洪文鵬，董世平，馬軍輝

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.安徽皖能電力運(yùn)營(yíng)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(jì)

洪文鵬1，董世平1，馬軍輝2

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.安徽皖能電力運(yùn)營(yíng)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(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的意義。依據(jù)氣液兩相流體力學(xué)的基本理論，對(duì)折線型除霧器應(yīng)用FLUENT計(jì)算軟件進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)、除霧效率和工作壓降的數(shù)值模擬。通過(guò)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(jìn)口氣流速度)，模擬氣液兩相流場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果表明，三角形葉片對(duì)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(shì)；在不同的進(jìn)口氣流速度和板間距下，上底尺寸為40 mm時(shí)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(dāng)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(lái)自石油、煤炭燃料和天然氣的燃燒過(guò)程。二氧化硫的危害普遍存在于動(dòng)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(guó)許多工廠都在利用安裝尾部煙氣脫硫裝置來(lái)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(jiàn)。然而，在煙氣通過(guò)濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的過(guò)程中，含有二氧化硫的煙氣通過(guò)石灰石-石膏漿液后，會(huì)存在氣液共存的現(xiàn)象，玷污腐蝕設(shè)備，影響機(jī)組正常運(yùn)行[2]。如果液滴不能有效分離而隨凈煙氣一同排放，還會(huì)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(lái)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(jiàn)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(lái)實(shí)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(shí)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(duì)減少環(huán)境污染和系統(tǒng)正常運(yùn)行有著非常重要的意義。

計(jì)算機(jī)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(diǎn)[4]，通過(guò)FLUENT軟件我們可以更精準(zhǔn)、更可靠的模擬出內(nèi)部流場(chǎng)情況。因此，本文利用CFD技術(shù)對(duì)除霧器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，探尋上底尺寸、氣流速度和板間距對(duì)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(shí)的基礎(chǔ)。

1數(shù)學(xué)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?jī)蓚€(gè)葉片構(gòu)成一個(gè)除霧通道如圖1所示。因此，我們只需選擇一個(gè)通道來(lái)建立模型即可滿足整個(gè)系統(tǒng)的模擬研究[5]。在現(xiàn)實(shí)工作過(guò)程中，除霧器內(nèi)部流場(chǎng)是一種非定常的、三維的、可壓縮黏性流體的流動(dòng)場(chǎng)。由于計(jì)算復(fù)雜多變，所以我們?cè)诓怀稣`差允許的范圍下對(duì)模型做了如下簡(jiǎn)化來(lái)提高模擬速度：

(1)流場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維，氣體簡(jiǎn)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(dá)出口水平線即視為逃逸；

(5)不計(jì)二次夾帶，沒(méi)有能量交換。

綜合考慮以上簡(jiǎn)化條件，本文對(duì)氣相采用RNGk-ε湍流模型，并將改進(jìn)的SIMPLE算法用到速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的耦合計(jì)算中。離散格式壓力選擇標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)量、湍動(dòng)動(dòng)能、湍流耗散率都選擇二階迎風(fēng)。對(duì)液滴相采用基于歐拉-拉格朗日方法的DPM模型進(jìn)行計(jì)算[6]。

圖1 脫硫塔結(jié)構(gòu)圖2 除霧器模型

2求解計(jì)算

2.1計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域取除霧器的單個(gè)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(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格元素為T(mén)ri(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(jì)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(zhǎng)因子1.2，一共5層[7]。在本文模擬的工況下，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)在2.8×104以上，確保了除霧效率、進(jìn)出口壓降基本不受網(wǎng)格數(shù)的影響。

2.3計(jì)算條件

(1) 連續(xù)相

進(jìn)口條件：進(jìn)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(duì)壓力為Pout=0；壁面條件：靜止、無(wú)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(jìn)口平面上進(jìn)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(jìn)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(jì)反彈和二次夾帶[8]。

2.4計(jì)算工況

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

表1　計(jì)算工況

2.5模型驗(yàn)證

利用與參考文獻(xiàn)[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(yàn)證模型，如圖3所示。除液滴粒徑為16.3 μm時(shí)對(duì)除霧效率的影響較大外，其余液滴粒徑對(duì)除霧效率的影響基本吻合，驗(yàn)證了本研究所建模型的準(zhǔn)確性。

圖3　模擬值與參考值除霧效率對(duì)比

3計(jì)算結(jié)果及分析

除霧器性能的衡量指標(biāo)基本有兩個(gè)，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(jì)型和安全性，更有可能使系統(tǒng)停機(jī)。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(jìn)氣流速和板間距下，通過(guò)改變梯形上底尺寸，模擬上底尺寸對(duì)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(jì)算區(qū)域的流場(chǎng)分析

圖4為板間距20 mm、進(jìn)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(zhǎng)，除霧效率越大。在上底尺寸為50 mm、40 mm、30 mm時(shí)，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(duì)壓降的影響

壓降指煙氣通過(guò)除霧器彎曲通道時(shí)所產(chǎn)生的進(jìn)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(jìn)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(shí)流道偏向左側(cè)，在右側(cè)形成了一個(gè)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(jìn)口氣流速度的增加而增大；并且，當(dāng)上底尺寸為0 mm即為三角形除霧器時(shí)，在各氣流速度下，壓降最大。當(dāng)葉型為梯形時(shí)，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(duì)壓降的影響

圖7　不同氣流速度下板間距對(duì)除霧效率的影響

3.3板間距對(duì)除霧效率的影響

在不同進(jìn)口氣流速度下，葉片板間距對(duì)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(duì)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。縱向來(lái)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(duì)除霧效率的影響

圖8為氣流速度4 m/s時(shí)不同上底尺寸下的粒子軌跡圖。當(dāng)上底尺寸增大時(shí)，液滴與壁面的接觸面積相對(duì)變大，從而使除霧效率增大，當(dāng)上底尺寸為0 mm時(shí)，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(jìn)口流速在2 m/s-5 m/s時(shí)，除霧器上底尺寸對(duì)除霧效率的影響圖。由圖9可知，在不同的進(jìn)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(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)了兩個(gè)最高點(diǎn)，分別為上底尺寸0 mm和40 mm。由圖6可知，當(dāng)上底尺寸為0 mm時(shí)，壓力降太大，所以不予以考慮。因此，在不同的進(jìn)口氣流速度和板間距下，上底尺寸為40 mm時(shí)，除霧效率最佳。

4結(jié)論

本文運(yùn)用了CFD技術(shù)對(duì)梯形折線型除霧器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算得到了計(jì)算工況下除霧器的除霧效率和進(jìn)出口壓降，并且分析了各個(gè)影響因子對(duì)除霧效率和壓降的影響，著重計(jì)算并分析了梯形上底尺寸對(duì)除霧效率和壓降的影響。計(jì)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(dāng)上底尺寸為0 mm(三角形板型)時(shí)對(duì)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(duì)壓降的影響不大。梯形上底尺寸對(duì)除霧效率的影響是先減小后增大，然后又減小的趨勢(shì)。在上底尺寸為0 mm和40 mm時(shí)，分別出現(xiàn)了峰值。從經(jīng)濟(jì)性考慮，上底尺寸為0 mm時(shí)不予以考慮。從實(shí)踐性考慮，以上計(jì)算結(jié)果可作為梯形折線型除霧器葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)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(jiǎn)介：洪文鵬(1970-)，男，遼寧省綏中市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)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(hào)：1005-2992(2016)02-0067-05

中圖分類號(hào)：X701.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A