基于数值研究的折线型除雾器叶片的优化设计

洪文鹏，董世平，马军辉

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.安徽皖能电力运营检修有限公司，合肥 230094)



基于数值研究的折线型除雾器叶片的优化设计

洪文鹏1，董世平1，马军辉2

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.安徽皖能电力运营检修有限公司，合肥 230094)

摘要：：除雾器是燃煤火力发电厂湿法烟气脱硫系统中的重要设备，它对系统的正常运行有着至关重要的意义。依据气液两相流体力学的基本理论，对折线型除雾器应用FLUENT计算软件进行内部流场、除雾效率和工作压降的数值模拟。通过改变梯形折线型除雾器的结构参数(板间距、上底尺寸)和工作参数(进口气流速度)，模拟气液两相流场。计算结果表明，三角形叶片对压降的影响比梯形叶片大；随着板间距的逐渐增大，除雾效率趋于下降趋势；在不同的进口气流速度和板间距下，上底尺寸为40 mm时除雾效率最佳。

关键词：气液两相流；除雾器；除雾效率；压降

当前，在众多大气污染物中，二氧化硫已成为工业生产的主要污染物之一，其主要来自石油、煤炭燃料和天然气的燃烧过程。二氧化硫的危害普遍存在于动植物和建筑物中，并且也是形成“酸雨”的主要原因[1]。因此，我国许多工厂都在利用安装尾部烟气脱硫装置来减小二氧化硫的排放，其中湿法烟气脱硫装置在燃煤火力发电厂中最为常见。然而，在烟气通过湿法烟气脱硫系统的过程中，含有二氧化硫的烟气通过石灰石-石膏浆液后，会存在气液共存的现象，玷污腐蚀设备，影响机组正常运行[2]。如果液滴不能有效分离而随净烟气一同排放，还会形成烟囱“降雨”污染工厂周边环境，这种现象被称之为“石膏雨”，给工业生产带来很大的安全隐患。

除雾器是安装在脱硫装置上方的一种气液分离器。在工业生产中折线型除雾器叶片是湿法烟气脱硫系统中最为常见的叶型，它的原理主要是根据除雾器叶片弯道所产生的惯性力来实现烟气与浆液的分离，液滴颗粒在惯性力的作用下，不能及时随净烟气改变流向而被叶片壁面捕集[3]。因此，合理优化除雾器叶片，提高除雾效率对减少环境污染和系统正常运行有着非常重要的意义。

计算机技术的发展使得数值模拟变得方便快捷，其中周期短、成本低和信息充分是数值模拟技术的显著特点[4]，通过FLUENT软件我们可以更精准、更可靠的模拟出内部流场情况。因此，本文利用CFD技术对除雾器内部流场进行模拟，探寻上底尺寸、气流速度和板间距对除雾器脱硫效率和压降的影响，以便得到最佳的上底尺寸值，为今后除雾器叶片的优化打下结实的基础。

1数学模型

在湿法烟气脱硫塔中除雾器叶片按照分层排列并且每层都是以相同的除雾器叶型水平并列排放，每两个叶片构成一个除雾通道如图1所示。因此，我们只需选择一个通道来建立模型即可满足整个系统的模拟研究[5]。在现实工作过程中，除雾器内部流场是一种非定常的、三维的、可压缩黏性流体的流动场。由于计算复杂多变，所以我们在不超出误差允许的范围下对模型做了如下简化来提高模拟速度：

(1)流场简化为二维，气体简化为不可压缩气体；

(2)液滴形状固定为规则球体，并且液滴之间不发生碰撞和聚合现象；

(3)液滴数量不变，不蒸发不消失；

(4)液滴碰到叶片即捕集，到达出口水平线即视为逃逸；

(5)不计二次夹带，没有能量交换。

综合考虑以上简化条件，本文对气相采用RNGk-ε湍流模型，并将改进的SIMPLE算法用到速度场和压力场的耦合计算中。离散格式压力选择标准，动量、湍动动能、湍流耗散率都选择二阶迎风。对液滴相采用基于欧拉-拉格朗日方法的DPM模型进行计算[6]。

图1 脱硫塔结构图2 除雾器模型

2求解计算

2.1计算区域

计算区域取除雾器的单个工作区域如图2所示，上底尺寸h分别取50 mm、40 mm、30 mm、20 mm、10 mm、0 mm，板间距b分别取20 mm、26 mm、38 mm。

2.2网格划分

计算区域的网格元素为Tri(三角形)，生成方式为Pave(平铺成非结构网格)，网格尺寸为0.6 mm。计算区域考虑边界层的影响，近壁面网格选择四边形结构性网格，边界层第一层所占比例20%，增长因子1.2，一共5层[7]。在本文模拟的工况下，计算网格数在2.8×104以上，确保了除雾效率、进出口压降基本不受网格数的影响。

2.3计算条件

(1) 连续相

进口条件：进口速度分别为uy=2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s，湍流烈度为5%；出口条件：出口相对压力为Pout=0；壁面条件：静止、无速度滑移、绝热。

(2) 离散相

离散相介质为水滴，密度大小为998 kg/m3，离散相液滴在进口平面上进入的速度大小与空气相同。液滴颗粒的喷射类型为surface(表面)，在进口截面均匀分布。液滴直径选取Rosin-Rammler分布，取最小粒径dmin为10 μm，最大粒径dmax为80 μm,平均粒径d为45 μm，分布指数为5。壁面条件选择trap(捕集)类型，不计反弹和二次夹带[8]。

2.4计算工况

根据除雾器实际运行状况，对每种参数选择了合适的变量值进行计算。计算工况详情见表1所示，本文对表中各参数组合共108种工况进行了模拟计算，得到了在同等板间距和气流速度下，上底尺寸对除雾效率和压降的影响。

表1　计算工况

2.5模型验证

利用与参考文献[9]中采用的烟气流速、板型尺寸和雾滴粒径等参数作为验证模型，如图3所示。除液滴粒径为16.3 μm时对除雾效率的影响较大外，其余液滴粒径对除雾效率的影响基本吻合，验证了本研究所建模型的准确性。

图3　模拟值与参考值除雾效率对比

3计算结果及分析

除雾器性能的衡量指标基本有两个，即除雾效率和压降，其性能好坏决定除雾设备的安全性。除雾效率越低，表明除雾器出口气体所带的液滴含量越高，影响系统的经济型和安全性，更有可能使系统停机。压降越大，表明系统能耗越大，这些耗能增加了系统耗电量[10]。在不同进气流速和板间距下，通过改变梯形上底尺寸，模拟上底尺寸对除雾效率和除雾器压降的影响，得到最佳的上底尺寸，便于优化除雾器叶片结构。

3.1计算区域的流场分析

图4为板间距20 mm、进口气流速度3 m/s的速度云图。从图4中可以看出，随着上底尺寸逐渐减小，高速区通道变短，梯形上底转弯部位内侧低速区减小、外侧低速区聚集增大。由于速度越大，产生的离心力越大，越有利于液滴被捕集；所以高速通道越长，除雾效率越大。在上底尺寸为50 mm、40 mm、30 mm时，梯形上底部位上部转弯处高速区出现断裂现象，并且随上底尺寸的增加断裂现象越明显，故脱硫效率并不是随着梯形除雾器上底尺寸的增加而增大。

图4　板间距20 mm，速度3 m/s速度云图

3.2上底尺寸对压降的影响

压降指烟气通过除雾器弯曲通道时所产生的进出口压力损失。除雾器压降主要分为除雾器转折处局部阻力损失和通道沿程阻力损失。如图5所示，除雾器进口压力分布均匀，且压力较高，梯形上底部位右侧静压比左侧静压高，这是由于此时流道偏向左侧，在右侧形成了一个高压区，并且随着上底尺寸的减小，高压区聚合。从图6可知，压降随着进口气流速度的增加而增大；并且，当上底尺寸为0 mm即为三角形除雾器时，在各气流速度下，压降最大。当叶型为梯形时，压力降变化不大，所以梯形除雾器叶片的压降比三角形除雾器叶片的压降小。

图5　20 mm板间距静压云图

图6　20 mm气流速度对压降的影响

图7　不同气流速度下板间距对除雾效率的影响

3.3板间距对除雾效率的影响

在不同进口气流速度下，叶片板间距对除雾效率的影响如图7所示。随着除雾器板间距的增大，除雾效率减小。这是由于叶片板间距的增大，使得流体在除雾通道中的通流面积变大，液滴对气流的跟随性变好，液滴不易被捕捉，从而使除雾器效率降低。纵向来看，在同一板间距下，随着气流速度的增大，除雾效率变大。这是由于气流速度越大，惯性力就越大，既而致使液滴易于偏向叶片壁面而被捕捉。

3.4上底尺寸对除雾效率的影响

图8为气流速度4 m/s时不同上底尺寸下的粒子轨迹图。当上底尺寸增大时，液滴与壁面的接触面积相对变大，从而使除雾效率增大，当上底尺寸为0 mm时，气流急速转弯，惯性力变大，所以除雾效率也增大。图9为板间距20 mm，进口流速在2 m/s-5 m/s时，除雾器上底尺寸对除雾效率的影响图。由图9可知，在不同的进口流速下，随着上底尺寸的增大，除雾效率是先减小后增大，然后再减小的过程。在这个过程中出现了两个最高点，分别为上底尺寸0 mm和40 mm。由图6可知，当上底尺寸为0 mm时，压力降太大，所以不予以考虑。因此，在不同的进口气流速度和板间距下，上底尺寸为40 mm时，除雾效率最佳。

4结论

本文运用了CFD技术对梯形折线型除雾器内部流场进行了数值模拟，计算得到了计算工况下除雾器的除雾效率和进出口压降，并且分析了各个影响因子对除雾效率和压降的影响，着重计算并分析了梯形上底尺寸对除雾效率和压降的影响。计算结果表明，除雾效率和压降随气流速度的增大而变大，然而随着板间距的增大除雾效率逐渐降低。当上底尺寸为0 mm(三角形板型)时对压降的影响较大，但是在其它不同上底尺寸下梯形折线型叶片对压降的影响不大。梯形上底尺寸对除雾效率的影响是先减小后增大，然后又减小的趋势。在上底尺寸为0 mm和40 mm时，分别出现了峰值。从经济性考虑，上底尺寸为0 mm时不予以考虑。从实践性考虑，以上计算结果可作为梯形折线型除雾器叶片优化设计的参考。

图8 不同上底尺寸下的粒子轨迹图图9 板间距20mm梯形上底尺寸对除雾效率的影响

参考文献

[1]单鑫，洪文鹏，陈重.基于偏最小二乘回归的湿法烟气脱硫效率预测[J].东北电力大学学报，2014，34(2)：11-15.

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[10] 刘含笑，袁建国，郭链，等.湿法脱硫装置除雾器流场及除雾特性的数值研究[J].电力与能源，2015，36(6)：863-868.

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

作者简介：洪文鹏(1970-)，男，辽宁省绥中市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士，主要研究方向：锅炉烟气脱硫技术及应用.

文章编号：1005-2992(2016)02-0067-05

中图分类号：X701.3

文献标识码：A