基于數(shù)值研究的折線型除霧器葉片的優(yōu)化設(shè)計

洪文鵬，董世平，馬軍輝

(1.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2.安徽皖能電力運營檢修有限公司，合肥 230094)

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基于數(shù)值研究的折線型除霧器葉片的優(yōu)化設(shè)計

洪文鵬1，董世平1，馬軍輝2

(1.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2.安徽皖能電力運營檢修有限公司，合肥 230094)

摘要：：除霧器是燃煤火力發(fā)電廠濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中的重要設(shè)備，它對系統(tǒng)的正常運行有著至關(guān)重要的意義。依據(jù)氣液兩相流體力學的基本理論，對折線型除霧器應(yīng)用FLUENT計算軟件進行內(nèi)部流場、除霧效率和工作壓降的數(shù)值模擬。通過改變梯形折線型除霧器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(板間距、上底尺寸)和工作參數(shù)(進口氣流速度)，模擬氣液兩相流場。計算結(jié)果表明，三角形葉片對壓降的影響比梯形葉片大；隨著板間距的逐漸增大，除霧效率趨于下降趨勢；在不同的進口氣流速度和板間距下，上底尺寸為40 mm時除霧效率最佳。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流；除霧器；除霧效率；壓降

當前，在眾多大氣污染物中，二氧化硫已成為工業(yè)生產(chǎn)的主要污染物之一，其主要來自石油、煤炭燃料和天然氣的燃燒過程。二氧化硫的危害普遍存在于動植物和建筑物中，并且也是形成“酸雨”的主要原因[1]。因此，我國許多工廠都在利用安裝尾部煙氣脫硫裝置來減小二氧化硫的排放，其中濕法煙氣脫硫裝置在燃煤火力發(fā)電廠中最為常見。然而，在煙氣通過濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的過程中，含有二氧化硫的煙氣通過石灰石-石膏漿液后，會存在氣液共存的現(xiàn)象，玷污腐蝕設(shè)備，影響機組正常運行[2]。如果液滴不能有效分離而隨凈煙氣一同排放，還會形成煙囪“降雨”污染工廠周邊環(huán)境，這種現(xiàn)象被稱之為“石膏雨”，給工業(yè)生產(chǎn)帶來很大的安全隱患。

除霧器是安裝在脫硫裝置上方的一種氣液分離器。在工業(yè)生產(chǎn)中折線型除霧器葉片是濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中最為常見的葉型，它的原理主要是根據(jù)除霧器葉片彎道所產(chǎn)生的慣性力來實現(xiàn)煙氣與漿液的分離，液滴顆粒在慣性力的作用下，不能及時隨凈煙氣改變流向而被葉片壁面捕集[3]。因此，合理優(yōu)化除霧器葉片，提高除霧效率對減少環(huán)境污染和系統(tǒng)正常運行有著非常重要的意義。

計算機技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)值模擬變得方便快捷，其中周期短、成本低和信息充分是數(shù)值模擬技術(shù)的顯著特點[4]，通過FLUENT軟件我們可以更精準、更可靠的模擬出內(nèi)部流場情況。因此，本文利用CFD技術(shù)對除霧器內(nèi)部流場進行模擬，探尋上底尺寸、氣流速度和板間距對除霧器脫硫效率和壓降的影響，以便得到最佳的上底尺寸值，為今后除霧器葉片的優(yōu)化打下結(jié)實的基礎(chǔ)。

1數(shù)學模型

在濕法煙氣脫硫塔中除霧器葉片按照分層排列并且每層都是以相同的除霧器葉型水平并列排放，每兩個葉片構(gòu)成一個除霧通道如圖1所示。因此，我們只需選擇一個通道來建立模型即可滿足整個系統(tǒng)的模擬研究[5]。在現(xiàn)實工作過程中，除霧器內(nèi)部流場是一種非定常的、三維的、可壓縮黏性流體的流動場。由于計算復(fù)雜多變，所以我們在不超出誤差允許的范圍下對模型做了如下簡化來提高模擬速度：

(1)流場簡化為二維，氣體簡化為不可壓縮氣體；

(2)液滴形狀固定為規(guī)則球體，并且液滴之間不發(fā)生碰撞和聚合現(xiàn)象；

(3)液滴數(shù)量不變，不蒸發(fā)不消失；

(4)液滴碰到葉片即捕集，到達出口水平線即視為逃逸；

(5)不計二次夾帶，沒有能量交換。

綜合考慮以上簡化條件，本文對氣相采用RNGk-ε湍流模型，并將改進的SIMPLE算法用到速度場和壓力場的耦合計算中。離散格式壓力選擇標準，動量、湍動動能、湍流耗散率都選擇二階迎風。對液滴相采用基于歐拉-拉格朗日方法的DPM模型進行計算[6]。

圖1 脫硫塔結(jié)構(gòu)圖2 除霧器模型

2求解計算

2.1計算區(qū)域

計算區(qū)域取除霧器的單個工作區(qū)域如圖2所示，上底尺寸h分別取50 mm、40 mm、30 mm、20 mm、10 mm、0 mm，板間距b分別取20 mm、26 mm、38 mm。

2.2網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域的網(wǎng)格元素為Tri(三角形)，生成方式為Pave(平鋪成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)，網(wǎng)格尺寸為0.6 mm。計算區(qū)域考慮邊界層的影響，近壁面網(wǎng)格選擇四邊形結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，邊界層第一層所占比例20%，增長因子1.2，一共5層[7]。在本文模擬的工況下，計算網(wǎng)格數(shù)在2.8×104以上，確保了除霧效率、進出口壓降基本不受網(wǎng)格數(shù)的影響。

2.3計算條件

(1) 連續(xù)相

進口條件：進口速度分別為uy=2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s，湍流烈度為5%；出口條件：出口相對壓力為Pout=0；壁面條件：靜止、無速度滑移、絕熱。

(2) 離散相

離散相介質(zhì)為水滴，密度大小為998 kg/m3，離散相液滴在進口平面上進入的速度大小與空氣相同。液滴顆粒的噴射類型為surface(表面)，在進口截面均勻分布。液滴直徑選取Rosin-Rammler分布，取最小粒徑dmin為10 μm，最大粒徑dmax為80 μm,平均粒徑d為45 μm，分布指數(shù)為5。壁面條件選擇trap(捕集)類型，不計反彈和二次夾帶[8]。

2.4計算工況

根據(jù)除霧器實際運行狀況，對每種參數(shù)選擇了合適的變量值進行計算。計算工況詳情見表1所示，本文對表中各參數(shù)組合共108種工況進行了模擬計算，得到了在同等板間距和氣流速度下，上底尺寸對除霧效率和壓降的影響。

表1　計算工況

2.5模型驗證

利用與參考文獻[9]中采用的煙氣流速、板型尺寸和霧滴粒徑等參數(shù)作為驗證模型，如圖3所示。除液滴粒徑為16.3 μm時對除霧效率的影響較大外，其余液滴粒徑對除霧效率的影響基本吻合，驗證了本研究所建模型的準確性。

圖3　模擬值與參考值除霧效率對比

3計算結(jié)果及分析

除霧器性能的衡量指標基本有兩個，即除霧效率和壓降，其性能好壞決定除霧設(shè)備的安全性。除霧效率越低，表明除霧器出口氣體所帶的液滴含量越高，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟型和安全性，更有可能使系統(tǒng)停機。壓降越大，表明系統(tǒng)能耗越大，這些耗能增加了系統(tǒng)耗電量[10]。在不同進氣流速和板間距下，通過改變梯形上底尺寸，模擬上底尺寸對除霧效率和除霧器壓降的影響，得到最佳的上底尺寸，便于優(yōu)化除霧器葉片結(jié)構(gòu)。

3.1計算區(qū)域的流場分析

圖4為板間距20 mm、進口氣流速度3 m/s的速度云圖。從圖4中可以看出，隨著上底尺寸逐漸減小，高速區(qū)通道變短，梯形上底轉(zhuǎn)彎部位內(nèi)側(cè)低速區(qū)減小、外側(cè)低速區(qū)聚集增大。由于速度越大，產(chǎn)生的離心力越大，越有利于液滴被捕集；所以高速通道越長，除霧效率越大。在上底尺寸為50 mm、40 mm、30 mm時，梯形上底部位上部轉(zhuǎn)彎處高速區(qū)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，并且隨上底尺寸的增加斷裂現(xiàn)象越明顯，故脫硫效率并不是隨著梯形除霧器上底尺寸的增加而增大。

圖4　板間距20 mm，速度3 m/s速度云圖

3.2上底尺寸對壓降的影響

壓降指煙氣通過除霧器彎曲通道時所產(chǎn)生的進出口壓力損失。除霧器壓降主要分為除霧器轉(zhuǎn)折處局部阻力損失和通道沿程阻力損失。如圖5所示，除霧器進口壓力分布均勻，且壓力較高，梯形上底部位右側(cè)靜壓比左側(cè)靜壓高，這是由于此時流道偏向左側(cè)，在右側(cè)形成了一個高壓區(qū)，并且隨著上底尺寸的減小，高壓區(qū)聚合。從圖6可知，壓降隨著進口氣流速度的增加而增大；并且，當上底尺寸為0 mm即為三角形除霧器時，在各氣流速度下，壓降最大。當葉型為梯形時，壓力降變化不大，所以梯形除霧器葉片的壓降比三角形除霧器葉片的壓降小。

圖5　20 mm板間距靜壓云圖

圖6　20 mm氣流速度對壓降的影響

圖7　不同氣流速度下板間距對除霧效率的影響

3.3板間距對除霧效率的影響

在不同進口氣流速度下，葉片板間距對除霧效率的影響如圖7所示。隨著除霧器板間距的增大，除霧效率減小。這是由于葉片板間距的增大，使得流體在除霧通道中的通流面積變大，液滴對氣流的跟隨性變好，液滴不易被捕捉，從而使除霧器效率降低?？v向來看，在同一板間距下，隨著氣流速度的增大，除霧效率變大。這是由于氣流速度越大，慣性力就越大，既而致使液滴易于偏向葉片壁面而被捕捉。

3.4上底尺寸對除霧效率的影響

圖8為氣流速度4 m/s時不同上底尺寸下的粒子軌跡圖。當上底尺寸增大時，液滴與壁面的接觸面積相對變大，從而使除霧效率增大，當上底尺寸為0 mm時，氣流急速轉(zhuǎn)彎，慣性力變大，所以除霧效率也增大。圖9為板間距20 mm，進口流速在2 m/s-5 m/s時，除霧器上底尺寸對除霧效率的影響圖。由圖9可知，在不同的進口流速下，隨著上底尺寸的增大，除霧效率是先減小后增大，然后再減小的過程。在這個過程中出現(xiàn)了兩個最高點，分別為上底尺寸0 mm和40 mm。由圖6可知，當上底尺寸為0 mm時，壓力降太大，所以不予以考慮。因此，在不同的進口氣流速度和板間距下，上底尺寸為40 mm時，除霧效率最佳。

4結(jié)論

本文運用了CFD技術(shù)對梯形折線型除霧器內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，計算得到了計算工況下除霧器的除霧效率和進出口壓降，并且分析了各個影響因子對除霧效率和壓降的影響，著重計算并分析了梯形上底尺寸對除霧效率和壓降的影響。計算結(jié)果表明，除霧效率和壓降隨氣流速度的增大而變大，然而隨著板間距的增大除霧效率逐漸降低。當上底尺寸為0 mm(三角形板型)時對壓降的影響較大，但是在其它不同上底尺寸下梯形折線型葉片對壓降的影響不大。梯形上底尺寸對除霧效率的影響是先減小后增大，然后又減小的趨勢。在上底尺寸為0 mm和40 mm時，分別出現(xiàn)了峰值。從經(jīng)濟性考慮，上底尺寸為0 mm時不予以考慮。從實踐性考慮，以上計算結(jié)果可作為梯形折線型除霧器葉片優(yōu)化設(shè)計的參考。

圖8 不同上底尺寸下的粒子軌跡圖圖9 板間距20mm梯形上底尺寸對除霧效率的影響

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Optimal Design for the Broken Line Demister Baffle with Numerical Stream Simulation

HONG Wen-peng1，DONG Shi-ping1，MA Jun-hui2

(1.Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Dali University，Jilin Jilin 132012；2.Anhui Wennergy Power Operation and Maintenance Co.,Ltd，Hefei 230094)

Abstract：Demister is an important equipment in wet flue gas desulfurization system of the coal-fired power plant，it has a vital significance on the normal operation of the system.According to the basic theory of gas liquid two phase fluid mechanics，analyzing the folded line demister uses FLUENT calculation software for internal flow field，demisting efficiency and pressure drop of numerical simulation.By changing the structural parameters of the folding line typical demister (plate spacing，up-bottom size) and working parameters (the import air velocity) simulation of gas liquid two phase flow field.The results show that the triangular blade’s influence on the pressure drop is greater than trapezoid blade；With the increase of plate spacing，demisting efficiency declines；Under different inlet air velocity and plate spacing，demisting efficiency based on the size of 40mm is the best.

Key words：Gas-liquid flow；Mist eliminator；Demister efficiency；Pressure drop

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：洪文鵬(1970-)，男，遼寧省綏中市人，東北電力大學能源與動力工程學院教授，博士，主要研究方向：鍋爐煙氣脫硫技術(shù)及應(yīng)用.

文章編號：1005-2992(2016)02-0067-05

中圖分類號：X701.3

文獻標識碼：A