被動式除霧器內(nèi)液滴團(tuán)聚氣液分離的數(shù)值模擬

顏浩 陳強(qiáng) 安澤文 張龍龍 王翠蘋

摘要： 針對脫硫塔后煙氣中攜帶著大量水汽問題，本文采用數(shù)值模擬的方法，對除霧器內(nèi)部流場流動及液體分布與團(tuán)聚情況進(jìn)行研究。采用Solidworks軟件，建立葉輪除霧器單元管的三維模型，對新型的被動式葉輪除霧器一個單元管的三維模型進(jìn)行兩相流數(shù)值模擬。同時，為了更好地模擬實(shí)際流動，選用準(zhǔn)確的湍流模型kε模型、群體平衡模型（population banlance model，PBM）和6DOF模型，并選擇SAMPLE算法。模擬結(jié)果表明，煙氣經(jīng)過除霧器時，葉片區(qū)域存在強(qiáng)烈湍流耗散，液滴被旋轉(zhuǎn)氣流拋向壁面，從而實(shí)現(xiàn)液滴團(tuán)聚和氣液分離;除霧器內(nèi)對流體切向速度、液滴顆粒的團(tuán)聚等作用都優(yōu)于固定式葉片，且液滴粒徑較小時更易團(tuán)聚，除霧器單元管內(nèi)除霧效率隨流速增加而提高。該研究為優(yōu)化除霧器結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 被動旋轉(zhuǎn); 葉片除霧器; 液滴團(tuán)聚; 數(shù)值模擬; 除霧效率

中圖分類號： X701; TB126? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

近年來，在電力行業(yè)中濕法煙氣脫硫系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，濕法脫硫可以有效的控制SO2等氣態(tài)污染物排放，但是在脫除SO2的同時，煙氣中會夾帶大量飽和水汽，除少量從煙囪底部凝結(jié)排出，大部分液滴隨煙氣從煙囪頂部排出。液滴的排放會造成其溶解攜帶的PM2.5等粒子污染物增加，同時液滴夾帶是造成石膏雨的重要原因，所以脫除煙氣中攜帶的細(xì)小液滴非常必要[17]。目前，國內(nèi)常用的電廠除霧設(shè)備主要有折流板型、離心式型及正在推廣使用的濕式電除塵。根據(jù)霧滴的碰撞和粘附等原理，攜帶液滴的煙氣經(jīng)過密集的折流板時，煙氣在彎曲管道內(nèi)流動產(chǎn)生的離心力使氣液分離，液滴黏附在板面上形成很薄的液膜，經(jīng)重力作用緩慢流到集液槽中，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離[810]，但是這種板式除霧器對小于5 μm，甚至更小的細(xì)霧無法有效地去除。為保證除霧效率，對攜帶液滴煙氣的速度有一定限制，當(dāng)超過臨界氣速時，因?yàn)槎螉A帶使脫霧效率降低[1113]。離心式除霧器在洗滌器內(nèi)部設(shè)置葉片使氣流旋轉(zhuǎn)，一種是葉片固定，氣流從葉片縫隙穿過，形成旋流;另一種是葉片不固定，通過電機(jī)驅(qū)動使葉片旋轉(zhuǎn)。由于電驅(qū)動式阻力小，可提供比較大的圓周速度，其除霧效率比固定式高。但由于其提升除霧效率主要是提高能耗獲得，且這兩種除霧器不能根據(jù)風(fēng)速同步調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速，所以當(dāng)風(fēng)速波動較大時，除霧效果會明顯降低[1417]?；诖耍疚奶岢鲆环N新型自旋轉(zhuǎn)葉輪除霧器，葉輪由氣流的流動帶動旋轉(zhuǎn)，從而增強(qiáng)除霧效果，且不需要其他額外動力。通過Solidworks建立新型除霧器的單元管三維模型，選取適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型及恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)，對除霧器單元管內(nèi)氣液兩相流動、液顆粒的碰撞、粘附以及液滴的團(tuán)聚等進(jìn)行數(shù)值模擬，并對其氣液分離性能進(jìn)行初步預(yù)測。該研究為優(yōu)化除霧器結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

1 除霧器物理模型的建立

采用Solidworks軟件，建立葉輪除霧器單元管的三維模型，尺寸設(shè)計(jì)參照離心式除霧器的類比設(shè)計(jì)。葉片為被動式旋轉(zhuǎn)。葉片的扇形與中心線成一定角度，該夾角即為葉片夾角，新型除霧器單元管的物理模型如圖1所示。

該模型直徑200 mm，長300 mm，內(nèi)部進(jìn)水管直徑20 mm。在除霧器的每個單元管中，葉片數(shù)量m=18，葉片與水平夾角，即仰角為20°。以上幾何參數(shù)的選擇主要考慮如下幾點(diǎn)：

1） 葉片形狀為平板扇形，葉片的扭曲角為0°，這是考慮在實(shí)際過程中，制造、加工及建模的方便[18]。

2） 葉片仰角的經(jīng)驗(yàn)值為20°～ 30°，由于該除霧器為被動旋轉(zhuǎn)，所以取仰角為最小值20°，以提高葉輪轉(zhuǎn)速。

3） 葉片數(shù)量，在旋流板除霧器設(shè)計(jì)中，根據(jù)氣液負(fù)荷與開孔面積，通常取24片或18片，考慮攜帶液滴量不太大，所以取18片，以減小氣液穿過時的流動阻力。

4） 葉片的徑向角度取零，有利于旋流強(qiáng)度的增加及氣液分離。

2 除霧器單元管內(nèi)液滴團(tuán)聚與氣液分離的模擬

2.1 除霧器單元管內(nèi)流場的簡化與假設(shè)

除霧器性能受內(nèi)部流動規(guī)律和液滴分離規(guī)律的制約。在除霧器中，由于攜帶液滴的煙氣葉片間的流動較為復(fù)雜，為了提高計(jì)算效率，可在允許的誤差范圍內(nèi)對模型進(jìn)行簡化。

1） 本文的模擬以空氣代替煙氣，進(jìn)入除霧器的煙氣流速較小，一般為3～8 m/s，可把氣體視為理想氣體。

2） 在理想情況下，煙氣的流動參數(shù)不隨時間變化，故流動可視為定常流動。

3） 模擬計(jì)算以水滴代替漿液滴，除霧器內(nèi)液滴占煙氣體積分?jǐn)?shù)較小，粒徑較?。ㄒ旱蔚闹睆綖槲⒚准墸?，但由于要考慮細(xì)小液滴因氣流攜帶，通過葉片時發(fā)生旋轉(zhuǎn)而團(tuán)聚成較大液滴，使液滴的直徑發(fā)生變化，因此液滴間的相互作用不可忽略。

4） 在分析過程中，考慮氣體流動對顆粒的粘性作用，忽略其反作用。

2.2 數(shù)學(xué)模型的選取

已有的對旋流的計(jì)算，多是在固定容器內(nèi)發(fā)生簡單的旋風(fēng)分離。本文模擬的是混合氣流沿管道進(jìn)入除霧器，受到葉片的阻力而推動葉片轉(zhuǎn)動，同時葉片帶動氣流由平行流動變?yōu)樾?，使液滴在垂直于軸線的方向上做離心運(yùn)動，從而產(chǎn)生離心力將液滴甩向壁面，在重力作用下沿壁面緩慢流下來;并且強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動使液滴與液滴、葉片之間發(fā)生劇烈的撞擊，由于分子間的相互作用力，使液滴團(tuán)聚在一起，變?yōu)檩^大顆粒，更容易甩到壁面，從而脫除霧滴。為了更好地模擬實(shí)際流動，需要選擇準(zhǔn)確的湍流模型。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)kε模型

目前，湍流模型主要包括標(biāo)準(zhǔn)kε模型、RNG模型、標(biāo)準(zhǔn)kω模型、雷諾應(yīng)力模型、SpalartAlmaras模型等。為了適應(yīng)復(fù)雜多變的模擬環(huán)境，本文選用標(biāo)準(zhǔn)kε模型，模擬液滴顆粒因劇烈旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的團(tuán)聚作用。

2.2.2 群體平衡模型（PBM）

在考慮粒徑分布的兩相體系中，氣體和液滴的粒徑分布會隨著兩相體系的反應(yīng)和傳遞現(xiàn)象的發(fā)生而變化。因此，不僅要考慮能量、動量和質(zhì)量守恒，還需要添加一個可以描述粒子平衡的方程，即群體平衡模型。離散法中的非均一離散法可以應(yīng)用于多個離散粒子群，調(diào)用不同的相速度，將顆粒群的粒徑范圍離散為有限的粒徑間隔。本文采用非均一離散法，模擬計(jì)算各相的粒徑分布。

液滴的團(tuán)聚主要包括庫倫團(tuán)聚、熱團(tuán)聚、布朗團(tuán)聚和湍流團(tuán)聚。由于本研究中的顆粒為電中性，庫倫團(tuán)聚不加考慮;同時，熱團(tuán)聚對整個過程中團(tuán)聚影響較小，故忽略，因此只考慮湍流團(tuán)聚和布朗團(tuán)聚，自行編譯液滴團(tuán)聚的用戶自定義函數(shù)（user definefunction，UDF）進(jìn)行模擬計(jì)算。研究的液滴顆粒粒徑為微米級別，可視為自由分子區(qū)，此時布朗團(tuán)聚核為

2.2.3 6DOF模型

本文研究被動式葉輪的旋轉(zhuǎn)，邊界運(yùn)動規(guī)律是未知的，在動網(wǎng)格計(jì)算中，網(wǎng)格變化需要多次調(diào)整，并且這類運(yùn)動是由內(nèi)部流動造成涉及到力和力矩的變化。對于此問題，在Fluent中采用6DOF模型進(jìn)行計(jì)算，6DOF即六自由度模型，一般用于解決被動網(wǎng)格問題，涉及力和力矩的計(jì)算。利用模型時需要確定運(yùn)動部件的重量、3個方向的轉(zhuǎn)動慣量及慣性矩、重心坐標(biāo)等，以上參數(shù)的獲取可通過Solidworks軟件獲得，在模擬時加入自行編譯的被動型動網(wǎng)格UDF進(jìn)行計(jì)算。

2.3 初始條件與邊界條件的設(shè)定

初始條件與邊界條件設(shè)定如下：

1） 進(jìn)、出口相對壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2） 進(jìn)口速度為5 m/s。

3） 進(jìn)口氣體中液滴所占的體積分?jǐn)?shù)為5%。

4） 液滴粒徑按大小分為6組，分別為Bin1～Bin6等級，其中Bin5設(shè)置為1，即煙氣進(jìn)入除霧器時的初始液滴粒徑為均勻的1 μm，進(jìn)入后經(jīng)過團(tuán)聚，可能粒徑增長為Bin1（10 μm），Bin2（6.6 μm），Bin3（4.7 μm），Bin4（2.6 μm），也有可能破碎為Bin6（0.3 μm）。而設(shè)為初始液滴粒徑為5 μm時，則Bin1（50 μm），Bin2（34 μm），Bin3（21 μm），Bin4（12 μm），也有可能破碎為Bin6（2.7 μm）。

5） 選擇示蹤粒子液滴數(shù)量為1 000。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 被動式葉輪除霧器內(nèi)部流場分布及固定式除霧器的對比

除霧器內(nèi)，被動式除霧器切向的速度分布如圖2所示?；旌蠚庖簝上噙M(jìn)入除霧器時平行向前流動，可以看做管內(nèi)層流流動，當(dāng)氣流向前流動時，由于遇到葉片的阻力而轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈的湍流流動，并改變流動方向旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。由圖2可以看出，軸線平面上的切向速度梯度分布，而且由于葉片的作用，使靠近壁面處的混合氣流速度增大，更利于攜帶液滴對壁面的碰撞和粘連，在壁面形成水膜匯集沿壁面流下，則實(shí)現(xiàn)了除霧的目的。攜帶液滴示蹤粒子軌跡如圖3所示，由圖3可以看出，混合氣流在經(jīng)過葉片后呈旋流前進(jìn)，在垂直軸線的平面上，混合氣流繞軸心作離心運(yùn)動，并產(chǎn)生離心力，有利于氣液分離。固定式除霧器切向速度分布如圖4所示。

由圖4可以看出，大部分液滴在穿過葉輪后，被動式葉輪下的切向速度比固定式葉輪大。切向速度越大，則液滴受到的離心力越大，因而有利于液滴粒子向容器壁面轉(zhuǎn)移，對強(qiáng)化液滴與液滴、壁面間的碰撞非常有利，這是液滴在相鄰葉片之間的縫隙繞流時獲得的切向速度，而自由式葉輪又受到氣流沖撞，旋轉(zhuǎn)時對氣流施加反作用，在葉片的帶動下獲得更大的切向速度，利于氣液分離。同時，被動式葉輪對氣流的阻力比固定式葉片小。

由圖3中顆粒的運(yùn)動軌跡可以看出，前進(jìn)過程中粒徑較大的顆粒易于被甩向壁面，同時較小的顆粒之間發(fā)生相互碰撞，在各種力的作用下進(jìn)行布朗團(tuán)聚與湍流團(tuán)聚，更易于提高除霧效率。

3.2 固定式及被動式葉片液滴粒徑分布

固定式葉片液滴粒徑分布如圖5所示，被動式葉片液滴粒徑分布如圖6所示。由圖5和圖6可以看出，相同粒徑的液滴進(jìn)入除霧器，在通過葉輪后，粒徑逐漸增大。但被動自由式葉輪的液滴粒徑比固定式葉片的粒徑更大，且大顆粒所占比例更高，這是因?yàn)闅饬髟谕ㄟ^被動自由式葉輪時的擾動更加強(qiáng)烈，而形成更強(qiáng)的旋流，加劇液滴間的碰撞，使液滴間的湍流團(tuán)聚與布朗團(tuán)聚增強(qiáng)，更易形成較大粒徑的液滴顆粒，從而被甩向容器壁面完成氣液分離，說明新型被動自由式除霧器在增強(qiáng)旋流程度及液滴團(tuán)聚方面更具優(yōu)勢。

3.3 新型除霧器的模擬計(jì)算

對不同粒徑大小及不同流速下的新型除霧器進(jìn)行模擬計(jì)算，了解不同工況下的液滴分離效果及影響氣液分離的因素。當(dāng)液滴粒徑為1 μm和5 μm時，進(jìn)入除霧器的初始粒徑液滴團(tuán)聚后顆粒粒徑分布如圖7所示。

由圖7可以看出，當(dāng)初始液滴為1 μm時，流過葉片后Bin6 和Bin5 等所占比例比5 μm粒徑時要小，并且Bin2和Bin1等較大粒徑液滴顆粒所占比例比粒徑為5 μm時要大，說明初始小粒徑液滴的氣體在經(jīng)過旋流運(yùn)動時，容易發(fā)生湍流團(tuán)聚與布朗團(tuán)聚，形成更大粒徑的液滴，從而被壁面收集，這也反映了被動葉輪除霧器可以更好的脫除較小液滴，具有優(yōu)異的除霧性能。

當(dāng)初始粒徑為1 μm，流速分別為5 m/s和8 m/s時，流經(jīng)葉片后液滴體積分布如圖8所示。

由圖8 b可以看出，在8 m/s流速下，Bin6和Bin5等小粒徑所占體積分?jǐn)?shù)更小，Bin3，Bin2和Bin1等較大粒徑所占比例加大，說明液滴粒徑整體呈現(xiàn)向較大粒徑轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)槿肟跉饬鞯脑龃螅谷~輪被動旋轉(zhuǎn)更快，同時葉輪對氣流旋流的反作用更強(qiáng)，容器內(nèi)部呈現(xiàn)劇烈的湍流耗散，使細(xì)小液滴之間的相互碰撞更加激烈，因而大大增強(qiáng)了湍流團(tuán)聚效果，把小液滴團(tuán)聚成較大液滴，更利于液滴脫離氣流在壁面匯集，實(shí)現(xiàn)除霧作用。

4 結(jié)束語

本文通過對固定式和被動自由式葉輪除霧器單元管內(nèi)流場進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析了本課題組提出的被動自由式葉輪除霧器除霧的特性。由除霧器內(nèi)部流場可以看出，液滴群的最大切向速度在管內(nèi)壁面附近，氣流穿過葉輪發(fā)生明顯的旋流運(yùn)動，有利于液滴群間的碰撞和團(tuán)聚;通過對比兩種除霧器除霧計(jì)算結(jié)果，被動自由式葉輪在液滴的切向速度和團(tuán)聚作用上都優(yōu)于固定式葉輪除霧器，驗(yàn)證了新型除霧器的除霧效率更高;當(dāng)初始液滴粒徑分別為1 μm和5 μm時，粒徑較小的液滴更容易發(fā)生團(tuán)聚，形成較大顆粒而分離脫除;將不同初始流速5 m/s和8 m/s進(jìn)行比較，流速越大，流經(jīng)葉輪后液滴的團(tuán)聚效果越好，使氣液分離的效率更高。該研究為除霧器設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

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