除霧器內(nèi)二次攜帶液滴的數(shù)值模擬*

張 博， 鞏時尚， 何遠正

(中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司, 西安 710032)

目前工業(yè)應用中，濕法煙氣脫硫系統(tǒng)大多采用折流板除霧器[1-2]。某電廠折流板除霧器出口的煙氣含有一定量的石膏漿液：一方面是該類除霧器對粒徑較小的液滴脫除效率較低，甚至不能脫除；另一方面是煙氣流過該類除霧器時發(fā)生二次攜帶。對于前者，大多通過對除霧器加裝鉤片、排液槽等來提高除霧效率，解決較小粒徑液滴脫除率低的問題[3-5]；對于后者，國內(nèi)外的研究較少，且相關研究資料匱乏。計算流體力學(CFD)技術在除霧器性能的預測和流動分析方面有著絕對優(yōu)勢，并且液膜流動方向與氣流流動方向垂直，使液膜在流場中的運動具有三維三相特征[6-7]。

筆者采用數(shù)值模擬對除霧器二次攜帶液滴的機理進行分析，并對板壁液膜厚度分布及二次攜帶發(fā)生位置進行研究，提出了相應改善措施。

1 機理分析

液滴在除霧器內(nèi)的運動見圖1。

圖1 二次攜帶液滴的機理

一部分液滴隨著氣流流動通過彎曲的折板通道；另一部分液滴會與板壁相互碰撞，使得除霧器內(nèi)產(chǎn)生二次攜帶液滴。筆者分析認為除霧器內(nèi)二次液滴可能有4種來源：(1)液滴在除霧器內(nèi)流動，氣流對液滴產(chǎn)生過大的剪切力而使得液滴破碎；(2)液滴在除霧器內(nèi)流動，撞擊到葉片上的液膜而發(fā)生飛濺；(3)液膜存在于除霧器葉片，除霧器中氣流過大的剪切力造成液膜剝落；(4)液膜在除霧器葉片上流動，流至葉片轉(zhuǎn)角因其慣性而發(fā)生液膜分離。

對于第1種情況，液滴是由于氣體產(chǎn)生的氣動力而發(fā)生破碎，可根據(jù)液滴韋伯數(shù)Wed判斷，當Wed>13時，氣流中的液滴將破碎。Wed定義為：

Wed=ρg(ug-ud)2D/σ

(1)

式中：ρg為氣體密度，kg/m3；ug為氣體速度，m/s;ud為液滴速度，m/s；σ為液滴的表面張力，N/m2；D為液滴直徑，m。

對于第2種情況，液滴撞擊壁面的過程根據(jù)液滴撞擊能量和壁面溫度的不同可產(chǎn)生粘附、反彈、鋪展、飛濺。這4種結(jié)果也可根據(jù)Wed來判斷，其判別式同式(1)。當Wed<5時，液滴粘附；當5C時，液滴飛濺。因為粘附和鋪展是液膜的成因，只有當壁面溫度高于液滴沸騰溫度時，液滴才會發(fā)生反彈，而筆者進行的數(shù)值模擬為冷態(tài)，所以不會產(chǎn)生液滴反彈，因此僅當發(fā)生飛濺時才會發(fā)生二次攜帶液滴，即需要Wed與C的比大于1。

(2)

f=udn/D

式中：ρd為液相密度，kg/m3；f為單個液滴撞擊壁面的頻率，Hz；μd為水的動力黏度，N·s/m2；udn為液滴碰壁法向速度，m/s。

假設udn=ud，ug為0，并對Wed/C進行變換，可以得到：

(3)

式中：Red為液滴雷諾數(shù)。

對于第3種情況，當氣體流過薄膜表面時，足夠大的剪切速度會使薄膜的表面形成Kelvin-Helmholtz波，并逐漸增強，最終會從薄膜表面剝落出液滴[8]。Nakao T等[9]認為液膜剝落可根據(jù)液膜韋伯數(shù)Wef判定，當Wef>1.5時，液膜就會剝落出液滴。Wef的判別式為：

(4)

式中：c為波速，m/s；h為液膜厚度，m。

對于第4種情況，具有較高慣性的液膜流過轉(zhuǎn)角時，在離心力和表面張力的作用下，可能會發(fā)生液膜分離[10]。FLUENT軟件中給出液膜分離的條件：液膜慣性大于臨界值(由用戶定義)，面之間的角度足夠大，即Wef大于臨界Wef(由用戶定義)和面角度超過臨界角度。FLUENT軟件中面臨界角度缺省值為20°，而楊雪龍等[6]對已有資料整理和總結(jié)后得到：

(5)

式中：hc為臨界液膜厚度，m；R為轉(zhuǎn)角曲率半徑，m。

當h>hc時，液膜才會脫落，所以要求：

(6)

2 計算模型

2.1 模型幾何尺寸及網(wǎng)格劃分

模擬計算幾何模型見圖2，其截面詳細尺寸由文獻[11]提供并標注在圖中。由于液膜在流場中運動具有三維三相特性，并且歐拉壁面液膜模型僅限三維條件下使用，因此將二維平面幾何體縱向拉伸50 mm形成三維幾何體。筆者采用ICEM將全局劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，近壁區(qū)劃分邊界層網(wǎng)格，第一層高度為0.03 mm，共6層。網(wǎng)格增長率為1.2，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)增至45 000時，計算單相結(jié)果不隨網(wǎng)格數(shù)發(fā)生變化。

圖2 幾何模型尺寸圖

2.2 計算條件

連續(xù)相是介質(zhì)密度為1.225 kg/m3、動力黏度為1.789 4×10-5N·s/m2的空氣。入口氣流速度分別取3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s，出口邊界條件設為壓力出口，出口壓力為大氣壓力。操作壓力為1.013 25×105Pa，壁面粗糙度為0，絕熱、無滑移[12]。

離散相是介質(zhì)密度為998 kg/m3、動力黏度為1.003×10-3N·s/m2、表面張力為0.071 94 N/m2的水，氣流中水的質(zhì)量濃度為0.05 kg/m3。給定液滴進口速度與氣流速度相同，噴射類型為Surface，且液滴在入口截面上均勻分布。液滴直徑選取Rosin-Rammler分布，最小粒徑為10 μm，最大粒徑為80 μm，平均粒徑為45 μm，分布指數(shù)為5[13]，壁面條件選擇Wall-film。

歐拉壁面液膜模型：在FLUENT軟件模型選項中勾選Eulerian Wall Film，并將臨界韋伯數(shù)更改為0.15，其他項目保持默認；在邊界條件中勾選Wall-film，其余保持缺省值。

2.3 模型驗證

根據(jù)文獻[11]提供的實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，以驗證模型的正確性。模擬中分為未考慮二次攜帶液滴和考慮二次攜帶液滴，未考慮二次攜帶時壁面的離散相邊界條件設為Trap，考慮二次攜帶液滴時壁面的離散相邊界條件設為Wall-film，并勾選Eulerian Wall Film。實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的除霧效率基本吻合，而當氣流速度大于6 m/s時，未考慮二次攜帶液滴的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果出現(xiàn)較大差距(見圖3)。

圖3 除霧效率的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比

3 結(jié)果分析

3.1 液滴來源

對于第1情況，可以假設ug-ud取最大氣流速度為9 m/s，平均粒徑取最大粒徑為80 μm，計算可得Wed為0.98，小于13，所以液滴在氣流中運動不會產(chǎn)生破裂；而對于第2種情況，液滴撞擊壁面的過程中，二次攜帶的液滴主要來源于液滴的飛濺。Wed與C的比為0.01，小于1，因此除霧器內(nèi)不會產(chǎn)生液滴飛濺。另外，在CFD計算的過程中飛濺數(shù)值也為0，模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果相吻合。氣流速度為6 m/s時，剝落數(shù)值為0，分離數(shù)值為2；而當氣流速度增大到8 m/s時，剝落和分離的數(shù)值分別為26和1 651，數(shù)值相對較大。綜上所述，除霧器內(nèi)二次攜帶液滴來源于液膜的剝落和分離。

圖4和圖5分別給出了除霧器左、右板面在不同氣流速度u下液膜厚度的分布圖。

圖4 除霧器左板面在不同氣流速度下的液膜厚度分布

圖5 除霧器右板面在不同氣流速度下的液膜厚度分布

從圖4可以看出：隨著氣流速度不斷增大，左板面上液膜不斷增厚，A區(qū)、B區(qū)的板面交界處局部液膜厚度較高，并沿板壁逐漸變薄。攜帶液滴的氣流進入除霧器，由于受慣性作用，大部分液滴會碰撞到A區(qū)、B區(qū)的左板面，并且受氣流剪切力作用，液膜產(chǎn)生橫向流動。

從圖5可以看出：隨著氣流速度增大，C區(qū)、D區(qū)的右板面液膜逐漸增厚和擴大，但當氣流速度達到6 m/s時，液膜厚度達到最大，再繼續(xù)增大氣流速度，液膜厚度反而逐漸變小，并且出現(xiàn)壁面“短接”現(xiàn)象。這與文獻[11]中的實驗結(jié)果相符，間距為26 mm除霧器的臨界速度為6.12 m/s，這也再一次證明了該模型的正確性。由于C區(qū)、D區(qū)接近除霧器出口，過高的氣流速度產(chǎn)生過大相間剪切力使得液膜出現(xiàn)較大面積的剝落和液膜分離，液膜剝落破碎和分離產(chǎn)生二次液滴再次進入流場，從而影響了除霧性能。

3.2 液膜破裂

圖6、圖7給出了除霧器左、右板面不同氣流速度下液膜發(fā)生二次攜帶液滴的現(xiàn)象。

圖6 除霧器左板面二次攜帶液滴質(zhì)量流量分布

圖7 除霧器右板面二次攜帶液滴質(zhì)量流量分布

從圖6和圖7中可以看出，隨著氣流速度增大，除霧器板面不同地方相繼出現(xiàn)了液膜的分離和剝落。除霧器左板面發(fā)生二次攜帶液滴較為嚴重的地方是B區(qū)與C區(qū)的交界處，而右板面較為嚴重的地方是A區(qū)與B區(qū)、D區(qū)與E區(qū)的交界處。

主要原因是：

(1) 該區(qū)域的轉(zhuǎn)角曲率半徑較大，要使Wef減小，此處液膜的厚度就得減小，所以該區(qū)域就易產(chǎn)生液膜的分離；

(2) 該區(qū)域剛好處于除霧器的彎道處，此處氣流速度比其他處大，易產(chǎn)生過大的剪切力，使得液膜發(fā)生剝落破碎。

3.3 加裝鉤片

圖8、圖9分別給出了不同氣流速度下，加裝單鉤片、加裝雙鉤片和未加裝鉤片的二次攜帶液滴的對比。

圖8 當u=7 m/s時的二次攜帶液滴質(zhì)量流量分布

圖9 當u=8 m/s時的二次攜帶液滴質(zhì)量流量分布

從圖8和圖9中可以看出：與未加裝鉤片的葉片相比，加裝單鉤片僅在除霧器出口處發(fā)生二次攜帶液滴，而加裝雙鉤片出口處略微二次攜帶液滴。加裝鉤片對除霧器內(nèi)的二次攜帶液滴有了很大改善，在普通折板式除霧器原來易發(fā)生二次攜帶液滴處，二次攜帶液滴已經(jīng)消失或減輕，而加裝雙鉤片后，除霧器出口處的二次攜帶液滴也得到了很大改善。分析其原因為加裝鉤片對壁面附近的氣流流動有一定的阻礙作用，使得靠近壁面處氣流速度減小，液膜受到的剪切力變小，液膜的剝落也隨之減弱；但由于加裝鉤片使得流道的有效流通截面積減小，所以主流區(qū)速度反而增大，根據(jù)顆粒動力學原理，離心力與速度的三次方成正比從而產(chǎn)生更大的慣性力，使得更多液滴與壁面發(fā)生碰撞而被捕集。另外，鉤片的安裝位置都在液膜最容易分離的地方，因此加裝鉤片后，鉤片對液膜的流動產(chǎn)生了阻擋，使得液膜更難發(fā)生分離了。綜上所述，增加鉤片后可以增大除霧器的效率，同時可以減輕除霧器內(nèi)二次攜帶液滴的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

(1) 含有液滴的煙氣進入除霧器，會在除霧器壁面形成不同厚度的液膜，主要在A區(qū)、B區(qū)的左板面和C區(qū)、D區(qū)的右板面；且隨著入口煙氣流速度的增大，液膜厚度增大，但當氣流速度增大到7 m/s時，C區(qū)、D區(qū)右板面厚度開始變薄，并出現(xiàn)“短接”現(xiàn)象，即除霧器內(nèi)發(fā)生二次攜帶液滴。

(2) 除霧器內(nèi)二次攜帶液滴主要來源于液膜的剝落和分離。隨著氣流速度增大，除霧器內(nèi)轉(zhuǎn)角曲率半徑較大處易產(chǎn)生液膜分離；轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)較大的剪切力，易造成液膜的剝落。

(3) 通過對比模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加裝鉤片對除霧器內(nèi)二次攜帶液滴有一定的改善作用。鉤片阻礙了液膜的流動，使得液膜在轉(zhuǎn)角處更難發(fā)生分離；加裝的鉤片減小了壁面附近處氣流速度，使得液膜受到的剪切力變小，降低了液膜剝落的概率。