流线型两通道带钩波纹板除雾器结构优化的数值模拟

皮新瑞，王泽忠，董 颖，鞠铠阳

(1.大唐东北电力试验研究所有限公司，吉林 长春 130012；2.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；3.天津国投津能发电有限公司，天津 300480)

流线型两通道带钩波纹板除雾器结构优化的数值模拟

皮新瑞1，王泽忠2，董 颖3，鞠铠阳3

(1.大唐东北电力试验研究所有限公司，吉林 长春 130012；2.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；3.天津国投津能发电有限公司，天津 300480)

为提高除雾器的除雾效率，在流线型波纹板除雾器的基础上，进行了一些了的优化改型，添加一个钩板以及挡板。采用数值模拟的方法，对三种模型进行了60种工况的模拟，研究表明：YW型和YY型除雾器能够较大程度的提高除雾效率，尤其是在低流速、小粒径的工况。但是由于YW型、YY型的钩板和挡板的存在，局部阻力产生局部损失时压降较WW型的大。

除雾器；带钩波形板；数值模拟

除雾器是一种有效且被广泛应用的气液分离设备，其主要功能就是将脱硫塔中气体夹带的溶解有硫酸、硫酸盐、二氧化硫等有害物质的“雾”进行妥善处理。从而在一定程度上避免二氧化硫等有害物质排放到空气中，对环境造成难以估量的破坏，同时防止“雾”对风机、热交换器以及烟道的堵塞和腐蚀[1]。因此，作为湿法脱硫系统(WFGD)中的关键设备之一， 除雾器的性能直接影响到湿法脱硫系统运行的可靠性和稳定性。惯性除雾器作为广受青睐的除雾器类型之一，具有的结构简单易于制造、分离量大的优点。如何在克服其阻力大、压降高、能耗大的基础上，提高除雾效率成为目前的研究热点问题。

国内外学者也针对这一问题，进行了大量而有建设性的探索和总结工作。Gillandt[2]等人通过和实验对比，发现低雷诺数的k-ε模型模拟结果更接近实验结果。Zhao[3]等人应用统计学的方法提出表面响应法，并由此提出了除雾器的分析效率的模型。James[4]等人采用数值模拟方法对除雾器中钩板的作用进行了研究。Galletti[5]等人采用数值模拟的方法，运用欧拉-拉格朗日两相流模型对带钩板的折流板除雾器进行研究。Rafee[6]运用欧拉-拉格朗日方法对折流板通道内湍流气体中夹带的液体的撞击和运动轨迹进行了研究。从目前的研究结果看，欧拉-拉格朗日法、低雷诺数的湍流模型对折流板除雾器内两相流模拟结果和实验结果吻合较好。Zamora[7]等人采用数值模拟的方法对比研究了四种折流板除雾器效率和压降系数，采用文献报道的实验结果验证了数值模型，并建立了关于四种除雾器除雾效率的幂函数公式。Kavousi[8]等人采用数值模拟，采用响应曲面分析法分析了折流板除雾器钩板对除雾器效率的影响规律。洪文鹏[9]等人利用数值模拟的方法对梯形折线型除雾器的结构参数进行优化，得到上底尺寸为40mm时除雾效率最佳。杨柳[10]等人针对除雾器不同布置方式,通过大量实验通过大量实验测定了除雾器的压降和速度、除雾效率，并分析了流速、布置方式对除雾效率的影响。黄龙浩[11]等人根据华台山电厂除雾器实际尺寸，以1∶15的比例搭建试验台，分别测定了3种板间距离下除雾器的性能参数，并且提出了除雾器挡板最优配置方案。

目前的带钩波形板的除雾器如图1所示，在钩板附近存在一个“倒V字形”结构，对流道内气体产生较大的阻碍，一方面会增大压降，另一方面，先流入倒V结构的气液流体会堆积在倒V的顶部，阻碍后续流体与钩板接触，进而不能达到脱除效果。本文针对这一问题，对除雾器进行优化设计。

图1 流线型两通道带倒钩叶片尺寸

图2 计算区域数据及网格细节

本文将除雾效率以及压降作为衡量标准，对流线型波形板进行了优化改造。在圆弧处增加一钩板，并在通道上方增加挡板(YY模型)。为验证钩板以及挡板的作用，用无挡板无钩板的模型(WW模型)和无挡板有钩板的模型(WY模型)进行对比模拟。

图3 流线型两通道有钩板有挡板叶片尺寸

1 物理模型和数值计算方法

1.1 计算区域以及网格划分

为保证计算精度，网格划分采用平铺式结构化网格，网格呈四边形，且在壁面处进行了边界层加密，第一层边界离壁面0.1 mm，成长因子1.2，共有5层采用1∶1形式加密。网格数量为56584。通过调整Space选项，使得网格变为原来的5倍、10倍，发现计算结果受网格数量影响较小。

1.2 数值计算方法以及边界条件

1.2.1 边界条件

计算流体介质为空气——水体系，温度为25 ℃，空气为连续相，不可压缩，密度为1.225 kg/m3，粘度为1.789 4105kg/ms-1。水为离散相，密度为1 200 kg/m3，液滴直径分别为10 μm～50 μm。固体边界为速度入口，进口烟气速度分为1 m/s～5 m/s五个工况，且在进口处呈均匀分布。出口为压力出口，表压为零。壁面绝热、无滑移。

1.2.2 数值计算方法

研究中湍流模型选择标准的k-ε模型，该湍流模型将湍流对颗粒的影响加以考虑，使得模拟结果和实验结果具有更好的吻合性。模型离散方法为有限体积法，液滴的计算方法采用拉格朗日法，压力-速度耦合方程为SIMPLE算法，动量方程、湍动能和湍流耗散率方程均采用二阶迎风格式。2 结果与讨论

2.1 三种模型的对比

本文针对三种模型，分别进行了25个工况的模拟，图4为速度为3 m/s，液滴直径为20 μm的流线图。从流线图可以看出，在WW模型中，流体介质从入口进入在右侧圆弧处聚集，形成一个较小的涡，有利于提高除雾效率。同时，圆弧的设计相对于角的设计，一方面能增加板型的强度，另一方面能减少有害雾滴堆积腐蚀。但三角的设计，能够增大液滴与板面的接触面积。所以，WY模型依据角形板在圆弧处引入外切线，为了保证流体平顺，在延伸板末端引入圆弧。

钩板的加入，一方面增加了流体介质与板面的接触面积，另一方面将流体汇聚，有利于雾滴的聚集。同时流体从入口流动至钩板处，流道变窄，速度变大，加剧了流体的汇聚进而有利于提高除雾效率。流过最窄处后，有相当于流过渐扩管道，在钩板后产生较大的漩涡，缩小有效流通面积，使得渐扩带来的损失变小。同时，此处的速度下降，能够有效减小二次带风。但是，由于渐缩、渐扩的存在会产生局部阻力，流体速度以及方向会产生改变进而引起局部阻力损失。但是，层流状态下的局部阻力损失随着雷诺数的减小而减小，湍流状态下会缩小趋近一个常数。由于雷诺数较小，所以由局部阻力损失带来的压降并不是特别大。为了进一步改善除雾器的除雾效率，在临近出口处增加一挡板，形成YY模型。经由钩板汇集的流体，集中接触挡板，能够更有效的进行除雾。同样的也存在增大压降的问题，可以根据不同的流场条件，对挡板的角度和长度进行调整。

图4 三种不同结构除雾器的流线图

图5 三种不同结构除雾器的速度云图

2.2 速度马赫数云图分析

图5为速度为3 m/s，粒子直径为20 μm工况下的速度马赫数云图。WW模型中，流体以3 m/s的速度均匀且垂直流入流道，由于存在惯性的影响，在第一个转角处，右边的速度明显高于左边的速度，左边形成小范围的低速区，产生微弱回流。进入第一阶坡道后，速度缓慢增加，同样由于惯性的存在，左方壁凸处呈高速区，右方壁凹处呈低速区，此区域具有较大的湍动能，湍流耗散较为严重，继而发生比较强烈的回流现象。回流的流体介质占用了主流流体介质的流动空间，一定程度上缩小了流通面积，进而增大速度，提高除雾效率。WY模型中钩板的加入，加剧了第一阶坡道的流体介质的加速进程，同时第一阶坡道内的速度分布较为均匀。流至钩板处，通道截面缩小，同时辅以惯性的作用，在钩板处较大的增大了流体介质的速度。流至钩板末端，钩板和壁面之间的空隙所形成的渐扩，使得在此空隙产生较为严重的回流现象，回流缩小了有效流通空间，使得右侧的气体速度持续升高，并在第三个转弯处形成除雾效果最好的区域。但是与此同时，左侧流体速度的提高，会将汇聚的液滴再一次带入流体中，形成二次携带。所以，YY模型在WY模型第三拐角处高速区的前方增加挡板。一方面进行更彻底的除雾，另一方面降低二次携带的影响。挡板的设置，使得在第三个转角右方，形成较大的回流区域，进一步提高了除雾效率。

2.3 压力云图分析

流体速度3 m/s，颗粒直径为20 μm时的压力云图，如图6所示。图中从左至右分别为WW模型,YW模型,YY模型。从WW模型中可以看出，压降的发生区域主要在三个拐角处，第一第三拐角处的压降较小，第二个拐角处的压降最大。在第一阶和第二阶坡道中的流动过程中也产生一定程度的压降，但是并不明显。YW模型中也是如此，主要压降区发生在第二个转弯处的钩板处，但是由于钩板的存在，使得流体介质经历了渐缩-渐扩的过程，在此过程中介质流体要打破原有的流动格局，产生新的流动形式。过程中产生的局部阻力，造成局部损失，使得压降变大。但由于这种局部阻力产生的损失跟雷诺数有很大关系，此种情况的雷诺数较小，所以压降并不是很大。YY模型的前两段压降与YW模型是一致的，第三次的压降主要发生在挡板处，由于对经由钩板汇聚的流体的直接阻挡，造成了较大的压降。

图6 三种不同结构除雾器的压力云图

2.4 粒子轨迹图分析

为了进一步阐释带钩波纹板的除雾机理，图7以速度3 m/s工况为代表描绘了当前状况下的粒子轨迹图，图7(a)的粒径为20 um，图7(b)的粒径为10 um，图中从左至右分别为WW模型,YW模型,YY模型。由图7(a)中可以看出，雾汽流入WW型除雾器时，在第一坡道处粒子集中接触板面，但是由于流动速度较低，并没有除去太多粒子，经过第一坡道加速之后，流体流动至第二个拐角时，由于流道形状的突然改变，在拐角右侧流动轨迹出现波动，波动的出现影响了二段坡道对粒子的捕捉。流体经过第二段坡道后粒子束有所减少但是并不明显。

图7 速度3m/s时不同粒径的粒子轨迹图

YW型除雾器在此基础上再第一坡道处添加钩板，一方面能都使得粒子的加速坡道增长，另一方面能够有效地汇流粒子束，提高第二段坡道对粒子捕捉的效率。流体流经第二拐角处时，粒子束明显减少。但是由于速度较低，粒子直径较小，其捕捉效率还有待提高。YY型除雾器在YW型除雾器的基础上，在第三拐角处添加一挡板，针对经过钩板汇流的粒子束，进行高效地捕捉。图7中可以看出，经过钩板加速和汇聚的粒子束，被挡板有效地捕捉，显著提高了除雾效率。随着粒径的进一步减至10 um，虽然，YW型、YY型除雾器的粒子轨迹趋势如图7(a)大致相同。明显可以看出，随着粒径的减小，除雾的难度也进一步增加。

2.5 除雾效率分析

不同工况下除雾效率的折线图，如图8所示。图中所有除雾效率的计算是通过计算颗粒个数比，设定进入除雾器入口的颗粒数为N，经过除雾器后被捕集达到的颗粒数M，M与N的比值就为这种工况下的除雾器除雾效率。由图8可以看出，YY型能够一定程度的提高除雾效率，但是由于粒子直径较小，对除雾效率的提高并不是很明显。YY型能够较大程度的提高除雾效率，并且随着速度的增加，提高的幅度也越来越大。粒子直径达到20 μm，速度为3 m/s时，YY型除雾效率已经达到100%。随着粒子直径的增加，YW型的提高程度也也越来越大，对速度也越来越敏感。粒子增加到30 μm时，速度为3 m/s时，YW型的除雾效率已经达到100%。但是随着粒子直径的进一步增大，WW型的除雾效率也出现了明显的增加。针对流速低，粒子直径小的工况，YY型较为适合。

图8 不同工况下除雾效率的折线图

3 结 论

(1)YY型、YW型的除雾器能够有效地提高除雾器的除雾效率。钩板的作用主要集中在两个方面。一是延长第一阶坡道的长度，增加接触面积；二是汇聚流体，使得液滴进一步汇聚。

(2)YY型的除雾效率高于YW型，同时也有较大的压降，其压降主要来源于钩板处的渐缩-渐扩结构即局部压力损失造成的压降，而沿程损失对压降的贡献并不大。

[1] 任池，王伟，马超，等.火电厂湿法烟气脱硫系统GGH结垢分析及治理研究[J].东北电力大学学报，2014,34(2)：16-20.

[2] I.Gillandt,U.Fritsching,C.Riehle.Gas-particle flow in a zig-zag classifier-comparison of measurements and simulations[J].Forschung im Ingenieurwesen,1996,62(11):315-321.

[3] J.Zhao,B.Jin,Z.Zhong.Study of the separation efficiency of a demister vane with response surface methodology[J].Journal of Hazardous Materials,2007,147(1):363-369.

[4] P.James,Y.Wang,B.J.Azzopardi,et al..The role of drainage channels in the performance of wave-plate mist eliminators[J].Chemical Engineering Research and Design,2003,81(6):639-648.

[5] C.Galletti,E.Brunazzi,L.Tognotti.A numerical model for gas flow and droplet motion in wave-plate mist eliminators with drainage channels[J].Chemical Engineering Science,2008,63(23):5639-5652.

[6] R.Rafee,H.Rahimzadeh,G.Ahmadi.Numerical simulations of airflow and droplet transport in a wave-plate mist eliminator[J].Chemical Engineering Research and Design,2010,88(10):1393-1404.

[7] B.Zamora,AKaiser.Comparative efficiency evaluations of four types of cooling tower drift eliminator,by numerical investigation[J].Chemical Engineering Science,2011,66(6):1232-1245.

[8] F.Kavousi,Y.Behjat,S.Shahhosseini.Optimal design of drainage channel geometry parameters in vane demister liquid-gas separators[J],Chemical Engineering Research and Design,2013,91(7):1212-1222.

[9] 洪文鹏，董世平，马军辉.基于数值研究的折线型除雾器叶片的优化设计[J].东北电力大学学报，2016,36(2)：67-71.

[10] 杨柳,王世和,等.湿法烟气脱硫系统除雾器特性试验研究[J].热能动力工程,2005,20(20):146-147.

[11] 黄龙浩,肖海平，谢乾，等.湿法脱硫系统除雾器性能的实验研究[J].现代电力,2009,26(4):71-75.

Numerical Simulation Of Two-channel Streamlined Hooked Corrugated Board Demister Structure Optimization

Pi Xinrui1，Wang Zezhong2,Dong Ying3，Ju Kaiyang3

(1.Datang Northeast Electrle Power Test and Research Institute,Changchun Jilin,1320012;2.Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Electric Power University,Jilin Jilin 132012;3.Tianjin SDIC Jinneng Electric Power Company Ltd.,Tianjin 300480)

order to improve the efficiency of mist eliminator,on the basis of the streamline wave plate in addition to fog,to some of the optimization,add a hook plate and baffle.Use methods of numerical simulation,simulation of 60 kinds of operating modes are carried out on three models,research shows:YW type and YY type in addition to fog can improve the efficiency of the fog,especially in the condition of small size,low tassel,the partial loss of local resistance is larger than that of the WW type.

Mist eliminator;Corrugated board;Numerical simulation

2016-11-12

皮新瑞(1992-)，男，助理工程师，主要研究方向：火力发电厂设备节能.

1005-2992(2017)01-0095-06

X701.7

A

电子邮箱： 757012801@qq.com(皮新瑞);2300655564@qq.com(王泽忠)；1152039567@qq.com(董颖)；54279312@qq.com(鞠铠阳)