一种具有负荷适应性的波纹板除雾器

洪文鹏

(东北电力大学能源与动力工程学院)

目前，大部分火力发电厂脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，取消了气气热交换器(Gas Gas Heater，GGH)装置，直接将净烟气从烟囱排出，形成湿烟囱排放方案。无GGH装置的脱硫系统投产后，虽然有效避免了GGH的堵塞问题，但由于无烟气再热措施，排烟温度较低，烟气自烟囱口排出后不能有效地抬升、扩散到大气中，烟气中携带的粉尘和液滴聚集在烟囱附近，落到地面形成石膏雨或出现酸雨现象。近年来，大型火电机组参与电网调峰，而现有的固定结构除雾器难以适应负荷大幅波动带来的烟气流量的剧烈突变，容易导致除雾效率下降。因此，分析除雾器在不同烟气流量下的性能，研究提高除雾效率的方法具有重要的理论与现实意义。

笔者以湿法烟气脱硫系统中带钩波纹板除雾器为研究对象，采用数值模拟技术求解钩片直段长度H、钩片圆弧段半径r及钩片圆弧段转折角度β等因素对除雾器性能的影响[1]。提出了一种钩片偏转角度可调的高效带钩波纹板除雾器。采用数学建模及数据拟合等方法，建立机组负荷及燃料成分等参数与除雾器钩片偏转角度的关系[2]，并在此基础上提出了除雾器的优化运行方法。

1 模拟对象与简化假设

1.1模拟对象

湿法烟气脱硫过程如图1所示，喷淋塔上部设置喷淋层，喷淋后的石膏浆液进入下部的反应池，吸收液由浆液循环泵进行循环，喷嘴将吸收液分散成1～3mm的液滴并沿塔向下喷洒，烟气由塔的下部引入，以一定速度向上流动，以此经过冷却区和吸收区，气液两相逆流接触传热传质，吸收后的尾气经由除雾器后从塔顶排出[3，4]。笔者以除雾区的带钩波纹板除雾器作为研究对象。

图1 石灰石-石膏湿法喷淋脱硫过程示意图

模拟带钩波纹板除雾器的结构如图2所示，除雾器叶片转折角β=90°，钩片偏转角度α=45°，第一、二级除雾器板间距分别为35、25mm。参考工程应用情况[1]，笔者对钩片直段长度H、钩片圆弧段半径r和钩片圆弧段转折角度β对除雾器特性的影响进行数值模拟研究。

图2 除雾器结构与计算区域网格划分

1.2模型假设与简化

根据实际WFGD工程的运行环境和满足工程要求的条件，对除雾器内烟气与液滴两相流动状况做假设和简化[5，6]：除雾器简化为二维流动；不考虑浆液滴的碰撞聚并与液滴的破碎；液滴视为均匀硬质球形；不考虑二次夹带作用的影响。

2 数学模型与计算方法

2.1计算区域与网格划分

计算区域采用结构化网格，由于钩片附近流场变化比较剧烈，因而在钩片所在的区域网格划分应细密一些。经过网格精度无关化验证后，划分网格总数约67 000，除雾器的网格划分如图2所示。

2.2数学模型

2.2.1烟气流场控制方程

采用欧拉法将烟气处理为连续相并对其进行描述。基于上述假设与简化，不可压缩烟气流场的连续性控制方程可表示为：

div(V)=0

(1)

动量守恒控制方程为：

(2)

(3)

(4)

式中Fx、Fy、Fz——浆液滴对烟气流场的反作用力，N；

p——压力，Pa；

V——烟气速度，m/s；

u、v、w——烟气在x、y、z方向上的速度，m/s；

ρ——烟气密度，kg/m3。

采用时均方法将式(2)～(4)处理为雷诺平均Navier-Stokes方程。根据除雾器通道内烟气流动湍流实际情况，采用低雷诺数k-ε模型来模拟除雾器内的湍流流动。

2.2.2液滴颗粒控制方程

由于石膏液滴的体积分数远小于10%，因此，采用拉格朗日法来描述液滴的运动较精确[7]，即选用离散相颗粒轨道模型来跟踪液滴运动。液滴受到诸如重力、热泳力及Saffman力等的作用，笔者主要考虑重力和曳力对液滴的作用[8]。根据液滴在烟气流场中的受力分析，液滴运动方程可表示为：

(5)

式中FD(u-up)——液滴的单位质量曳力；

Fx——热泳力、布朗力及Saffman升力等作用力；

gx(ρp-ρ)/ρp——颗粒在运动中受到的重力和浮力。

2.3模型的边界条件

计算平台采用Fluent 14.0软件，用Gambit软件生成网格。连续相方面，介质为密度1.1 kg/m3、动力粘度19.548 6μPa·s的空气，假设气相在入口截面的速度均匀分布，出口表压0Pa[9，10]；离散相方面，介质为密度1 200kg/m3、动力粘度54.9mPa·s的脱硫循环浆液，给定液滴的初始速度与烟气入口速度一致，液滴在入口截面上均匀分布[11]。

3 数值模拟结果与分析

3.1数值计算结果准确性验证

参考杨柳的实验数据[12]，将模拟结果与实验结果进行对比，以验证文中数值模型的准确性。以实验中采用的板型尺寸、烟气流速V及雾滴粒径d等参数作为模拟参数，如图3所示，实验结果与模拟结果符合较好，表明文中的模拟计算可以用于除雾器性能的模拟研究。

图3 计算结果与实验数据的比较

3.2结构参数对除雾器效率的影响

随着钩片直段长度H的增加，除雾器效率呈现升高趋势(图4a)。原因是钩片直段长度的增加会使气流在通道内发生剧烈偏转，致使液滴在惯性力的作用下脱离连续相的流线直接撞击钩片表面的几率增加，导致除雾效率上升。一方面钩片可以直接拦截一定量的液滴，另一方面可以使携带液滴的烟气加速，从而增加离心惯性力。钩片直段长度直接关系到钩片间通道拦截气流的程度，使得除雾器通道内湍流程度加剧，流场内扰动的增强会提高除雾效率。相同的，圆弧段转折角度β和圆弧段半径r的增大也会增加钩片对叶片通道间的拦截面积，从而使除雾效率呈现上升趋势(图4b、c)。

3.3结构参数对压力损失的影响

烟气在折板式除雾器中流动时，会在流道弯曲的区域形成回流区。钩片直段长度H的增加，使流道变得更加狭窄，气流在通流面积减小时速度增大，离心力随之呈平方增大，以致产生更大的漩涡。每一个回流区都会阻塞通道，使得主流加速，引起静压减小。随着流道变宽、流体的逐渐减速和回流区下游的再附着，压力会逐渐恢复，但是由于能量的耗散，压力无法完全恢复，造成压力损失。钩片直段长度H对除雾器内扰动影响最为明显，随着H的增加，压力损失迅速上升(图5a)。同样，圆弧段转折角度β和圆弧段半径r的增加，也会引起压力损失的上升(图5b、c)。三者的结构参数关系到除雾器通道内的局部压力损失，对除雾器总压降贡献较大。

图4 不同结构参数对除雾效率的影响

图5 不同结构参数对压力损失的影响

3.4高效带钩波纹板除雾器叶片

在两级除雾系统组合中，总压力损失不超过150Pa，为达到理想的除雾效率，选择了两种波纹板除雾器叶片的组合方式。第一级除雾器：H=22mm、β=35°、r=33mm、D=35mm。第二级除雾器：H=19mm、β=30°、r=34mm、D=25mm。

在额定烟气流速下，液滴粒径d不同时两种除雾器的除雾效率η见表1，第一级除雾器的压力损失为73.14Pa，第二级除雾器的压力损失为68.96Pa。

表1 液滴粒径不同时两种除雾器的除雾效率

4 典型300MW机组除雾器钩片偏转角度的优化

4.1300MW机组系统基本参数

笔者针对某300MW亚临界机组配备的WFGD系统开展除雾器的优化研究。该WFGD系统可在锅炉负荷40%～100%之间安全连续运行。液滴的粒径按照某电厂实测数据输入，通过Ros-in-Rammler方法来模拟，液滴的最小粒径为10μm，最大粒径40μm，平均粒径21μm，分布指数3.77。在保证锅炉正常燃烧用氧的前提下，适当减小风量，用C语言自编程序求解机组不同负荷与煤种下的烟气量，当燃用设计煤种(收到基碳、氢、氧、氮、硫、灰分、水分和低位发热量分别为56.9%、4.4%、9.1%、1.2%、0.6%、14.8%、13.0%和22 415kJ/kg)时，额定工况下WFGD入口烟气量为310m3/s，实际烟气量与机组负荷之间的关系如图6所示。

图6 机组燃用设计煤种时烟气量随负荷的变化

4.2钩片可调与固定结构除雾器性能的对比

钩片角度确定的相关因素较多，为了获得最佳方案，对不同结构参数除雾器进行了大量数值实验。钩片可调的除雾器模拟结果如图7所示，与钩片固定结构(钩片偏转角度α=45°)除雾器比较可见，流场得到了明显的加速和扰动。

图7 固定钩片与可调钩片除雾器的比较

钩片与水平位置夹角(钩片偏转角度α)逐渐减小的过程中，钩片呈现张开的趋势，增加了拦截面积，从而使一部分液滴直接撞击到钩片上而被捕集。钩片与叶片之间流道变得更加狭窄，使携带液滴的烟气加速，提高了液滴捕集效率。与此同时，钩片背弧处产生的回流区也在逐渐增大，引起较大的能量损失。并且从工程实施来看，钩片角度调节在制造和安装阶段也相对困难。

4.3除雾器的优化运行

除雾器优化运行的思路是：保证烟气压力能克服除雾器阻力的前提下，每级除雾器压力损失不大于75Pa，合理调整钩片偏转角度，从而提高除雾效率。表2为案例机组在部分机组负荷下第一级除雾器的最优运行方案(燃用设计煤种时)。

表2 燃用设计煤种时部分负荷下第一级除雾器最优运行方案

4.4运行优化结果

综合以上计算结果，提出除雾器优化运行方案。图8和表3分别给出了除雾器运行优化方案和运行优化效果，并与原方案进行对照。可以看出：在40%～100%负荷工况下，仅通过调节钩片偏转角度，除雾效率就可以平均提高4.10%，并且在负荷较低时，除雾效率提高明显。

5 结论

5.1固定结构的除雾器不具有负荷适应性，随着机组负荷的降低，除雾效率下降。改变钩片直段长度、圆弧段半径、圆弧段偏转角度和钩片偏折角度能够对除雾器内气液两相流场进行调节，使之达到理想状态，提高除雾效率。

图8 原方案与优化方案的比较

机组负荷L%钩片偏转角度α/(°)效率提高值Δη/%第一级除雾器第二级除雾器第一级除雾器第二级除雾器9043441．470．328041422．161．397039401．311．116035391．341．815032372．961．374029345．433．66

5.2以300MW机组WFGD系统为例，当燃用设计煤种时，在40%～100%额定工况下，采用笔者提出的优化方法，除雾效率平均提高4.10%。但可调钩片的制造和加装在工程上相对困难。

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