莊繞林，吳成強，郝俊杰，王在良

（1.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學(xué)院，江蘇 省先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室，江蘇 淮安 223003）

0 引言

除霧器是整套脫硫設(shè)備中最重要的組成之一，一般位于脫硫塔的頂部，起到去除煙氣中夾帶的細(xì)小顆粒物的作用，是煙氣排放前處理的重要工序之一。除霧器的原理主要包括重力分離、慣性力分離、離心力分離、過濾分離和靜電分離。如今，工業(yè)上應(yīng)用較為成熟的除霧器主要有：折流板除霧器、旋流板除霧器、絲網(wǎng)除霧器以及靜電除霧器。對以上四類除霧器的性能優(yōu)劣對比見表1。

表1 四類除霧器的綜合性能對比

其中折流板除霧器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、壓力損失小且對較大粒徑的液滴除霧效率高，因而得以廣泛的應(yīng)用。郎方等通過搭建實驗臺對影響波紋板除霧器性能的各個因素實驗研究，歸結(jié)出可分離粒徑、葉片間距以及葉片布置級數(shù)與除霧性能之間的關(guān)系。楊等通過實驗對三種不同布置方式的除霧器進(jìn)行研究，分析氣流速度和布置方式對除霧器性能的影響。為提高小粒徑的液滴除霧效果，本研究對折流板除霧器進(jìn)行改進(jìn)，并對其葉片間距D、轉(zhuǎn)折角度θ進(jìn)行數(shù)值分析。

1 多層折流板除霧器方案設(shè)計

多層折流板除霧器主要包括串并式煙氣排放裝置1、煙氣入口2、集氣口3、第一折流煙氣通道單元4、第二折流煙氣通道單元5、液滴6、廢液收集管7、第一折流板8、第二折流板9，如圖1 所示。當(dāng)除霧器工作時，煙氣以高速從多方向流經(jīng)煙氣入口處，通過集氣口3 開始以串聯(lián)式的方式進(jìn)入到串并式煙氣排放裝置1 中，由于串并式煙氣排放裝置的設(shè)計，大大減少了煙氣的流動空間，使得大量煙氣集中在集氣口3，然后通過并聯(lián)分流的方式分別從集氣口3 左、右兩側(cè)快速進(jìn)入第一折流煙氣通道單元4 和第二折流煙氣通道單元5。

圖1 多層折流板除霧器

當(dāng)煙氣流經(jīng)折流煙氣通道單元上的喇叭形煙氣排放口時，大量煙氣從喇叭形煙氣排放口排出，由于流動空間的驟減，煙氣會以比平常更高的速度從喇叭形煙氣排放口5 噴出，而喇叭形煙氣排放口的位置又相當(dāng)接近除霧器折流板，因此大量的煙氣會直接噴射到折流板上。這就給每段折流板捕捉煙氣中液滴的量得到了巨大的提升。進(jìn)一步地優(yōu)化了除霧器的整體除霧效率。折流板與折流煙氣通道單元外壁上的液滴會在自重作用下流向弧形廢液收集管中，避免長時間停留所造成的腐蝕。

2 數(shù)值求解計算

2.1 模型簡化

如圖2 所示的折流板除霧器的物理模型，其中D為葉片間距，θ為轉(zhuǎn)折角度；H3為轉(zhuǎn)折高度。

圖2 折流板除霧器物理模型

由于多層折流板除霧器工作時，各除霧通道內(nèi)的流動狀態(tài)差別微乎其微，各通道流動狀態(tài)微乎其微，故本研究僅模擬多層折流板除霧器單通道內(nèi)的流場。含有液滴的氣流，在除霧器通道中流動時，在實際工況中是三維粘性流體的復(fù)雜流動，是不穩(wěn)定的、可壓縮的。將流場簡化在合理誤差范圍內(nèi)如下：

（1）因為氣流的馬赫數(shù)遠(yuǎn)低于0.1，所以氣體可視為是不可壓縮的氣體；當(dāng)液滴接觸板的表面時，此時，認(rèn)為液滴被認(rèn)為是捕集的。與此同時，忽略水膜在壁面上撕裂及反彈，不予考慮二次帶水的條件；

（2）由于三維除霧器通道寬度、高度相對較大，且各流動截面相同，因此三維除霧器流場結(jié)構(gòu)可高度簡化為二維；

（3）因為液滴的粒徑較小，故將其視為球體進(jìn)行模擬。因此，本研究不考慮液滴之間的碰撞和液滴的聚集，也不考慮液滴蒸發(fā)、摩擦、撕裂和熱效應(yīng)的影響。

2.2 邊界條件設(shè)置

將密度設(shè)置為1.1 kg·m-3，動力黏度為1.95456×10-5N·s·m-3的空氣。進(jìn)口氣流條件：進(jìn)口氣流速度ux=0，uv=2、3、4、5、6 m·m-1，在進(jìn)口處截面氣速均勻分布。出口條件：出口表壓為零，操作壓力為1.01325×105 Pa。壁面條件：壁面表面粗糙度設(shè)為零，無滑移，且無任何形式的傳熱。

液滴物性參數(shù)：密度為1000 kg·m-3的水，氣流含水量為0.05 kg·m-3；進(jìn)口條件與氣速相同。噴射類型為表面（surface），使液滴在進(jìn)口截面均勻分布。液滴直徑：計算了直徑分別為10、20、30、40μm 的液滴。液滴質(zhì)量流量：由Q= 0.05upL計算，其中液滴速度up，葉片間距L，計算了間隔距離分別為20、26、32 mm 的4 種葉片。壁面條件：選擇捕集（trap）類型，即當(dāng)液滴碰撞到壁面時被認(rèn)為是捕集，且不考慮反彈現(xiàn)象。

2.3 計算工況

根據(jù)除霧器的實際運行情況，對葉片板間距離、氣流速度和液滴直徑選取合適的變量值進(jìn)行計算。計算參數(shù)和值見表2，獲得了各工況下的除霧效率和壓降的變化情況。

表2 計算工況

3 計算結(jié)果與討論

3.1 多層折流板除霧器流場分布

圖3 是多層折流板除霧器內(nèi)部流體速度的云圖，從圖中可以明顯地看出，折流板除霧器內(nèi)各位置流場都相對穩(wěn)定，流速變化不大。在折流板除霧器進(jìn)口，煙氣以勻速進(jìn)入，當(dāng)煙氣經(jīng)過第一道彎口時，氣流往右偏轉(zhuǎn)，此時，右側(cè)區(qū)域流體速度增加，而左側(cè)區(qū)域流體速度較小。當(dāng)煙氣經(jīng)過第二道彎口時，左側(cè)區(qū)域的流體速度增加，成為高速區(qū)，右側(cè)區(qū)域則變?yōu)榱说退賲^(qū)域。通過對整個煙氣運動過程的觀察，可以看出，在兩道彎口處的煙氣速度達(dá)到峰值，但在中間區(qū)域，尤其是靠近折流板壁的區(qū)域，幾乎處于低速狀態(tài)。

圖3 多層折流板除霧器內(nèi)部流體速度云圖

3.2 葉片間距D 對多層折流板除霧效率的影響

郎方年等的實驗如圖4 所示，由圖可以看出，為除霧效率受除霧器間隔距離的影響關(guān)系，隨著葉片間隔距離的增大，除霧效率降低。除霧器進(jìn)出口的壓力損失則隨著葉片間隔距離的增大而減小。

圖5（a）展示了多層折流板除霧器效率受葉片間距的影響。由圖清楚地看出，當(dāng)流速維持不變的情況之下，隨著葉片間距的增大，多層折流板除霧器效率在減小，與圖4 的結(jié)論一致，因此，葉片板間距離在20 mm 時，該距離下的多層折流板除霧器的效率明顯高于葉片間隔距離在26 mm 和32 mm 時，對于小于10μm 的液滴粒徑，葉片板之間的距離對液滴捕集效率的影響很小，并且捕集效率較差。圖5（b）為壓降與葉片板間距離之間的數(shù)值變化關(guān)系，由圖可知，當(dāng)葉片板間距離分別為26 mm、20 mm 時，兩者的壓降的變化范圍相對較小。而當(dāng)多層擋板除霧器葉片板間距離為20 mm 時，具有較小的壓降，且具有較高的除霧效率，所以確定多層擋板除霧器葉片板間距離為20 mm。

綜上所述，由圖4 與圖5（a）（b）的對比可知，當(dāng)流速維持不變時，折流板除霧器的搜集效率隨著葉片間距的增大而降低，且由圖5（a）（b）可知多層擋板除霧器葉片板間距離是20 mm 時，壓降較小，同時具有較高的除霧效率，因此將多層擋板除霧器葉片的板間距離確定為20 mm。

圖4 波紋板脫硫除霧器效率與葉片間距、壓降關(guān)系[2]

圖5 多層折流板除霧器效率與葉片間距、壓降關(guān)系

3.3 轉(zhuǎn)折角度θ 對多層折流板除霧器效率的影響

郎方年等對葉片彎曲弧度做了多種工況下的選擇，并進(jìn)行了大量的實驗?zāi)M，圖6 為繪制結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)葉片彎曲弧度增加時，除霧效率降低。

圖6 葉片彎曲弧度對除霧效率的影響[2]

如上文所述，由于轉(zhuǎn)折角度θ與波紋板脫硫除霧器的葉片彎曲弧度，在一定程度上，成非線性的反比關(guān)系，因此，本研究模擬仿真與郎方年、楊柳等的實驗分析結(jié)論一致，驗證了仿真的正確性。

圖7 列出了多層擋板除霧器在不同角度下的液滴捕集效率，從圖中可以看出，當(dāng)多層折流板除霧器角度30°時，就液滴的捕集效率來說，該角度下的多層擋板除霧器是優(yōu)于其他角度的多層擋板除霧器，對于粒徑在10μm 以下液滴這種情況尤為明顯，轉(zhuǎn)折角度為30°的多層擋板除霧器捕集效果顯然是高于其他角度的多層擋板除霧器。當(dāng)氣體流量達(dá)到2 m/s，且轉(zhuǎn)折角度為大于30°的多層擋板除霧器，此時，對于直徑小于10 μm 的液滴來說，其捕集效率受轉(zhuǎn)折角度θ影響不大，大于10μm的液滴捕集效率隨著流量以及角度的增大而提高。

圖7 不同角度下液滴直徑與除霧效率關(guān)系

3.4 多層折流板與折流板除霧器除霧性能對比

多層折流板與折流板除霧器除霧性能對比，多層折流板除霧器可分離粒徑比折流板除霧器要小，可分離粒徑為10μm，見表3。

表3 多層折流板與折流板除霧器除霧性能對比

4 結(jié)論

（1）多層折流板除霧器內(nèi)部各處位置流場平穩(wěn)，流速均無太大變化。當(dāng)流速始終保持恒定不變時，隨著葉片間距的增大，多層折流板除霧器效率減小，此時，具有較小的壓降，較高的除霧效率。因此，確定多層擋板除霧器的葉片間距為20 mm。

（2）多層擋板除霧器轉(zhuǎn)折角度調(diào)整為30°時，該角度下的多層擋板除霧器液滴捕集效果是明顯優(yōu)于其他角度的多層擋板除霧器，且對于粒徑在10μm 以下液滴來說，其捕集效果要明顯優(yōu)于普通擋板除霧器，且除霧效率90%以上。