濕法脫硫系統(tǒng)中折板式除霧器壓降數(shù)值模擬

徐建民 皮 威

(武漢工程大學(xué))

濕法脫硫系統(tǒng)中折板式除霧器壓降數(shù)值模擬

徐建民*皮 威

(武漢工程大學(xué))

采用CFD軟件對(duì)折板式除霧器的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。建立了數(shù)學(xué)模型，對(duì)氣體相采用基于雷諾時(shí)均方程的SSTκ-ω湍流模型封閉N-S方程，對(duì)液滴相采用基于Euler-Lagrange的DPM方法。通過(guò)改變除霧器的結(jié)構(gòu)參數(shù)板間距和工作參數(shù)進(jìn)口氣速模擬氣液兩相流場(chǎng)，分析這兩種參數(shù)對(duì)壓降的影響，這對(duì)折板式除霧器的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

折板式除霧器 壓降 兩相流 數(shù)值模擬 fluent

為了減少二氧化硫排放對(duì)大氣的污染，我國(guó)許多石化、電力、醫(yī)藥、輕工等行業(yè)的工廠都裝有煙氣脫硫裝置，這些裝置脫硫工藝一般采用濕法脫硫。在濕法脫硫裝置中，含二氧化硫的煙氣進(jìn)入吸收塔穿過(guò)石灰石漿液，煙氣中的二氧化硫被石灰石漿液吸收，通過(guò)吸收塔的煙氣會(huì)帶走少量液滴。為了使煙氣凈化，防止液滴在下游部件中沉積，所以含液滴的煙氣需要進(jìn)行氣液分離。折板式除霧器是目前廣泛應(yīng)用于濕法脫硫系統(tǒng)中的氣液分離設(shè)備。它是根據(jù)液滴的碰撞和粘附凝聚的原理制成的。含液滴的煙氣通過(guò)除霧器的板片時(shí)，依靠氣流彎曲流動(dòng)離心力將液滴分離出來(lái)，霧滴粘附于板片壁面上形成薄薄的水膜，向下流動(dòng)，最后匯集到板片下端形成較大的液滴落下，從而使氣水分離[1]。

目前對(duì)折板除霧器的研究有實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)修正不斷改型來(lái)找到合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但除霧器性能受多種因素影響，僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)往往很難確定最佳參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)在越來(lái)越多地利用數(shù)值模擬方法來(lái)進(jìn)行研究。為弄清除霧器中兩相流的流動(dòng)本質(zhì)，減少壓力損失，對(duì)流體進(jìn)行數(shù)值模擬分析很有必要。

本文利用流體力學(xué)方法 （CFD）對(duì)除霧器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。與實(shí)驗(yàn)方法相比，CFD數(shù)值模擬具有成本低、周期短及提供信息充分等優(yōu)勢(shì)[2]。CFD方法及其應(yīng)用軟件已得到廣泛應(yīng)用，其模擬精確度與可靠性能滿足工程設(shè)計(jì)的要求。本文采用CFD應(yīng)用軟件fluent進(jìn)行計(jì)算，用其前處理軟件gambit生成網(wǎng)格。

1 數(shù)學(xué)模型

除霧器工作過(guò)程中，含液滴氣流的實(shí)際流動(dòng)是一種三維的、非定常的、可壓縮黏性流體的流動(dòng)。本文在模擬計(jì)算過(guò)程中，在誤差允許范圍內(nèi)對(duì)流場(chǎng)作適當(dāng)簡(jiǎn)化：

（1）由于氣流速度較小，故把這種氣體視為不可壓縮氣體來(lái)處理；

（2）由于通道高度和寬度之比很大，且除霧器任意流動(dòng)界面都相同，故簡(jiǎn)化流場(chǎng)為二維平面流場(chǎng)；

（3）在實(shí)際工作條件下，氣體流動(dòng)的各參數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)，因而可視為定常流動(dòng)；

（4）由于液滴粒徑很小，故可當(dāng)作球形處理，且忽略蒸發(fā)、摩擦、聚合、撕裂及熱效應(yīng)的影響；

（5）液滴碰到板片壁面即認(rèn)為被捕集，不考慮反彈及壁面水膜撕裂的影響[4]。

另外，折板式除霧器的工作區(qū)域具有對(duì)稱(chēng)性和空間重復(fù)性，故在模擬中只需選取一個(gè)工作區(qū)域作為模擬對(duì)象[3]。

本文對(duì)連續(xù)氣相采用基于雷諾時(shí)均方程的SST κ-ω湍流模型封閉N-S方程，對(duì)離散液相采用基于Euler-Lagrange的DPM方法進(jìn)行計(jì)算。

2 求解計(jì)算

采用fluent6.3作為計(jì)算平臺(tái)。

2.1計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域取除霧器單個(gè)工作區(qū)域，板間距分別取20mm、30mm、40mm、50mm。

2.2網(wǎng)格劃分

采用三角形平鋪劃分網(wǎng)格，板間距20mm模型產(chǎn)生3 738個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 934個(gè)單元體；30mm模型產(chǎn)生4 874個(gè)節(jié)點(diǎn)，8 136個(gè)單元體；40mm模型產(chǎn)生5 970個(gè)節(jié)點(diǎn)，10 258個(gè)單元體；50mm模型產(chǎn)生7 017個(gè)節(jié)點(diǎn)，12 282個(gè)單元體。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3邊界條件

（1） 連續(xù)相

進(jìn)口條件：進(jìn)口氣速分別為2m/s、3m/s、6 m/s、7m/s；湍流烈度為5%；出口條件：出口相對(duì)壓力為0；壁面條件：在邊界壁面上，應(yīng)用黏性流動(dòng)無(wú)滑移條件，且無(wú)熱量交換。

（2） 離散相

霧滴物理性質(zhì)：密度取1 225kg/m3，霧滴直徑符合Rosin-Ramm ler分布，最小粒徑為10μm，最大粒徑為80μm，平均粒徑為45μm，分布指數(shù)為5；進(jìn)口條件：進(jìn)口霧滴速度與氣速相同；壁面條件：液滴碰到壁面即被認(rèn)為捕集，不考慮反彈和液膜破裂而產(chǎn)生的二次攜帶。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1氣速對(duì)壓降的影響

圖2～圖5是板間距為30mm，氣速分別為2 m/s、 3 m/s、 6 m/s、 7 m/s時(shí)除霧器的靜壓梯度圖。分析這些靜壓梯度圖可知：進(jìn)口處壓力分布均勻，壓力較高，在第一個(gè)拐彎處的左壁面上壓力達(dá)到最高值，且第一個(gè)拐彎處左側(cè)壁面形成一片高壓區(qū)；第二個(gè)拐彎處右側(cè)壁面形成高壓區(qū)；第三個(gè)拐彎處左側(cè)壁面形成高壓區(qū)，這是由于慣性作用煙氣流入第一個(gè)拐彎處時(shí)偏向右側(cè)，在左側(cè)形成了高壓低速區(qū)。

對(duì)比上述四個(gè)圖進(jìn)口、出口壓力，可得出壓降與氣速的關(guān)系，如圖6所示。由圖中曲線可知，壓降隨氣速的增加而增加，其原因?yàn)闅馑俚脑黾邮沟秒x心力隨之增大，因而產(chǎn)生更大的漩渦，導(dǎo)致壓降迅速增大。

3.2板間距對(duì)壓降的影響

圖7～圖9是氣速為3m/s，板間距分別為20 mm、40mm、50mm時(shí)除霧器的靜壓梯度圖。

由這些靜壓梯度圖及圖3可得出壓降與板間距的關(guān)系，如圖10所示。由圖10中曲線可知，板間距的變化對(duì)壓降的影響并不明顯，表明除霧器板間距對(duì)壓降的影響很小。4 結(jié)論

本文利用CFD應(yīng)用軟件fluent對(duì)折板式除霧器中的兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算分析了除霧器進(jìn)口氣速以及板間距對(duì)除霧器壓降的影響。計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)口氣速對(duì)壓降的影響很大，且壓降隨著氣速的增大而迅速增大。板間距對(duì)壓降的影響不明顯。以上計(jì)算結(jié)果可作為除霧器優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考。

[1]陳凱華，宋存義，等.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中折板式除霧器性能的數(shù)值模擬[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007,1（7）：91-96.

[2]徐淑君，姚征，等.波紋板除霧器兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬與分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,29（3）：275-280.

[3]李文艷，徐妍，等.數(shù)值模擬技術(shù)在濕法脫硫除霧器優(yōu)化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2007（5）：10-14.

[4]李強(qiáng)，陳凱華，趙云生，等.W-FGD中折板式除霧器性能的數(shù)值模擬[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2007，30（3）：58-63.

TQ 05

2010-11-16)

*徐建民，男，1965年生，教授。武漢市，430205。