兩級(jí)組合式除霧器的分離性能分析

王澤龍，王建軍，劉宏宇

（中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東青島266580）

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益凸顯，其中，主要由煤燃燒產(chǎn)生的SO2是空氣污染的主要成分。各燃煤電廠為控制SO2等空氣污染物排放，執(zhí)行國家環(huán)保政策，廣泛采用了脫硫技術(shù)，其中大部分火電廠采取了石灰石-石膏濕法脫硫工藝（WFGD）[1-2]。由于脫硫劑噴淋的作用，脫硫塔內(nèi)會(huì)形成大量粒徑不等的漿液霧滴，若直接排入大氣，會(huì)在火電廠周邊地區(qū)造成“石膏雨”現(xiàn)象[3-6]。因此，各大燃煤電廠在脫硫系統(tǒng)中使用除霧器來減少煙氣中的霧滴攜帶，其性能好壞直接影響到脫硫系統(tǒng)的能耗損失及穩(wěn)定運(yùn)行[7-9]。

目前在工業(yè)上廣泛采用的是板式除霧器，如折流板式、旋流板式除霧器等[10-12]。近年來，學(xué)者們主要利用數(shù)值模擬手段對(duì)其進(jìn)行研究[13-16]，實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。Estakhrsar 等[17]對(duì)折線形除霧器的液滴脫除效率和壓降進(jìn)行數(shù)值模擬研究；滕建鑫等[18]研究了慣性除霧器的分離規(guī)律并通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；王文燕等[19]采用在折流板前加鈍體的方法來使除霧器內(nèi)渦流增強(qiáng)，通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)改進(jìn)前后的除霧器進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后除霧器對(duì)30μm以下霧滴的脫除效率有了很大提高；郭欣欣等[20]對(duì)脫硫裝置用旋流板式除霧器兩相流過程及除霧效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。總體上，前人的研究多集中于單級(jí)板式除霧器性能分析，鮮有多級(jí)、多板形組合式除霧器研究及相互間性能對(duì)比分析。

本文針對(duì)上述問題，加強(qiáng)不同板形除霧器的優(yōu)勢互補(bǔ)，對(duì)兩級(jí)旋流式、組合式、兩級(jí)折流式3種除霧器開展性能研究。通過數(shù)值模擬方法分析除霧器內(nèi)部流場特征，進(jìn)而搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合高速攝影技術(shù)對(duì)液滴在除霧器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行分析，最后對(duì)除霧器分離性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從壓降損失、分離效率、出口液滴粒徑等方面展開對(duì)比分析，為工程開發(fā)高效組合式除霧器提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬結(jié)果

1.1 幾何模型

實(shí)際脫硫塔內(nèi)部為管束式除霧分離裝置，每根單管的入口截面速度、含液率等工況條件基本相同，因此單管的分離性能是影響整體分離性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。本文按實(shí)際尺寸1∶1建立單管研究模型，模型筒體高1.8m，內(nèi)直徑480mm。本文研究中所涉及的折流板、旋流板基本分離元件三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中折流板除霧器，高度170mm，板厚3mm，板間距30mm，夾角分別為120°、99°，除霧器外直徑470mm；旋流板采用直板導(dǎo)葉式旋流板，板厚3mm，除霧器外直徑470mm，高度為135mm，葉片數(shù)18，葉片傾角40°、45°（葉片中平面與水平面夾角），內(nèi)圓柱盲板直徑160mm。

本研究中包括3種形式的除霧器：兩級(jí)折流式除霧器第1 級(jí)折流板夾角為120°，第2 級(jí)夾角為99°；兩級(jí)旋流式除霧器第1 級(jí)旋流葉片傾角為45°，第2 級(jí)傾角為40°；組合式除霧器第1 級(jí)選擇夾角為120°的折流板，第2 級(jí)選擇葉片傾角為40°的旋流板，以組合式為例，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2 所示。采用ICEM CFD 對(duì)3 種形式除霧器進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分，除霧段采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非除霧段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，網(wǎng)格數(shù)量控制在230萬左右。

圖1 基本分離元件結(jié)構(gòu)

圖2 組合式除霧器結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）

1.2 湍流模型與計(jì)算條件

除霧器內(nèi)部為三維復(fù)雜流場，湍流模型選用適合計(jì)算強(qiáng)旋流、精度滿足要求、計(jì)算量相對(duì)較小的RNGk-ε模型[21]。在計(jì)算時(shí)假定除霧器內(nèi)部流動(dòng)為不可壓縮流體的定常三維流動(dòng)[20]，氣相介質(zhì)為20℃空氣，密度為1.205kg/m3，動(dòng)力黏度為1.81×10-5kg/(m·s)，入口截面速度為4.5m/s，出口表壓為0，操作壓力為101325Pa。

1.3 氣相流場模擬結(jié)果分析

如圖3 所示為入口截面速度為4.5m/s 時(shí)，3 種形式的兩級(jí)除霧器氣相速度云圖?？梢钥闯?，兩級(jí)折流式除霧器內(nèi)部流體速度整體變化較為平緩，第2級(jí)折流板由于夾角變小，流體流過板片通道速度增加明顯，氣流攜帶能力增強(qiáng)。

對(duì)于兩級(jí)旋流式除霧器，流體以相對(duì)穩(wěn)定的速度流動(dòng)至導(dǎo)葉迎風(fēng)側(cè)，由于導(dǎo)葉內(nèi)圓柱的阻擋作用，靠近導(dǎo)葉內(nèi)圓柱附近出現(xiàn)流體的低速區(qū)。流體流經(jīng)導(dǎo)葉區(qū)域，由于流通面積減小，導(dǎo)致流體速度增大，導(dǎo)葉區(qū)域?yàn)楦咚賲^(qū)；由于導(dǎo)葉的“造旋”作用，流體被“甩”向筒體壁面，出現(xiàn)近壁面區(qū)域流體速度大，中心區(qū)域速度小的分布，并且在中心存在速度極小值的區(qū)域。當(dāng)流體流出第1 級(jí)導(dǎo)葉后，以螺旋上升形式進(jìn)入第2級(jí)導(dǎo)葉，使除霧器整體呈現(xiàn)四周高速區(qū)中心低速區(qū)的分布。

圖3 入口截面速度4.5m·s-1時(shí)除霧器內(nèi)部氣相速度云圖

對(duì)于組合式除霧器，流體經(jīng)過第1 級(jí)折流板，將實(shí)現(xiàn)慣性預(yù)分離效果，速度出口較為平緩，進(jìn)入第2 級(jí)旋流板后，速度迅速增大，離心力迅速增強(qiáng)，將做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)攜帶液滴至筒體壁面，形成前述分析所述的旋流板速度場分布特征。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與分析方法

在實(shí)驗(yàn)過程中，氣相介質(zhì)為常溫空氣，液相為常溫狀態(tài)下的水[22]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖4 所示，其中動(dòng)力系統(tǒng)采用高壓離心引風(fēng)機(jī)，風(fēng)量調(diào)節(jié)區(qū)間為0～4144m3/h；噴淋系統(tǒng)采用進(jìn)口內(nèi)徑為0.05m 的120°單相空心錐噴嘴，噴淋量范圍為6.188～13.67m3/h，噴淋液滴與氣相形成逆流接觸以模擬脫硫吸收塔內(nèi)真實(shí)工況，通過控制加液泵液相流量與風(fēng)量之間比值來控制液氣比[23]；含液率測量采用等動(dòng)采樣測量法，計(jì)算除霧效率；粒徑分布采用歐美克DP-02 激光粒度儀測量，儀器位置控制在實(shí)驗(yàn)筒體兩側(cè)約200mm 處；壓降測量采用?，擜S510式微壓差計(jì)；采用西努光學(xué)i-SPEED 720高速攝影機(jī)對(duì)除霧器內(nèi)液滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行捕捉。

分離效率采用等動(dòng)取樣法對(duì)除霧器入口、出口進(jìn)行測量，如圖4所示，在保證與模型筒體內(nèi)氣相流速相同的情況下通過真空泵對(duì)筒體內(nèi)氣液兩相進(jìn)行抽吸，一般抽取氣量在2m3，液相通過采樣器內(nèi)濾筒和濾芯進(jìn)行采集，氣相流量通過電磁流量計(jì)進(jìn)行測量。圖5為采樣器，采樣器由漸變采樣嘴、采液穩(wěn)定段、擴(kuò)張減緩段、集液室、一級(jí)采液濾芯、二級(jí)采液濾筒組成。

含液率以式(1)計(jì)算。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 采樣器

式中，H為氣相含液率，g/m3；m0為采樣前采樣器質(zhì)量，g；m1為采樣后采樣器質(zhì)量，g；Q0為采樣前電磁流量計(jì)讀數(shù)，m3；Q1為采樣后電磁流量計(jì)讀數(shù)，m3。

除霧器的總效率以式(2)計(jì)算。

式中，η為除霧器分離效率，%；Hin為除霧器進(jìn)口含液率，g/m3；Hout為除霧器出口含液率，g/m3。

2.2 除霧器內(nèi)部液滴動(dòng)力學(xué)分析

折流板分離原理在于液滴受慣性力的作用撞擊曲折的葉片而被捕集，圖6為通過高速攝影技術(shù)對(duì)液滴在折流板中運(yùn)動(dòng)畫面捕捉，可以看出，液滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與基本分離過程相符，結(jié)合圖3折流板流體速度云圖來看，液滴受氣流的攜帶作用運(yùn)動(dòng)至葉片迎風(fēng)面而被捕集，累積形成液膜，從而實(shí)現(xiàn)除霧分離效果，但當(dāng)入口截面速度不斷增大時(shí)，氣流將剝落液膜再次攜帶液滴逃逸，造成分離效果惡化。

旋流板分離原理在于液滴受離心力作用甩向壁面而被捕集，圖7為高速攝影技術(shù)對(duì)液滴在旋流板中運(yùn)動(dòng)畫面捕捉，進(jìn)入旋流板葉片通道的液滴一部分直接撞擊到導(dǎo)葉外邊緣迎風(fēng)側(cè)，另一部分隨旋轉(zhuǎn)氣流上升，向葉片斜上方邊緣運(yùn)動(dòng)，最后以接近葉片傾角角度向壁面運(yùn)動(dòng)，結(jié)合圖3旋流板流體速度云圖來看，導(dǎo)葉區(qū)域是高速區(qū)，液滴將加速運(yùn)動(dòng)最終甩向筒體壁面形成液膜被捕集；結(jié)合文獻(xiàn)[24]分析來看，流體由于旋流板葉片的導(dǎo)流作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向外的速度，越靠近板片外緣則速度越大，流體從葉片外緣離開直接沖向壁面，液滴實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況與其分析描述相一致。

圖6 高速攝影技術(shù)對(duì)液滴在折流板中運(yùn)動(dòng)畫面的捕捉

圖7 高速攝影技術(shù)對(duì)液滴在旋流板中運(yùn)動(dòng)畫面的捕捉

2.3 兩級(jí)組合式除霧器性能分析

2.3.1 兩級(jí)組合式除霧器阻力特性分析

圖8為除霧器壓降變化曲線圖，可以看出在低氣速2m/s時(shí)，3種形式除霧器壓降較為接近；隨著入口截面速度增加，3 種除霧器壓力損失逐漸增大，且差距不斷擴(kuò)大；對(duì)于兩級(jí)旋流式和組合式除霧器，在入口截面速度3.2m/s和4.9m/s時(shí)，壓降增速產(chǎn)生波動(dòng)，出現(xiàn)兩次提升。整體來看，當(dāng)入口截面速度從2m/s 增加至6.1m/s 時(shí)，兩級(jí)折流式除霧器壓降為132Pa，由于引入旋流分離元件，在強(qiáng)旋流場的作用下組合式除霧器壓降增至211Pa，但仍遠(yuǎn)低于兩級(jí)旋流式除霧器319Pa的壓降。

圖8 兩級(jí)組合式除霧器的壓降隨入口截面速度變化曲線

2.3.2 兩級(jí)組合式除霧器分離效率分析

（1）入口截面速度對(duì)分離效率的影響 圖9為入口液氣比固定在3.66L/m3的情況下，除霧器分離效率隨入口截面速度變化的曲線圖，可以看出當(dāng)入口截面速度低于4.5m/s 時(shí)，3 種形式除霧器分離效率均接近100%，當(dāng)氣速從5.7m/s逐漸增加至6.1m/s時(shí)，組合式除霧器分離效率低于80%，兩級(jí)旋流式除霧器仍保持較高分離效率，而兩級(jí)折流式除霧器分離作用基本失效。原因在于，結(jié)合圖6液滴在折流板內(nèi)運(yùn)動(dòng)行為來看，兩級(jí)折流式除霧器臨界氣速偏低，當(dāng)氣速超過臨界氣速，一方面被分離下來的液滴重新被氣流夾帶上升，另一方面折流板壁面捕集的液膜被剝落，破碎產(chǎn)生更多細(xì)小液滴，導(dǎo)致慣性力減小，速度弛豫時(shí)間減小，更容易由氣流攜帶逃逸；兩級(jí)旋流式除霧器由于較高的臨界氣速使得分離效率下降相對(duì)較小，聯(lián)系圖3除霧器流場分布與圖7液滴運(yùn)動(dòng)行為，其下降原因主要是導(dǎo)葉區(qū)域和筒體近壁面區(qū)域?yàn)楦咚賲^(qū)，氣流剝離板片液膜和筒體壁面液膜而再次夾帶液滴逃逸。

圖9 兩級(jí)組合式除霧器的分離效率隨入口截面速度變化曲線

（2）液相流量對(duì)分離效率的影響 圖10為除霧器分離效率隨液相流量變化曲線，隨液相流量增大，除霧器分離效率呈現(xiàn)下降趨勢。其原因一方面是液相流量增加，氣體持液量增大，導(dǎo)致除霧器負(fù)荷增加，需要分離的液相增多，結(jié)合圖6和圖7液滴運(yùn)動(dòng)行為來看，折流板、旋流板板片及筒體壁面液膜厚度均增加，氣流攜帶液滴產(chǎn)生二次夾帶可能性增加；另一方面液相流量增加，氣液兩相運(yùn)動(dòng)加劇，夾帶的液滴破碎成小液滴可能性增加，不利于分離。從圖10(a)看出，在5.3m/s氣速下3種除霧器分離效率受液相流量影響并不大，當(dāng)液相流量從6.2m3/h 逐步增加至13.7m3/h，3 種形式除霧器分離效率下降率均低于4%。從圖10(b)看出，在高氣速6.1m/s 下，3 種形式的除霧器分離效率隨液相流量增加下降較為明顯，兩級(jí)折流板式除霧器分離作用基本失效，組合式除霧器分離效率降幅接近20%，兩級(jí)旋流式除霧器分離效率仍維持在較高水平，結(jié)合圖9來看，在高氣速、高液相流量下兩級(jí)旋流式除霧器分離效率受影響最小。

圖10 兩級(jí)組合式除霧器的分離效率隨液相流量變化曲線

2.3.3 兩級(jí)組合式除霧器出口液滴粒徑分析

圖11 組合式除霧器出口液滴中位粒徑隨入口截面速度變化曲線

（1）入口截面速度對(duì)出口液滴粒徑的影響 圖11為入口液氣比固定在3.66L/m3的情況下，組合式除霧器出口液滴中位粒徑隨入口截面速度變化曲線。可以看出，當(dāng)入口截面速度小于5.7m/s時(shí)，組合式除霧器出口液滴中位粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，但始終低于入口液滴中位粒徑，同時(shí)小于其余兩種形式除霧器，其對(duì)小粒徑液滴分離效果顯著；兩級(jí)折流式除霧器呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，兩級(jí)旋流式除霧器則是先增大后減小的緩慢變化趨勢。當(dāng)入口截面速度高于5.7m/s 時(shí)，3 種除霧器變化顯著，兩級(jí)折流式和組合式由于超過臨界氣速，第1級(jí)折流板分離性能急劇惡化，其出口產(chǎn)生大量液滴逃逸，同時(shí)氣流夾帶大粒徑液滴增多，進(jìn)入第2級(jí)折流板或旋流板后，造成分離效果惡化，出口液滴中位粒徑驟增。對(duì)于兩級(jí)旋流式，其出口液滴中位粒徑變化相對(duì)平穩(wěn)，結(jié)合圖9也再次證明了其在高氣速下適應(yīng)性較強(qiáng)。

（2）液相流量對(duì)出口液滴粒徑的影響 圖12為兩級(jí)組合式除霧器出口液滴中位粒徑隨液相流量變化的曲線，可以看出，在同一風(fēng)速4.9m/s下，入口液滴中位粒徑隨液相流量增加呈減小趨勢，3種除霧器出口中位粒徑隨液相流量增大總體呈現(xiàn)下降趨勢，且其中組合式出口液滴中位粒徑仍居于最低水平。聯(lián)系圖10，發(fā)現(xiàn)入口液滴中位粒徑隨液相流量增加而變小，小粒徑液滴占比逐漸增加，也是導(dǎo)致除霧器分離效率隨液相流量增加而下降的原因之一。

圖12 組合式除霧器出口液滴中位粒徑隨液相流量變化曲線

3 結(jié)論

（1）液滴在折流板內(nèi)主要受慣性力的作用撞擊葉片累積成液膜而被捕集，在旋流板內(nèi)向葉片斜上方邊緣運(yùn)動(dòng)，以接近葉片傾角角度甩向壁面形成液膜被捕集。

（2）三種除霧器壓降從小到大依次是：兩級(jí)折流式、組合式、兩級(jí)旋流式，隨著入口截面速度增加，壓降損失均逐漸增大，且差值不斷增加，當(dāng)入口截面速度達(dá)6.1m/s 時(shí)，三者壓降依次為132Pa、211Pa、319Pa。

（3）當(dāng)入口截面速度低于5.7m/s時(shí)，兩級(jí)旋流式、組合式除霧器分離效率均接近100%，但兩級(jí)折流式除霧器對(duì)高氣速適應(yīng)性較差，入口截面速度增加至6.1m/s時(shí)，已失去分離效果。當(dāng)液相流量從6.2m3/h 逐步增加至13.7m3/h，在5.3m/s 氣速下3 種形式除霧器分離效率下降率均低于4%；在高氣速6.1m/s 下，3 種形式的除霧器分離效率隨液相流量增加下降較為明顯，兩級(jí)折流板式除霧器分離作用基本失效，兩級(jí)旋流式除霧器在高氣速、高液相流量下適應(yīng)性最強(qiáng)。

（4）當(dāng)入口截面速度小于5.7m/s時(shí)，組合式除霧器出口液滴中位粒徑始終低于入口液滴中位粒徑，同時(shí)小于其余兩種形式除霧器，其對(duì)小粒徑液滴分離效果顯著；在入口截面速度4.9m/s時(shí)，當(dāng)液相流量從6.2m3/h逐步增加至13.7m3/h時(shí)，3種除霧器出口液滴中位粒徑隨液相流量增大總體呈現(xiàn)下降趨勢，其中組合式出口液滴中位粒徑仍居于最低水平。

綜上所述，當(dāng)入口截面速度控制在5.7m/s 以內(nèi)，組合式除霧器實(shí)現(xiàn)了折流板低壓降和旋流板高分離的優(yōu)勢互補(bǔ)，壓降損失、分離效率及對(duì)小粒徑液滴分離能力顯著，今后可對(duì)其著重開展進(jìn)一步研究。