力下运行,通常为0.4~0.7 MPa。本研究通过建立完整的三维CFD模型,考虑射流偏移,分析射流特性,并通过实际的实验测量验证了三维CFD模型的正确性;同时,使用三维CFD模型研究了低压(0.2 MPa)下不同喷嘴和文丘里管的设计对清灰效果的影响,为低压清灰系统的设计提供了参考。
1. 研究方法
1.1 实验方法
实验所用除尘器如图1所示。该装置包括1个带有3个脉冲阀的空气压缩罐(容积225 L),3个长度为2 m的吹扫管,每个吹扫管有11个等间距直孔。对于每个吹扫管,在除尘器腔体内放置5个孔和袋,构成测试部分。每个吹扫管中剩余的6个孔放在腔体外面。每个滤袋由内部袋笼保持固定,滤袋和内部钢笼之间的咬合紧密,清灰时,滤袋与内部钢笼之间的体积变化小于4%,滤袋长度为6 m,直径为160 mm。文丘里管(喉部直径65 mm)放置在每个袋子的开口处,通过隔离板,将灰尘区域与洁净区域分开。使用压力传感器对图1中的4个部位(空气压缩罐、滤袋的顶部、中部和底部)进行压力测量。测量所得的压力数据作为与数值模拟结果进行对比并验证数值模型合理性的实际数据。所有测试均在室温下进行,脉冲喷吹的初始罐压力为0.2 MPa,脉冲阀导通时间为100 ms。
1.2 数值计算方法
脉冲喷射清洁期间的流动被表征为超音速和亚音速,由于湍流仅在某些区域中起作用,无须使用分离涡模拟(DES)和大涡模拟(LES)这类计算成本较高的方法,去解决湍流尺度的问题[7]。同时,黏性效应存在于脉冲喷射中,不能应用于超音速流的无黏性假设,因此,须采用雷诺平均纳维-斯托克斯公式。使用耦合流体的方法求解纳维-斯托克斯方程,耦合流体适用于冲击波和高度可压缩流动的研究。
控制方程是纳维-斯托克斯方程,包括质量(连续性)方程、动量(牛顿第二定律)方程和能量(热力学第一定律)方程。可压缩流体的质量守恒方程见式(1)。
∂ρ∂t+∂(ρui)∂xi=0 (1) 式中:
ρ 为密度,kg·m−3;t 为时间,s;ui 为流体速度沿i方向的分量;xi 为i方向的坐标。动量守恒方程见式(2),计算时忽略引力。
∂(ρui)∂t+∂(ρujui)∂xj=∂τij∂xj−∂p∂xi (2) 式中:
τij 为黏性和湍流应力张量;p 为压力,Pa。能量守恒方程见式(3)。
ρ(∂h∂t+ui∂h∂xi)=∂p∂t+ui∂p∂xi+∂∂xi∂T∂xi+τij∂ui∂xj (3) 式中:
h 为焓,kJ·mol−1;k 为导热系数,W·(m·K)−1;T 为热力学温度,K。可压缩流动密度遵循连续性方程,温度可以由式(3)得出。在已知密度和温度的情况下,压力可以应用理想气体定律的状态方程进行计算。
p=ρRT (4) 式中:
R 为气体常数,取值8.314 J·(mol·K)−1。湍流模型使用可实现的k-ε模型[8],并通过双层壁功能处理近壁区域,考虑可压缩性,将可压缩耗散膨胀项[9]添加到湍流转换方程中。为了模拟在一个吹扫管中多个喷嘴的效果,并且完全捕获喷嘴和射流中的空间复杂流场,需要完整的3D模型。由于实验验证对数值模型的建立具有重要意义,因此,数值模型的几何形状必须与实验装置非常相似,三维CFD模型计算域如图2所示,不同的边界条件使用不同的颜色显示。
为清楚起见,图2为整个计算域对称的一半,其中浅黄色为出口、青色为阀门入口、绿色为滤袋、灰色为壁面。滤袋模拟为零厚度,多孔介质薄膜,允许流体通过,压力损失计算方法见式(5)。
Δp=−ρβvn (5) 式中:
Δp 为压降,Pa;ρ 为气体密度,kg·m−3;β 为多孔黏性阻力,m·s−1;vn 为边界法向速度,m·s−1。在脉冲清灰过程中,滤袋壁面峰值压力为2 000~6 000 Pa,有研究表明,滤袋阻力对滤袋内获得的峰值压力有很大影响[10-12],因此,可调整
β 值,以与实验数据相匹配,本研究β 取值为30 000 m·s−1。滤袋的建模为刚性结构,即忽略滤袋偏转的潜在影响,虽然滤袋偏转会影响脉冲压力,但其在本研究所测试的除尘器中偏差非常小。脉冲阀门模型与滤袋类似,根据脉冲阀的实际特性,其多孔黏性阻力随时间的变化而变化。脉冲阀的工作过程可简化为3个阶段:1)阀门关闭,高阻力;2)阀门完全打开,非零低阻力;3)阀门关闭,高阻力。阀门阻力值通过反复实验确定,图3为本研究所用脉冲阀的多孔黏性阻力随时间的变化情况。打开时间总计为100 ms,阀门完全打开阶段为66 ms,当达到100 ms的模拟时间,多孔界面转变为阻碍任何质量交换的壁面。
边界条件:空气压缩罐的计算域设置为无滑动条件的绝热壁面。脉冲阀门计算域(图2青色区域)为多孔界面,其多孔黏性阻力设置如图3所示。滤袋计算域(图2绿色区域)为多孔界面,其多孔黏性阻力为30 000 m·s−1。将0 Pa(1个标准大气压下)的压力施加在计算域的出口(图2黄色区域),以模拟隔离板两侧无限大的体积。在脉冲喷射清灰期间,脉冲射流夹带上箱体的空气进入过滤室中,导致上箱体的压力降低,同时使得过滤室中压力增加。对于小规模的除尘器,这将极大地影响脉冲压力,但是对于中等或者较大规模的除尘器,包含吹扫管在内的整体有效体积很大,因此,本研究对计算域的近似是合理的。其余表面(图2灰色部分)设置为无滑动条件的绝热壁面。
初始条件:计算域向空气压缩罐施加0.2 MPa的压力,其余部分施加压力为0 Pa(1个标准大气压下);在整个计算域中施加300 K的温度;采用隐式方法进行迭代,时间步设置为
1×10−5 s,内迭代设置为20次,库朗数设置为50。数值模型通过实验验证之后,修改数值模型,研究文丘里管和喷嘴对清灰效果的影响。建立3种数值模型,以研究文丘里管的流场与压力,包括无文丘里管、喉部直径为65 mm的文丘里管(其端口处的直径为108 mm,压缩段的长度为97.2 mm,喉管段的长度为43.2 mm,扩散段的长度为108 mm)和喉部直径为85 mm的文丘里管(其端口处的直径为129.6 mm,压缩段的长度为97.2 mm,喉管段的长度为54 mm,扩散段的长度为97.2 mm),文丘里管结构如图4所示。
由于吹扫管自身具有一定的壁厚,同时又考虑到清灰气流在吹扫管中的流动情况,这些因素可能是导致经孔喷嘴流出的射流与文丘里管之间出现偏移的原因。因此,使用改进的喷嘴(图5)与孔喷嘴进行比较。
2. 模型验证
2.1 射流分析
图6反映了处于不同动量时的脉冲射流特性。脉冲喷吹清灰系统中的流场不同于传统的喷射流场,使喷射清灰流场复杂化的因素包括流体的可压缩性和瞬态性、喷嘴的设计以及射流在吹扫管中的流动情况。当清灰射流动量相对较低时,射流受到类似开尔文-亥姆霍兹不稳定性的影响,出现动态波动[13],如图6(a)所示,射流和周围空气之间形成可压缩涡流环结构[14],但是由于射流快速通过,因此,这些涡流环并不明显。
图6(b)显示了射流动量处于最高时的局部马赫数。可以看出,射流的局部马赫数值超过了当地声速(Ma≥1,Ma为马赫数)。由于空间的离散化,射流出现了特征流动模式,这种现象也被称作冲击单元[15-16]。冲击单元的形成是由于射流过度膨胀和射流的内部冲击之间相互作用的结果。射流内部的相互作用导致射流核心出现了速度的强烈波动,当射流被压缩并最终达到环境压力时,射流核心的强度将沿着喷嘴方向进一步降低。
2.2 数值模型验证
通过比较空气压缩罐和滤袋的数值模拟结果与实验压力数据来验证数值模型。对于空气压缩罐(如图7所示),数值模拟结果曲线与实验压力数据曲线之间具有良好的一致性。脉冲阀门在t=0 s时打开,空气压缩罐中压力迅速下降,直到t=0.03 s左右停止下降,这是因为清灰气流通过吹扫管传播,气流流经管壁时,经过多次反射,直到空气压缩罐中的压力和吹扫管中的压力相接近。从t=0.04 s开始,压缩空气罐以恒定的速率排压,排压速率受脉冲阀门和喷嘴两侧的压差限制。
在滤袋中,数值结果与实验结果之间具有良好的一致性,如图8所示。在滤袋顶部位置脉冲压力短时间内上升到3 100 Pa(如图8(a)所示)。通过数值模拟研究发现,脉冲阀门的阻力控制方案(图3)与吹扫管内的压力波反射是导致滤袋顶部脉冲压力上升的主要因素,这与实验研究所得到的结论相吻合。
滤袋的顶部位置和底部位置都出现了明显的周期性振荡(见图8(a)和图8(c))。研究发现,脉冲射流的局部以接近音速的速度贯穿滤袋,在到达箱体底部时,由底部钢板反射,这是引起周期性振荡的主要原因。在滤袋顶部,振荡周期约为0.035 s,这与音速穿过滤袋并通过底部钢板反射的总行程(2×6.5 m)基本吻合。同时,由于吹扫管内存在压力波扰动和射流反射的客观现象,引起了脉冲射流速度的强烈波动。在滤袋中部位置(如图8(b)所示)未出现明显的周期性振荡,这是由于滤袋中存在多个频率的压力波,相互作用抵消造成的。
射流沿垂直方向贯穿滤袋时,部分射流穿过滤袋向外传播,滤袋峰值压力沿轴向下降。在滤袋中部位置,峰值压力为2 000~2 100 Pa,这足以实现对滤袋的清洁。根据SIEVERT等[17-18]的研究,需要400~500 Pa的峰值压力才能达到良好的清灰效果。
t=0.1 s后,滤袋3个部位的压力数值模型结果与实验结果相比,均出现了偏差。该偏差的出现是因为本研究将滤袋建模为刚性结构(即忽略了滤袋偏转),对滤袋模型设定了恒定的阻力系数而造成的。在实验装置中,滤袋由内部袋笼保持固定,滤袋与袋笼间存在很小的活动空间,在脉冲喷吹时,滤袋会出现一定程度的抖动,同时射流进入滤袋中,使得滤袋膨胀,滤袋内的纤维结构发生变形。LO等[19]研究发现,恒定的阻力系数是一个相对合理的假设,这与本研究的研究结果吻合。尽管存在一些偏差,但数值模型与实验结果之间的整体一致性良好,因此,本研究中的数值模型是有效的。
3. 结果与分析
3.1 改进喷嘴分析
对2种类型的喷嘴进行数值模拟测试,结果以速度标量场的形式显示,结果如图9和图10所示。可以看到,射流明显未对准时,t=0.016 s;射流处于最大喷射速度时,t=0.030 s;射流处于最佳对准时,t=0.040 s。
对于孔喷嘴(图9),在明显未对准时(t=0.016 s),射流对文丘里管的入口边缘形成冲击并产生了分流;在t=0.030 s时,未对准情况减弱,射流主要集中在文丘里管喉部右侧1/2处;在t=0.040 s时,射流的未对准情况进一步改善,入口边缘的冲击分流现象消失,射流占据了文丘里管喉部2/3的位置。
对于改进的喷嘴(图10),在t=0.016 s时,射流的未对准现象与孔喷嘴相似,但方向朝相反侧。这是由改进喷嘴的内部几何形状导致的;在t=0.030 s时,与孔喷嘴相比,未对准现象略有改善;在t=0.040 s时,射流对准情况良好,射流近乎完全填充文丘里管的喉部。
为了量化改进效果,表1列出了在2种喷嘴中滤袋各部位峰值压力。改进喷嘴对滤袋各部位的峰值压力均有不同的提升,其中对滤袋底部的峰值压力提升最高,增长率为13.3%。研究发现,峰值压力是判断清灰效果是否良好的重要指标[20-23]。由于孔喷嘴存在射流未对准现象,改进喷嘴的峰值压力增加(5.1%~13.3%)会对滤袋清洁效果有所改进。此外,使用改进喷嘴导致峰值压力增加,使清灰系统在保持足够清洁强度的同时,降低罐压力,减少压缩空气消耗,达到节能的效果。
表 1 不同喷嘴的峰值压力Table 1. Peak pressure of different nozzles位置 孔喷嘴/Pa 改进喷嘴/Pa 增长率/% 顶部 3 117 3 277 5.1 中部 2 127 2 331 9.6 底部 2 399 2 718 13.3 3.2 文丘里管分析
通过研究流经文丘里管的射流速度(图11、图12)以及滤袋中的峰值压力(表2),分析文丘里设计对清灰效果的影响。图11和图12表明,文丘里管以及文丘里管的喉部直径对进入滤袋的清灰射流有直接影响。对比喉部直径为65 mm和85 mm的文丘里管发现,减小喉部直径(65 mm)能适当减少回流,滤袋峰值压力增加了5.5%~7.6%。如图11(c)、图12(c)所示,从无文丘里管的设计中可以看到,在滤袋入口处,射流回流显著增加,与喉径为85 mm的文丘里管相比,其峰值压力降低了41.4%~46.3%。
表 2 不同文丘里设计的滤袋峰值压力Table 2. Peak pressure for different Venturi designs文丘里管 顶部 中部 底部 压力/kPa 增长率/% 压力/kPa 增长率/% 压力/kPa 增长率/% 喉径85 mm 2 896 — 1 990 — 2 275 — 喉径65 mm 3 117 7.6 2 127 6.9 2 399 5.5 无文丘里 1 556 −46.3 1 142 −42.6 1 334 −41.4 注:—表示喉径85 mm的文丘里管与自身比较,无增长率变化。 文丘里管的工作原理是限制回流,回流会影响滤袋中的脉冲压力。文丘里管能使脉冲射流更容易进入滤袋中,同时限制射流逃逸,从而增加滤袋各部位的压力。喉部直径为65 mm和85 mm的文丘里管之间有较小的差异,说明可能存在一个最佳的喉部直径设计。
3.3 大气粉尘的排放分析
依托中材装备集团有限公司(天津水泥研究院)的袋式除尘器数字化综合工程设备,将改进的喷嘴与喉径为65 mm文丘里管进行实际应用,分析其对大气粉尘排放的影响。在过滤风速为1.5 m·min−1,入口粉尘浓度为102 g·m−3,连续过滤时间为40 min的工况下进行过滤;在罐压力为0.2 MPa、脉冲阀导通时间为100 ms下进行脉冲喷吹;总运行时间为200 min,在排放口进行粉尘浓度监测。
通过粉尘排放特性的研究(图13)发现,除尘器连续过滤时,粉尘排放浓度的变化较为平稳;脉冲喷吹时,粉尘排放浓度瞬间上升;脉冲喷吹结束后,粉尘排放浓度瞬间下降,之后再次进入连续过滤状态。使用改进喷嘴、喉径为65 mm文丘里管的除尘器,比使用孔喷嘴、不安装文丘里管的除尘器在脉冲喷吹时的粉尘排放浓度更低。从表3中可以看到,使用改进喷嘴、喉径为65 mm文丘里管除尘器的平均粉尘排放浓度为0.51 mg·m−3、平均峰值粉尘浓度为9.15 mg·m−3,明显低于使用孔喷嘴、不安装文丘里管除尘器的平均粉尘排放浓度0.66 mg·m−3、平均峰值粉尘浓度13.43 mg·m−3。由此可见,本研究对喷嘴和文丘里管的优化设计能够有效地降低粉尘排放,控制大气污染。
表 3 平均粉尘排放浓度和平均峰值粉尘浓度Table 3. Mean dust emission and mean peak dust concentrationmg·m−3 喷嘴与文丘里管类型 平均粉尘排放浓度 平均峰值粉尘浓度 孔喷嘴、无文丘里管 0.66 13.43 改进的喷嘴、喉径65 mm文丘里管 0.51 9.15 4. 结论
1)脉冲阀门建模为阻力随时间变化的多孔界面,因此,在空气压缩罐中,实验测量数据与CFD模型之间具有良好的一致性。滤袋建模为恒定阻力系数的多孔界面,在滤袋中,CFD模型所得到的脉冲压力、峰值压力与实验测量结果吻合性良好,虽然出现了轻微偏差,但CFD模型与实验之间的总体一致性良好,所以该数值模型是有效的。
2)清灰射流表现出了瞬态行为以及可压缩效应,当射流动量较低时,射流与周围空气之间形成了可压缩涡流环,但由于射流快速通过,涡流效应并不明显。当射流速度超过当地声速时,由于射流过度膨胀,因此,出现了类似冲击单元的特征流动模式。
3)射流经过吹扫管从喷嘴流出,在孔喷嘴中出现了明显的射流错位现象,在改进喷嘴中,射流错位现象得到了改善。与原始的孔喷嘴相比,改进喷嘴对滤袋内脉冲压力提升了5.1%~13.3%
4)与喉部直径为85 mm的文丘里管相比,减小喉部直径(65 mm)的设计能够适当减少回流,使滤袋内峰值脉冲压力增加5.5%~7.6%;无文丘里管的设计使射流不易进入滤袋中,并且回流在袋口处显著增加,滤袋内峰值压力降低了41.4%~46.3%。
5)应用改进喷嘴与文丘里管(喉径65 mm)的袋式除尘器,在运行时能明显降低粉尘排放,其平均粉尘排放浓度为0.51 mg·m−3、平均峰值粉尘浓度为9.15 mg·m−3,低于使用孔喷嘴、不安装文丘里管除尘器的平均粉尘排放浓度(0.66 mg·m−3)和平均峰值粉尘浓度(13.43 mg·m−3)。
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