多层折流板除雾器分离性能数值分析

2021-03-16庄绕林吴成强郝俊杰王在良

装备制造技术 2021年11期

庄绕林，吴成强，郝俊杰，王在良

（1.江苏科圣化工机械有限公司，江苏淮安 223003；2.淮阴工学院，江苏省先进制造技术重点实验室，江苏淮安 223003）

0 引言

除雾器是整套脱硫设备中最重要的组成之一，一般位于脱硫塔的顶部，起到去除烟气中夹带的细小颗粒物的作用，是烟气排放前处理的重要工序之一。除雾器的原理主要包括重力分离、惯性力分离、离心力分离、过滤分离和静电分离。如今，工业上应用较为成熟的除雾器主要有：折流板除雾器、旋流板除雾器、丝网除雾器以及静电除雾器。对以上四类除雾器的性能优劣对比见表1。

表1 四类除雾器的综合性能对比

其中折流板除雾器因其结构简单、成本低、压力损失小且对较大粒径的液滴除雾效率高，因而得以广泛的应用。郎方等通过搭建实验台对影响波纹板除雾器性能的各个因素实验研究，归结出可分离粒径、叶片间距以及叶片布置级数与除雾性能之间的关系。杨等通过实验对三种不同布置方式的除雾器进行研究，分析气流速度和布置方式对除雾器性能的影响。为提高小粒径的液滴除雾效果，本研究对折流板除雾器进行改进，并对其叶片间距D、转折角度θ进行数值分析。

1 多层折流板除雾器方案设计

多层折流板除雾器主要包括串并式烟气排放装置1、烟气入口2、集气口3、第一折流烟气通道单元4、第二折流烟气通道单元5、液滴6、废液收集管7、第一折流板8、第二折流板9，如图1 所示。当除雾器工作时，烟气以高速从多方向流经烟气入口处，通过集气口3 开始以串联式的方式进入到串并式烟气排放装置1 中，由于串并式烟气排放装置的设计，大大减少了烟气的流动空间，使得大量烟气集中在集气口3，然后通过并联分流的方式分别从集气口3 左、右两侧快速进入第一折流烟气通道单元4 和第二折流烟气通道单元5。

图1 多层折流板除雾器

当烟气流经折流烟气通道单元上的喇叭形烟气排放口时，大量烟气从喇叭形烟气排放口排出，由于流动空间的骤减，烟气会以比平常更高的速度从喇叭形烟气排放口5 喷出，而喇叭形烟气排放口的位置又相当接近除雾器折流板，因此大量的烟气会直接喷射到折流板上。这就给每段折流板捕捉烟气中液滴的量得到了巨大的提升。进一步地优化了除雾器的整体除雾效率。折流板与折流烟气通道单元外壁上的液滴会在自重作用下流向弧形废液收集管中，避免长时间停留所造成的腐蚀。

2 数值求解计算

2.1 模型简化

如图2 所示的折流板除雾器的物理模型，其中D为叶片间距，θ为转折角度；H3为转折高度。

图2 折流板除雾器物理模型

由于多层折流板除雾器工作时，各除雾通道内的流动状态差别微乎其微，各通道流动状态微乎其微，故本研究仅模拟多层折流板除雾器单通道内的流场。含有液滴的气流，在除雾器通道中流动时，在实际工况中是三维粘性流体的复杂流动，是不稳定的、可压缩的。将流场简化在合理误差范围内如下：

（1）因为气流的马赫数远低于0.1，所以气体可视为是不可压缩的气体；当液滴接触板的表面时，此时，认为液滴被认为是捕集的。与此同时，忽略水膜在壁面上撕裂及反弹，不予考虑二次带水的条件；

（2）由于三维除雾器通道宽度、高度相对较大，且各流动截面相同，因此三维除雾器流场结构可高度简化为二维；

（3）因为液滴的粒径较小，故将其视为球体进行模拟。因此，本研究不考虑液滴之间的碰撞和液滴的聚集，也不考虑液滴蒸发、摩擦、撕裂和热效应的影响。

2.2 边界条件设置

将密度设置为1.1 kg·m-3，动力黏度为1.95456×10-5N·s·m-3的空气。进口气流条件：进口气流速度ux=0，uv=2、3、4、5、6 m·m-1，在进口处截面气速均匀分布。出口条件：出口表压为零，操作压力为1.01325×105 Pa。壁面条件：壁面表面粗糙度设为零，无滑移，且无任何形式的传热。

液滴物性参数：密度为1000 kg·m-3的水，气流含水量为0.05 kg·m-3；进口条件与气速相同。喷射类型为表面（surface），使液滴在进口截面均匀分布。液滴直径：计算了直径分别为10、20、30、40μm 的液滴。液滴质量流量：由Q= 0.05upL计算，其中液滴速度up，叶片间距L，计算了间隔距离分别为20、26、32 mm 的4 种叶片。壁面条件：选择捕集（trap）类型，即当液滴碰撞到壁面时被认为是捕集，且不考虑反弹现象。

2.3 计算工况

根据除雾器的实际运行情况，对叶片板间距离、气流速度和液滴直径选取合适的变量值进行计算。计算参数和值见表2，获得了各工况下的除雾效率和压降的变化情况。

表2 计算工况

3 计算结果与讨论

3.1 多层折流板除雾器流场分布

图3 是多层折流板除雾器内部流体速度的云图，从图中可以明显地看出，折流板除雾器内各位置流场都相对稳定，流速变化不大。在折流板除雾器进口，烟气以匀速进入，当烟气经过第一道弯口时，气流往右偏转，此时，右侧区域流体速度增加，而左侧区域流体速度较小。当烟气经过第二道弯口时，左侧区域的流体速度增加，成为高速区，右侧区域则变为了低速区域。通过对整个烟气运动过程的观察，可以看出，在两道弯口处的烟气速度达到峰值，但在中间区域，尤其是靠近折流板壁的区域，几乎处于低速状态。

图3 多层折流板除雾器内部流体速度云图

3.2 叶片间距D 对多层折流板除雾效率的影响

郎方年等的实验如图4 所示，由图可以看出，为除雾效率受除雾器间隔距离的影响关系，随着叶片间隔距离的增大，除雾效率降低。除雾器进出口的压力损失则随着叶片间隔距离的增大而减小。

图5（a）展示了多层折流板除雾器效率受叶片间距的影响。由图清楚地看出，当流速维持不变的情况之下，随着叶片间距的增大，多层折流板除雾器效率在减小，与图4 的结论一致，因此，叶片板间距离在20 mm 时，该距离下的多层折流板除雾器的效率明显高于叶片间隔距离在26 mm 和32 mm 时，对于小于10μm 的液滴粒径，叶片板之间的距离对液滴捕集效率的影响很小，并且捕集效率较差。图5（b）为压降与叶片板间距离之间的数值变化关系，由图可知，当叶片板间距离分别为26 mm、20 mm 时，两者的压降的变化范围相对较小。而当多层挡板除雾器叶片板间距离为20 mm 时，具有较小的压降，且具有较高的除雾效率，所以确定多层挡板除雾器叶片板间距离为20 mm。

综上所述，由图4 与图5（a）（b）的对比可知，当流速维持不变时，折流板除雾器的搜集效率随着叶片间距的增大而降低，且由图5（a）（b）可知多层挡板除雾器叶片板间距离是20 mm 时，压降较小，同时具有较高的除雾效率，因此将多层挡板除雾器叶片的板间距离确定为20 mm。

图4 波纹板脱硫除雾器效率与叶片间距、压降关系[2]

图5 多层折流板除雾器效率与叶片间距、压降关系

3.3 转折角度θ 对多层折流板除雾器效率的影响

郎方年等对叶片弯曲弧度做了多种工况下的选择，并进行了大量的实验模拟，图6 为绘制结果。从图中可以看出，当叶片弯曲弧度增加时，除雾效率降低。

图6 叶片弯曲弧度对除雾效率的影响[2]

如上文所述，由于转折角度θ与波纹板脱硫除雾器的叶片弯曲弧度，在一定程度上，成非线性的反比关系，因此，本研究模拟仿真与郎方年、杨柳等的实验分析结论一致，验证了仿真的正确性。

图7 列出了多层挡板除雾器在不同角度下的液滴捕集效率，从图中可以看出，当多层折流板除雾器角度30°时，就液滴的捕集效率来说，该角度下的多层挡板除雾器是优于其他角度的多层挡板除雾器，对于粒径在10μm 以下液滴这种情况尤为明显，转折角度为30°的多层挡板除雾器捕集效果显然是高于其他角度的多层挡板除雾器。当气体流量达到2 m/s，且转折角度为大于30°的多层挡板除雾器，此时，对于直径小于10 μm 的液滴来说，其捕集效率受转折角度θ影响不大，大于10μm的液滴捕集效率随着流量以及角度的增大而提高。