旋流板除霧器數(shù)值研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

梁雪琪 ，呂文豪 ，李凱華 ，行 宇 ，冷 健 ，陳興業(yè)

（1.西安航天動力研究所，西安 710100；2.西安航天源動力工程有限公司，西安 710100）

0 引言

近年來，許多脫硫工程投資和運行費用較高，為了提高系統(tǒng)經(jīng)濟性不再設(shè)置管式換熱器（GGH）。去除GGH系統(tǒng)后的脫硫系統(tǒng)在中國北方寒冷的冬季運行時，由于環(huán)境溫度低，系統(tǒng)煙氣中水蒸氣的冷凝量增大，常出現(xiàn)煙囪雨的現(xiàn)象，即煙囪排出的煙氣中含有一定量液體，出口煙氣中液體體積分?jǐn)?shù)達到一定量時，具有腐蝕性的酸性液滴落到地面，污染周圍生態(tài)環(huán)境，影響周圍居民生活，也不利于農(nóng)作物生長［1-9］。

為改善脫硫除塵工程中的除霧特性，國內(nèi)外眾多研究者對旋流板除霧器的氣液分離過程進行了研究，并采取了相應(yīng)措施。大部分研究人員通過結(jié)構(gòu)改造緩解煙囪雨問題［10-12］，如福建某公司發(fā)明一種煙囪排水裝置［13］，即在煙囪頂部的周側(cè)裝有擋水環(huán)板，旋流器下方設(shè)有環(huán)形接水槽，上方的筒壁上開設(shè)有捕液縱向縫口，外周壁上設(shè)有用于收集液滴的斷面呈槽型的密封罩，用于改善旋流板后的二次攜帶問題。瑞典Munters公司也研究開發(fā)了一種新型煙囪和旋流板結(jié)構(gòu)［14］，即在旋流板和煙囪之間設(shè)置空腔，用于將捕集的甩至壁面的液滴導(dǎo)出，該方案提高了氣液分離特性。華能楊柳青電廠四期2×300 MW采用DFG—LCS液體收集系統(tǒng)技術(shù)［15］，即設(shè)置一種酸液收集系統(tǒng)，防治濕煙囪煙囪雨。還有部分研究人員通過在煙囪內(nèi)壁加電伴熱帶加熱濕煙囪防治煙囪雨［16］。

通過結(jié)構(gòu)改造解決煙囪雨問題的方案多適用于工程設(shè)計階段，而對于已建成，運行中存在問題的工程，可實現(xiàn)性很低。雖然加熱也是一種通用的處置方式，但其能耗高，經(jīng)濟性較差，不具備較大的應(yīng)用前景。

本文針對已運行且存在煙囪雨問題的工程項目，以某石化化肥廠鍋爐煙氣超低排放改造項目的旋流板為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，對原結(jié)構(gòu)的煙氣空氣動力場進行了數(shù)值研究，并從抑制煙氣二次攜帶霧滴的角度進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

1.1 基本假設(shè)

為了簡化計算，本文對旋流板除霧的物理過程進行以下簡化：（1）煙氣在煙囪內(nèi)流動過程為降溫冷凝過程，由于該冷凝過程溫度變化較小，近似忽略物性隨著溫度的變化，取煙氣的特征溫度為50 ℃，在該溫度下取其熱物性。（2）塔內(nèi)的煙氣成分主要有 SO2，NOx，O2，CO2，N2，水蒸氣，液態(tài)水，粉塵等，按照CEMS測得的組分占比進行計算，其余煙氣成分認(rèn)為為N2計其密度。（3）對煙囪和旋流板結(jié)構(gòu)進行合理簡化。（4）假設(shè)碰撞至四周壁面的液滴即被壁面捕捉。

1.2 物理模型

該項目煙囪內(nèi)徑為3.8 m，滿負(fù)荷煙氣流量為550 000 Nm3/h，在60%負(fù)荷下的流量為330 000 Nm3/h。實際運行中，鍋爐常運行在60%負(fù)荷下，因此，本文以在60%負(fù)荷下的旋流板和煙囪模型為研究對象，對旋流板的氣液分離特性和阻力特性進行數(shù)值分析。

1.3 網(wǎng)格劃分

對旋流板和煙囪物理模型（見圖1）求解域進行網(wǎng)格劃分，采用多面體網(wǎng)格，求解域的網(wǎng)格如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)為130萬，葉片附近的流體域網(wǎng)格放大示意如圖3所示。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

圖2 求解域網(wǎng)格示意Fig.2 Schematic diagram of solution domain mesh

圖3 葉片附近網(wǎng)格示意Fig.3 Schematic diagram of the mesh near the blade

2 數(shù)學(xué)模型及計算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 氣液兩相流動模型

FLUENT軟件中的離散項模型，即DPM，常用于模擬噴霧狀的分散項體積分?jǐn)?shù)小于10%的兩相流。為研究并提升旋流板結(jié)構(gòu)的氣液分離特性和阻力特性，采用DPM模型對旋流板的氣液分離效果進行仿真。

離散相模型涉及的連續(xù)性方程和動量守恒方程分別為：

顆粒運動方程為［17］：

求解域中充滿煙氣，入口邊界噴射液滴。根據(jù)相關(guān)研究，該入口邊界噴入的液滴粒徑為rosin-rammler分布，該分布函數(shù)當(dāng)液滴粒徑大于0.30 mm時，液滴會掉落下來；當(dāng)液滴粒徑小于0.05 mm時，液滴會隨煙氣逃逸，因此，認(rèn)為液滴粒徑分布范圍為 0.05～0.30 mm［18-20］，假設(shè)平均粒徑為0.10 mm。

2.1.2 湍流模型

煙囪內(nèi)的實際氣相流動為三維湍流，脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，旋流板附近的流動處于穩(wěn)態(tài)，因此進行湍流穩(wěn)態(tài)計算。

氣相采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，離散方法采用有限體積法，壓力場與速度場的耦合方法選取SIMPLE算法計算，采用全隱式差分算法，差分格式均為二階迎風(fēng)格式。

2.2 邊界條件

對于DPM模型，入口和出口的邊界條件為escape，旋流板壁面的邊界條件為reflect，認(rèn)為液滴碰到壁面即隨壁面流下，因此墻壁的邊界條件為trap。

脫硫塔入口處含液量為5 mg/m3，從脫硫塔出口至旋流板入口，煙氣溫度從50.9 ℃降低至50.4 ℃，每1 kg干煙氣冷凝出5.136 g水，60%負(fù)荷運行時，煙氣流量為330 000 m3/h，在該煙氣流量下，冷凝出的液滴量為0.389 5 kg/s。因此，入口噴射流量取0.389 5 kg/s。

對于湍流模型，入口邊界采用速度入口，由于實際運行很少運行在滿負(fù)荷，按照60%負(fù)荷進行計算，煙氣入口流速為8.1 m/s。出口采用壓力出口邊界條件，其他邊界均認(rèn)為是無滑移固壁。

2.3 物性參數(shù)

取50 ℃的煙氣密度和動力黏度近似作為該物理過程的煙氣物性，密度為0.91 kg/m3，動力黏度為 2.1×10-5Pa·s。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣液分離特性分析

圖4示出了x=0、y=0和旋流板底面3個坐標(biāo)平面的速度分布云圖。由圖可以看出，經(jīng)過旋流氣動裝置之后，煙囪內(nèi)煙氣流速呈現(xiàn)中間低流速、近壁面高流速的趨勢，壁面附近煙氣最大流速達到21.0 m/s。

圖4 求解域速度云圖Fig.4 Velocity nephogram of solution domain

追蹤不同直徑的顆粒，為便于觀察，將顆粒數(shù)目縮小100倍，顆粒直徑放大500倍顯示，如圖5所示。由圖可以看出，液滴經(jīng)過旋流板后，在離心力的作用下螺旋上升，較大直徑的液滴經(jīng)過旋流板后，很快碰到煙囪內(nèi)壁，而直徑很小的液滴則經(jīng)過更多螺旋才碰到煙囪內(nèi)壁，部分小液滴從煙囪出口逃逸。經(jīng)過統(tǒng)計，經(jīng)過該旋流板裝置后，有部分液滴被過濾掉，煙囪出口煙氣含液量為36 mg/m3。

圖5 不同直徑顆粒追蹤Fig.5 The particle tracing map for various diameters

3.2 阻力特性分析

求解域壓力分布云圖如圖6所示，從圖可以看出，在旋流板處發(fā)生壓力突變，從求解域入口至出口的壓力損失為542 Pa。

圖6 求解域壓力云圖Fig.6 The pressure nephogram of the solution domain

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

相關(guān)研究表明：當(dāng)煙氣流速為18.7～19.8 m/s時，液膜向下流動，形成表面波浪，偶爾有液滴從表面再度滲入；當(dāng)煙氣流速為21.4～25.9 m/s時，少量或無液膜向下流動，液滴從整個表面再度滲入；當(dāng)煙氣流速大于27.4 m/s，液膜向上流動，液滴再度滲入隨著煙氣流速增加而減少［21］。

由圖4可以看出，采用傳統(tǒng)旋流板結(jié)構(gòu)進行煙氣的氣液分離，在60%負(fù)荷工況下，煙囪內(nèi)壁附近煙氣流速過大，約20.3 m/s，易出現(xiàn)煙囪壁面的液膜被壁面附近高速流動的煙氣攜帶向上流動的現(xiàn)象，二次攜帶降低氣液分離效果，使得煙囪出口含液量較大。

為降低煙囪壁面煙氣流速，解決二次攜帶問題，對旋流板結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，如圖7所示的優(yōu)化結(jié)構(gòu)B，該結(jié)構(gòu)對旋流板進行縮徑設(shè)計，直徑由3.7 m縮小至3.1 m，旋流板葉片最大直徑圓周處的外筒加高至1.6 m。其中外筒壁面上均布至少一層捕液狹縫，數(shù)目為32，傾角為45°，兩層捕液狹縫分布位于距離旋流板底部平面0.8 m和1.35 m 2個平面處。其中外筒的高度根據(jù)圖5大部分液滴螺旋上升的螺距和安裝施工可行性確定。在外筒上方設(shè)計有傾角為45°的導(dǎo)流錐，最大直徑為3.31 m。

圖7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)BFig.7 The optimal structure B

為進一步提高氣液分離效率，降低煙囪壁面的煙氣流速，在結(jié)構(gòu)B的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化，在外筒和導(dǎo)流錐之間設(shè)計寬度為80 mm的擋液環(huán)板，環(huán)板上均勻布置有8個角度為19.28°，寬為30 mm的扇形槽，即結(jié)構(gòu)C，如圖8（a）所示。擋液環(huán)板用于攔截被高速流動的煙氣二次攜帶向上的液滴，其上均布的扇形槽用于導(dǎo)液，如圖8（b）所示。

圖8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)C主視和俯視圖Fig.8 The front view and top view of optimal structure C

4.2 流動特性對比

為研究2種新結(jié)構(gòu)的流動特性，即結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C對二次攜帶的抑制作用，對這2種結(jié)構(gòu)進行數(shù)值仿真。環(huán)板上表面邊界條件取trap類型，外筒內(nèi)壁邊界條件采用reflect類型。2種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的速度云圖分別如圖9，10所示。

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)B速度云圖Fig.9 The velocity nephogram of the optimal structure B

圖10 優(yōu)化結(jié)構(gòu)C速度云圖Fig.10 The velocity nephogram of the optimal structure B

對比圖4，9，可以看出，結(jié)構(gòu)B在外筒和導(dǎo)流錐處，流體逐漸擴散至煙囪內(nèi)壁，使得煙囪內(nèi)壁附近的氣相流速有所降低。對比圖9，10，可以看出，結(jié)構(gòu)C在外筒上端部內(nèi)側(cè)加設(shè)帶有扇形導(dǎo)液槽的擋流環(huán)板，使速度核心區(qū)向軸心推移，進一步降低煙囪壁面附近煙氣流速。

原結(jié)構(gòu)A和優(yōu)化構(gòu)B，C的壓力損失和壁面附近最大流速對比見表1。

表1 3種結(jié)構(gòu)的壓損和壁面煙氣最大流速Tab.1 The pressure loss and peak velocity near the wall of the three structures

由表1中的數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)C壁面附近煙氣最大流速與結(jié)構(gòu)A相比，降低14.7%，代價是壓損增大8.4%。

4.3 葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

旋流板的葉片數(shù)目和安裝角度是對旋流板氣液分離特性影響最大的因素之一，因此在結(jié)構(gòu)C的基礎(chǔ)上，為進一步確定最合適的葉片數(shù)目和葉片角度，研究葉片數(shù)目和安裝角度對旋流板除霧特性的影響。

根據(jù)石油化工設(shè)計手冊［22］，旋流板葉片仰角選取范圍為22.5°～30°。當(dāng)葉片旋流板外徑＞1 m時，葉片數(shù)m不小于24個。因此，取設(shè)計手冊規(guī)定范圍的葉片數(shù)目和角度，研究其對氣液分離特性和壓損的影響，并取得最優(yōu)值。

對比表2的6種結(jié)果，可以看出當(dāng)葉片傾角為30°時，結(jié)構(gòu)C1和C4的出口含液量較高，約為26°的3倍，約為22°的30倍；而當(dāng)葉片傾角為22°時，結(jié)構(gòu)C3和C6的壓損過大，超過1 100 Pa。方案C2和C5的壁面附近煙氣最大流速基本一致，C5的出口液滴含量更低，因此結(jié)構(gòu)C5可行性最高。

表2 氣液分離和壓損特性隨葉片角度和數(shù)目的變化Tab.2 The separation of gas and liquid and the pressure loss characteristic with the blade angle and number

圖11，12分別示出了葉片數(shù)目為28和32片時，煙囪壁面附近煙氣最大流速、壓損和出口液滴含量隨著葉片傾角的變化。

圖11 煙氣流速隨葉片傾角的變化Fig.11 Curve of glue-gas velocity with the blade angle

由圖11可以看出，在文獻［27］推薦的旋流板葉片仰角范圍22.5°～30°內(nèi)，煙囪壁面附近煙氣最大流速近似隨著葉片傾角線性變化；由圖12可以看出，隨著葉片傾角的增大，壓損減小的速度趨于平緩，出口液滴含量的加速增大。

圖12 壓損和出口含液量隨葉片傾角的變化Fig.12 Curve of pressure loss and the liquid mass at outlet with the blade angle

最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)C5的尺寸參數(shù)為：外筒直徑3.1 m，高度1.6 m；葉片數(shù)目32，葉片傾角26°。

由于系統(tǒng)負(fù)荷變化對氣液分離特性和阻力特性的影響巨大，對優(yōu)化結(jié)構(gòu)在其他負(fù)荷下的氣液分離特性和阻力特性進行研究。工況為40%，80%，100%負(fù)荷下的壓損和經(jīng)過旋流板后壁面附近煙氣流速見表3。

表3 氣液分離和壓損特性隨負(fù)荷的變化Tab.3 Curve of gas-liquid separation and pressure loss characteristic with the load

單相流動的壓損隨著流速，即負(fù)荷，呈平方關(guān)系變化。在圖13的兩相流中，壓損隨著負(fù)荷的增長速率高于單相流，這是因為兩相流中的氣液兩相的摩擦損耗增大了流動阻力；另外，經(jīng)過旋流板后煙囪壁面附近煙氣流速近似隨著負(fù)荷線性增大，雖然入口流速隨著負(fù)荷增大，旋流板的除霧特性增強，但二次攜帶特性也隨之增強，因此出口液滴含量可能增大。

圖13 壓損和壁面附近流速隨負(fù)荷的變化Fig.13 Curve of pressure loss and velocity near the wall with the load

5 結(jié)論

（1）對旋流板進行一定程度的縮徑，采用高度為1～2倍液滴螺距的外筒，外筒上分布有捕液狹縫，外筒上方設(shè)計有導(dǎo)流錐，帶有均布導(dǎo)液槽的擋液環(huán)板連接導(dǎo)流錐和外筒，該結(jié)構(gòu)與原旋流板結(jié)構(gòu)相比可有效降低煙囪壁面附件煙氣流速14.7%，從而削弱煙氣流速過大時的二次攜帶作用，代價為壓損增大8.5%。

（2）旋流板葉片仰角在22.5°～30°范圍內(nèi)變化時，煙囪壁面附近煙氣最大流速近似隨著葉片傾角線性變化，葉片仰角在該范圍內(nèi)每變化4°，壁面附近煙氣最大流速增大10.2%；而隨著葉片傾角的增大，壓損減小的速度趨于平緩，出口液滴含量增大的速度逐漸加快。

（3）該氣液兩相流動過程中，壓損隨著負(fù)荷的增長速率高于單相流；經(jīng)過旋流板后煙囪壁面附近煙氣流速近似隨著負(fù)荷線性變化。

（4）不同結(jié)構(gòu)的出口液滴含量計算結(jié)果受DPM模型的簡化限制、也受入口液滴粒徑和分布影響，因此計算結(jié)果僅作為各結(jié)構(gòu)氣液分離效果的橫向?qū)Ρ?，在不同?fù)荷下的對比僅作為定性參考。