O3/·OH簇射烟气脱除甲苯的数值模拟

廖德政, 温正城, 吴伊伊, 王智化, 黄群星. O3/·OH簇射烟气脱除甲苯的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2022, 16(9): 2930-2938. doi: 10.12030/j.cjee.202112024
引用本文: 廖德政, 温正城, 吴伊伊, 王智化, 黄群星. O3/·OH簇射烟气脱除甲苯的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2022, 16(9): 2930-2938. doi: 10.12030/j.cjee.202112024
LIAO Dezheng, WEN Zhengcheng, WU Yiyi, WANG Zhihua, HUANG Qunxing. Numerical simulation study on toluene removal by O3/·OH radical shower in flue gas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(9): 2930-2938. doi: 10.12030/j.cjee.202112024
Citation: LIAO Dezheng, WEN Zhengcheng, WU Yiyi, WANG Zhihua, HUANG Qunxing. Numerical simulation study on toluene removal by O3/·OH radical shower in flue gas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(9): 2930-2938. doi: 10.12030/j.cjee.202112024

O3/·OH簇射烟气脱除甲苯的数值模拟

    作者简介: 廖德政(2000—),男,大学本科,liaodezheng@hdu.edu.cn
    通讯作者: 温正城(1982—),男,博士,副教授,wenzc@hdu.edu.cn
  • 基金项目:
    浙江省自然科学基金资助项目(LY19E060002);浙江省重点研发计划项目(2020C03084)
  • 中图分类号: X511

Numerical simulation study on toluene removal by O3/·OH radical shower in flue gas

    Corresponding author: WEN Zhengcheng, wenzc@hdu.edu.cn
  • 摘要: 利用Fluent软件耦合化学反应机理对O3与·OH簇射烟气脱除甲苯进行了数值模拟。针对圆形面为入射面的圆柱形管道,通过模拟计算不同位置截面上的甲苯平均浓度,得到管道各个位置的甲苯脱除效率。在不同温度、射流速度、气体组分、自由基配比等工况条件下,模拟研究O3/·OH对甲苯的脱除规律,分析影响O3/·OH对甲苯脱除效率的关键因素。结果发现,提升温度对脱除效率有较大提升,而自由基浓度、射流速度、水分浓度与氧气浓度等参数均对脱除甲苯效率均有一定影响。由于在复杂的烟道系统中O3具有更长的活性周期,因此,比·OH有更高的甲苯脱除效率,约4%的优势。当O3和·OH混合配比为20%时,脱除效率较其他配比情况要高出约5%,这表明·OH和O3可协同进行甲苯脱除。本研究可为优化含甲苯的焚烧废气脱除净化技术提供参考。
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  • 图 1  模型设置及网格绘制

    Figure 1.  Model setup and mesh drawing

    图 2  管道剖面及其横截面处甲苯质量分数的分布情况

    Figure 2.  Concentration distribution of toluene at pipeline section and its cross section

    图 3  影响·OH脱除甲苯效率的因素

    Figure 3.  Factors affecting the removal efficiency of toluene by OH radical

    图 4  影响O3臭氧脱除甲苯效率的因素

    Figure 4.  Factors affecting the removal efficiency of toluene by O3 ozone

    图 5  ·OH与O3臭氧配比对脱除效率的影响

    Figure 5.  Influence of ratio of ·OH radical and O3 ozone on removal efficiency

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-04
  • 录用日期:  2022-05-16
  • 刊出日期:  2022-09-30
廖德政, 温正城, 吴伊伊, 王智化, 黄群星. O3/·OH簇射烟气脱除甲苯的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2022, 16(9): 2930-2938. doi: 10.12030/j.cjee.202112024
引用本文: 廖德政, 温正城, 吴伊伊, 王智化, 黄群星. O3/·OH簇射烟气脱除甲苯的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2022, 16(9): 2930-2938. doi: 10.12030/j.cjee.202112024
LIAO Dezheng, WEN Zhengcheng, WU Yiyi, WANG Zhihua, HUANG Qunxing. Numerical simulation study on toluene removal by O3/·OH radical shower in flue gas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(9): 2930-2938. doi: 10.12030/j.cjee.202112024
Citation: LIAO Dezheng, WEN Zhengcheng, WU Yiyi, WANG Zhihua, HUANG Qunxing. Numerical simulation study on toluene removal by O3/·OH radical shower in flue gas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(9): 2930-2938. doi: 10.12030/j.cjee.202112024

O3/·OH簇射烟气脱除甲苯的数值模拟

    通讯作者: 温正城(1982—),男,博士,副教授,wenzc@hdu.edu.cn
    作者简介: 廖德政(2000—),男,大学本科,liaodezheng@hdu.edu.cn
  • 1. 杭州电子科技大学理学院,杭州 310018
  • 2. 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州 310027
基金项目:
浙江省自然科学基金资助项目(LY19E060002);浙江省重点研发计划项目(2020C03084)

摘要: 利用Fluent软件耦合化学反应机理对O3与·OH簇射烟气脱除甲苯进行了数值模拟。针对圆形面为入射面的圆柱形管道,通过模拟计算不同位置截面上的甲苯平均浓度,得到管道各个位置的甲苯脱除效率。在不同温度、射流速度、气体组分、自由基配比等工况条件下,模拟研究O3/·OH对甲苯的脱除规律,分析影响O3/·OH对甲苯脱除效率的关键因素。结果发现,提升温度对脱除效率有较大提升,而自由基浓度、射流速度、水分浓度与氧气浓度等参数均对脱除甲苯效率均有一定影响。由于在复杂的烟道系统中O3具有更长的活性周期,因此,比·OH有更高的甲苯脱除效率,约4%的优势。当O3和·OH混合配比为20%时,脱除效率较其他配比情况要高出约5%,这表明·OH和O3可协同进行甲苯脱除。本研究可为优化含甲苯的焚烧废气脱除净化技术提供参考。

English Abstract

  • 近年来,发展高效低耗的挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)脱除技术迫在眉睫。目前,已形成系列VOCs排放控制技术,包括物理吸附法[1-2]、等离子体法[3-6]、生物处理法[7-8]、氧化法[9-11]等。其中,等离子体法因其脱除效率高、反应迅速、且无二次污染等优点被认为有一定应用前景。等离子法是利用如滑动电弧、脉冲电晕、介电屏障等对空气放电产生·OH和臭氧等强氧化性物质,将VOCs氧化为清洁小分子碎片(CO2、H2O、H2等),以实现VOCs的脱除。而该方法中,强氧化自由基O3和·OH的含量对VOCs脱除效率有重要影响[12-15]。ZHU等[16]采用介质阻挡放电脱除苯时发现,生成的O3浓度与苯脱除率呈正相关。亦有研究表明,O3和·OH能有效脱除烷烃、苯、甲苯等VOCs[17-19],甚至多环芳烃和二恶英[20-21]

    目前,VOCs脱除领域的研究多较为宏观,对微观层面的温度、浓度、速度场的模拟计算等内容较少。随着计算流体力学(CFD)的发展[22],如Fluent等仿真软件可用于实际工程应用中,以降低设计成本、缩短开发时间等[23]。MOUSAVI等[24]对实验室规模的生物质锅炉进行CFD模拟,研究并确定了氮氧化物形成的不同途径及其贡献。TEODOSIU等[25]将办公设备产生的VOCs排放进行CFD模拟,并分析其健康风险。

    O3和·OH对甲苯脱除的反应机理类似[26-27]。由于甲基的活化,O3和·OH均优先攻击甲苯的1,2c—c键位和2碳位,之后在O3和·OH的破坏下,苯环开始断裂。本研究以甲苯作为典型VOCs,利用化学反应耦合CFD方法对VOCs脱除效率的提升进行研究,探索O3/·OH对甲苯的脱除规律,分析影响脱除效率的关键因素,以期确定含甲苯焚烧废气脱除净化的较优反应条件,为实际工业应用提供参考。

    • 为利用Fluent软件对污染物分布及脱除效率进行模拟分析,需建立对应网格及模型。如图1(a)所示,本研究将模拟一个长10 m,底面直径为2 m的圆柱形管道。该管道的圆形底面为烟气与含O3/·OH的射流入射面。含O3/·OH的射流入口为直径0.1 m的圆形入口,而底面其余位置均为含污染物的烟气入口,其分布方式如图1(b)所示。为提高计算速度与精度,将整个管道模型对称化切割为4份,单独研究1/4管道的污染物分布情况。而切割面设置为对称面,不会影响后续的模拟计算。对称化处理后的1/4模型如图1(c)所示,底面入口分布情况如图1(d)所示。

      网格整体采用配套的ANSYS-ICEM CFD软件进行绘制。整体网格采用O-block结构化网格进行绘制,为提升网格质量,确保计算的精度和速度,绘制为六面体网格。

      将模型划分为若干体块(block),整体模型的block体块划分如图1(e)所示。为使体块能满足管道设计需要,应对体块边缘(edge)与射流入口做特定约束,其底面edge如图1(f)所示。绿色边缘edge表示已与某一条曲线固定形成约束,黑色边缘则表示在模型表面普通block体块间的分隔,无特定约束。由此便可利用体块与边缘划分射流入口与烟气入口,并完成对管道壁面、对称面、出口等边界设置。构建完体块后设置整体的网格大小尺寸即可生成模型网格,再对生成网格进行优化加密、平整,最终生成网格(见图1(g)、图1(h))。

    • 完成网格绘制后,对生成的网格质量进行检测。经ANSYS-ICEM CFD软件检测,本模型网格总网格数为301 694。通过计算单位网格六面体的雅可比行列式的最小值与最大值之比(雅可比比率)来检测单位网格六面体的变形程度。通常认为比率越接近于1,说明网格质量越好。此外,常见的还有通过计算三维网格的扭曲和坍塌值来判断网格质量好坏[28]。本研究采用的评判标准为雅可比比率。该模型网格质量最小为0.415,网格质量最优为1,约80%的网格质量大于0.8,平均质量0.897。因此,此网格能满足计算需要,以保证计算收敛,并得到准确模拟结果。

    • 本次模拟中Fluent模型为瞬态模型Transient,模拟10 s内管道内部的污染物分布情况。时间步长0.01 s,1 000步时间步,每一时间步下至多1 000次迭代或直至收敛。本模型不考虑重力加速度的影响,且开启能量方程。湍流模型为Realizable k-epsilon模型,相较于Standard k-epsilon模型能更好地模拟射流情况。基于前期工作构建的O3/·OH在烟气脱除甲苯的Chemkin反应机理文件及热力学文件[26-27],选择组分输运模型并导入Chemkin反应机理文件及热力学文件,采用有限速率模型(Finite-Rate/No TCI)且组分间相互扩散(inlet diffusion)。设置射流入口与废气入口为速度入口(velocity inlet),管道出口为压力出口(pressure outlet),进行标准初始化(Standard initialization),并设置对应组分及初始温度等参数。

      完成初始化后设定每隔0.5 s,即50个时间步后记录管道剖面的甲苯污染物浓度分布。在每个时间步后,记录管道高度每间隔1 m的横截面上,甲苯污染物网格面的平均质量分数和面标准差,用以计算污染物脱除效率和脱除均匀程度。

      式中:Ef是甲苯的甲苯脱除效率,%;Cin是烟气入口时甲苯的质量分数,%;Cout是烟气出口时甲苯的质量分数,%。

    • 对污染物分布情况进行模拟分析时,入口气体参数为:废气入口速度为3 m·s−1,温度573 K;输入氮气的质量分数为77.849 9%,二氧化碳的质量分数为12%,一氧化碳的质量分数为0.1%,氧气的质量分数为5%,水的质量分数为5%,一氧化氮的质量分数为0.05%,甲苯的质量分数为0.000 1%。射流入口的参数为:速度为10 m·s−1,温度573 K;输入的氮气质量分数为78.999 5%,氧气质量分数为21%,·OH质量分数0.000 5%。每隔1 m取截面数据监测甲苯的平均质量分数。

      图2(a)表明,当模拟时间接近10 s时,管道内部气体分布情况基本稳定,甲苯质量分数不再随时间发生大幅度变化。此时,可通过测量管道横截面的甲苯平均质量分数来计算·OH在上述工况下对甲苯的脱除效率。图2(b)中云图颜色表示污染物甲苯的浓度,截面颜色越接近红色,表明该横截面甲苯质量分数越高。反之,云图颜色越接近蓝色,甲苯质量分数越低。通过对比管道横截面及剖面的污染物分布情况发现,管道中部甲苯分布较为均匀,管道后段则稳定。通过图2(c)可观察到管道剖面的·OH分布情况及其质量分数。离射流入口越远,·OH质量分数越低。脱除甲苯的反应大多发生在管道0~5 m处。离入口越远,甲苯质量分数越低,则脱除效率越高。管道长度约10 m,出口处气体中甲苯分布均匀。因此,管道出口处甲苯质量分数可衡量·OH对甲苯的脱除效率。后文中对脱除效率的对比以出口处脱除效率为准,即对比管道出口处的脱除效率。

    • 1)·OH质量分数对脱除甲苯的影响。当射流流速10 m·s−1、射流与废气温度为673 K时,改变气体组分,将氮气作为平衡气,模拟当·OH/甲苯质量分数比分别为0.5、1、2、3、4、5、10时,·OH对甲苯的脱除效率。测量时间点为10 s时。图3(a)表明,在该工况下,·OH对甲苯的脱除效率随着·OH/甲苯质量分数比的上升而上升。在质量分数比为1~5时,脱除效率的提升比质量分数比为5~10时更大,可认为当·OH/甲苯质量分数比接近于10时,反应达到一定程度饱和,此时脱除效率提升程度变缓。综上所述,在后续的模拟仿真中选择·OH/甲苯质量分数比为5,既可保证系统对·OH的浓度需求较小,而其脱除效率也较高,应用到工业生产中成本亦较低。

      2)温度对脱除甲苯的影响。当·OH/甲苯质量分数比为5、射流流速10 m·s−1时,改变射流入口与废气入口的气体温度,在473~873 K,每升高100 K,模拟1次管道内的污染物脱除状况。图3(b)表明,随着温度升高,·OH对甲苯的脱除效率也逐渐提升。温度在473~673 K时,·OH对甲苯的脱除效率较低;而在温度为773 K时,其脱除效率明显提高,在管道10 m处的脱除效率约85%;而温度为873K时,其脱除效率达到约98%,脱除效率较高。因此,当温度为773 K或873 K时,·OH脱除甲苯效率较高。相较·OH/甲苯质量分数比对脱除效率的影响而言,温度变化对脱除效率的影响更大。

      3)射流速度对脱除甲苯的影响。当射流与废气温度均为773 K、·OH/甲苯质量分数比为5时,改变射流入口的射流速度,分别为3、5、8和10 m·s−1时,模拟射流流速对脱除效率的影响。图3(c)表明,随着射流速度变大,·OH对甲苯的脱除效率也逐渐提升。当射流流速为10 m·s−1时,脱除效率最高。但相较其他工况参数而言,射流流速的改变对脱除效率的影响较小。

      4)甲苯质量分数对脱除甲苯的影响。图3(d)表明了甲苯质量分数对·OH脱除甲苯效率的影响。当射流速度10 m·s−1、·OH/甲苯质量分数比为5、温度773 K时,改变管道入射的甲苯质量分数,分别模拟甲苯质量分数为0.000 1%、0.001%、0.01%、0.1%,考察系统对甲苯的脱除效率。当甲苯初始质量分数为0.001%时,脱除效率较其他质量分数有一定程度提升,出口处脱除效率约为93.5%。因此,当烟气中甲苯质量分数为0.001%时,系统的脱除效率较高。

      5)烟气中水分对脱除甲苯的影响。当射流速度为10 m·s−1、甲苯质量分数为0.000 1%、·OH质量分数为0.000 5%、温度为773 K时,改变烟气入口水分的质量分数分别为1%、3%、5%、7%、9%时,考察·OH对甲苯的脱除效率。图3(e)表明,在改变烟气入口水分时,水分质量分数为5%时脱除效率较高,过高或过低的水分质量分数反而不利于甲苯脱除。但通过与其他因素相比,一定范围内的水分变化对甲苯的脱除效率影响不是很明显。

      6)烟气中氧气质量分数对脱除甲苯的影响。当其他的工况参数不变的情况下,即射流速度10 m·s−1、甲苯质量分数0.000 1%、·OH质量分数0.000 5%、温度773 K、烟气入口水分质量分数5%时,改变烟气入口O2质量分数发现,烟气内氧气质量分数对甲苯最终脱除效率影响不大(图3(f)),无明显规律。无论氧气质量分数为5%或20%,其在管道出口10 m处的脱除效率均达到80%以上,其脱除的均匀程度也相差不大。因此,烟气内氧气质量分数对·OH脱除甲苯的影响不大。

    • 1)臭氧质量分数对脱除甲苯的影响。当射流流速10 m·s−1、射流与废气温度均为773 K时,改变O3/甲苯质量分数比,即分别为0.5、1、2、3、4、5,模拟O3/甲苯质量分数比对污染物脱除效率及均匀性的影响。测量时间点为10 s时。图4(a)表明,O3与·OH脱除甲苯的效果类似,O3对甲苯的脱除效率随·OH/甲苯质量分数比上升而上升。O3/甲苯质量分数比为5时,其脱除效率也较高,且O3质量分数的改变对甲苯脱除效率影响较小,在管道出口10 m处亦可保持80%的脱除效率。

      2)温度对脱除甲苯的影响。当O3/甲苯质量分数比为5、射流流速10 m·s−1时,改变射流入口与废气入口的气体温度,在473~873 K内每隔100 K模拟1次管道内的污染物脱除情况。图4(b)表明,随着温度的升高,O3对甲苯的脱除效率也逐渐提升。温度在473~673 K时,O3对甲苯的脱除效率较低,而在温度为773 K时,其脱除效率明显提高。这与·OH脱除甲苯的效果类似,也同样在温度为873 K时,其脱除效率最高约97%。这表明入射的烟气与射流的温度对污染物脱除效率影响较大。

      3)射流速度对脱除甲苯的影响。当温度为873 K、不改变气体组分,且O3/甲苯质量分数比为5时,射流入口的射流速度分别为3、5、8和10 m·s−1 4种情况时,如图4(c)所示,可以发现在873 K的环境下随着射流速度的变大,O3对甲苯的脱除效率变化不敏感,管道出口10 m处的甲苯脱除效率均达到了90%以上,且差距不大。这可能是因为射流流速的改变对脱除效率的影响较小,加之在温度为873 K时脱除效率已经处于较高效率,故射流流速的改变所带来的影响较小。因此,为了与·OH做对比,在后续计算中常模拟温度773 K下的工况环境。

      4)甲苯质量分数对脱除甲苯的影响。在射流速度10 m·s−1、O3/甲苯质量分数比为5、温度773 K时,改变管道入射的甲苯质量分数,即0.000 1%、0.001%、0.01%、0.1%,考察系统的甲苯脱除效率。图4(d)表明,与·OH降解甲苯的规律不同,随着甲苯质量分数的提升,在保持O3/甲苯质量分数比为5的情况下,甲苯初始质量分数越高,其脱除效率越高。当甲苯质量分数为0.01%或0.1%时,脱除效率接近100%。这与·OH的甲苯脱除规律完全不同。因此,当O3/甲苯质量分数比为5时,在实际应用中,可同时提高烟气中甲苯质量分数与射流中的O3质量分数,可进一步提高甲苯脱除效率。

      5)烟气水分质量分数对脱除甲苯的影响。当射流速度10 m·s−1、甲苯质量分数0.000 1%、O3质量分数0.000 5%、温度773 K不变时,改变烟气入口水分的质量分数,即1%、3%、5%、7%、9%,考察O3对甲苯的脱除效率。图4(e)表明,水分质量分数为3%、5%时,脱除效率较高。过高或过低的水分质量分数反而不利于甲苯脱除。同样,一定范围内的水分质量分数对甲苯脱除效率影响并不明显。

      6)氧气质量分数对脱除甲苯的影响。当射流速度10 m·s−1、甲苯质量分数0.000 1%、O3质量分数0.000 5%、温度773 K、烟气入口水分质量分数5%时,改变烟气入口的O2质量分数,以考察系统的甲苯脱除效果。图4(f)可表明,与·OH对甲苯的脱除规律不同,烟气中氧气质量分数达到10%时,较氧气质量分数5%的脱除效率有一定程度提升。较高的氧气质量分数有利于O3对甲苯的脱除。而随着氧气质量分数进一步增至15%及20%时,脱除效率接近饱和,达到90%以上,区别不够明显。综上所述,烟气中氧气质量分数为5%并非最优选择,适当提高氧气质量分数有助于污染物脱除,如选取氧气质量分数为10%。

    • 为进一步研究·OH与O3对甲苯脱除效率的影响,模拟·OH与O3混合注入,当射流速度10 m·s−1、甲苯质量分数0.000 1%、温度773 K、(·OH+O3)/甲苯质量分数比为2、烟气入口水分与氧气质量分数之比均为5%时,探究·OH与O3配比对脱除甲苯的影响。

      配比百分数即·OH/(·OH+O3)。图5表明,当不同配比的·OH与O3混合注入时,脱除效率会不同,而当·OH质量为(·OH+O3)的20%时,即甲苯质量分数为0.000 1%、·OH质量分数为0.000 04%、O3质量分数0.000 16%时,脱除效率较其他配比条件要高出约5%。因此,混合注入时·OH质量为·OH与O3质量之和20%左右为宜。单一自由基脱除甲苯的效率没有·OH和臭氧共同脱除甲苯的效率高。在此工况条件下,对比·OH与O3单独脱除甲苯的效率发现,O3的脱除效率较·OH高约4%。

      文献[29-30]表明,随着注射臭氧质量分数的持续增加,对甲苯的脱除能力逐步提升。此外,使用电晕、紫外线结合在H2O和O2/(空气)存在的情况下反应生成·OH、臭氧混合气体。该混合气体对甲苯的脱除效率可达到98%/(70%)。该结果定性验证了模拟计算与实验结果的一致性。

    • 1)在温度为773 K、O3(或·OH)/甲苯质量分数比为5、射流速度10 m·s−1,氧气与水分质量分数均为5%时,O3与·OH对甲苯的脱除效率较高,均可达约85%。温度对脱除效率的影响较大,即温度越高脱除效率越大。在873 K时,其脱除效率可达约97%。而射流速度、甲苯质量分数、水分和氧气质量分数的变化对脱除效率均有影响,但影响的效果较温度变化更小。

      2)由模拟仿真结果可知,在温度为773 K、(·OH+O3臭氧)/甲苯质量分数比为2的情况下,O3比·OH有更高的甲苯脱除效率,约高4%。这可能由于在复杂的烟道系统中,·OH有更高泯灭速度,而相比之下O3有更长的活性周期,低质量分数比下O3能更好地脱除甲苯。而在高质量分数比下可忽略泯灭速度影响。

      3)当O3与·OH混合射入脱除甲苯时,质量分数配比为20%时脱除效果更优。这表明·OH和O3对甲苯的协同脱除效果较好。

    参考文献 (30)

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