加装钩片对除雾器性能影响的数值研究

洪文鹏,　雷鉴琦

(东北电力大学 能源与动力工程学院， 吉林省吉林 132012)



加装钩片对除雾器性能影响的数值研究

洪文鹏,雷鉴琦

(东北电力大学 能源与动力工程学院， 吉林省吉林 132012)

摘要：采用Fluent软件对湿法烟气脱硫系统中除雾器内气液两相流场进行数值模拟，得到加装钩片后的除雾器在不同液滴粒径和风速下的除雾效率，并对比分析了5种不同尺寸钩片形式的除雾器性能.结果表明：除雾器内流场偏向叶片转弯处外侧，在此位置加装钩片可有效提高除雾效率；钩片长度直接影响其对气流的拦截程度，随着钩片长度的增大，除雾效率显著提高，同时压降也有所增加；钩片宽度的增大导致除雾效率与压降均略微降低.

关键词：除雾器； 两相流动； 钩片； 数值模拟

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，烟囱则采用钛合金等材料作为内衬防腐材料，形成“湿烟囱”排放.无GGH装置的脱硫系统投产后，虽有效地避免了GGH的堵塞问题，但由于无烟气再热措施，排烟温度较低，带有饱和水汽的净烟气在排出的过程中部分冷凝形成液滴，烟气自烟囱口排出后不能有效地抬升、扩散到大气中，烟气中携带的粉尘及液滴聚集在烟囱附近，落到地面形成“石膏雨”或酸雨，对电厂及周边环境产生污染，甚至腐蚀设备[1].

脱硫装置净烟气中的石膏浆液主要来源于吸收塔喷淋层喷嘴雾化后的细小液滴，小于500 μm的液滴会被烟气携带进入除雾器.由于除雾器对直径15~20 μm的液滴去除率小于50%，对直径小于15 μm的液滴基本不能捕集，导致净烟气中必然含有一定量的石膏浆液液滴.

目前，国内对除雾器特性已有初步研究，如华北电力大学搭建了小液滴试验平台并结合数值模拟方法，对影响除雾器的各特征参数进行了相关的研究[2-4].但有关钩片尺寸的问题相对复杂，实验费时费力，研究相对较少，笔者以此为研究对象，采用数值模拟的方法，对带钩折板式除雾器多种设计方案进行了模拟，以分析不同钩片尺寸对10~40 μm液滴捕集的效果.

1除雾器内流场的计算

1.1模拟假设

含液滴气流在除雾器叶片间弯曲通道中的流动，是一种三维非定常可压缩黏性流体的流动[5].在误差允许的范围内，根据实际情况对模型进行适当的简化[6-7]：

(1) 除雾器弯曲通道内气液流动为典型低雷诺数流动，马赫数远小于0.1，且压降的相对变化较小，故可以把气体视为不可压缩气体来处理.

(2) 由于弯曲流道的高度与宽度之比很大，且除雾器任意流动截面都相同，故可以简化流场为二维平面流场.

1.2计算条件

计算平台采用Fluent 6.1商业软件，用Gambit软件生成网格.

连续相方面，介质采用密度为1.1 kg/m3、动力黏度为1.954 86×10-5N·s/m2的空气.假设气相在入口截面的速度均匀分布，出口表压为0.

离散相方面，介质为脱硫循环浆液，密度为1.2×103kg/m3、动力黏度为5.49×10-4N·s/m2.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[8].

1.3计算模型及网格划分

计算中对气相采用RNGk-ε湍流模型封闭N-S方程，对离散相采用颗粒轨道模型.考虑重力作用和气、液两相间的相互耦合作用.计算区域的划分采用四边形网格，近壁面处采用增强型壁面函数.在钩片附近及回流区域采用较为密集的网格布置方式，以充分计算边界层效应对流场造成的影响.为保证计算精度并避免过大的计算量，整体网格数为2.9万[9].

2钩片计算工况设计

模拟计算对象为如图1所示的加装钩片的折板式除雾器叶片，表1给出了折板式除雾器结构参数.

设计了5种类型的钩片形式，几何参数如表2所示.分别计算液滴粒径为10 μm、15 μm、20 μm、25 μm、30 μm、35 μm和40 μm时，每种板型的除雾效率和进出口压差.

图1　带钩折板式除雾器叶片构型示意图

参数L/mmW/mmD/mmH1/mmH2/mmα/(°)数值84263711090

表2　不同类型钩片的几何参数

3数值模拟结果及分析

3.1模型验证

按照文献[10]的实验参数进行模拟，实验参数如下：叶片转折角为90°，叶片间距为26 mm，烟气中液滴的粒径按发电厂实测设置.为考察液滴破碎与聚并对数值模拟结果的影响，建立带有液滴破碎与聚并特性的模型，并与计算结果进行对比，以完善和验证所建模型的准确性.如图2所示，实验结果与模拟结果在风速Uy为6 m/s以下时的变化趋势相同，而且有聚并破碎模型与实验结果更加吻合.

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3.2钩片长度对除雾器性能的影响

3.2.1钩片长度对除雾效率的影响

图3给出了钩片长度对除雾效率的影响.当钩片宽度为常数(W=4 mm)时，可以看出随着钩片长度的增大，除雾效率逐渐提高.钩片长度为8 mm，风速Uy为2 m/s，液滴粒径为20 μm时，与普通折板式除雾器相比，除雾效率将提高151.07%(如图3(a)).

图2　参考文献[10]中实验结果与本文计算结果的比较

按钩片长度的增大，图4给出了除雾器通道内流场和小液滴的运动轨迹.由图4可知，钩片长度直接关系到钩片间通道拦截气流的程度.钩片长度的增大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概率增加，导致除雾效率提高.一方面，钩片可以直接拦截一定量的液滴；另一方面，钩片可以使携带液滴的烟气加速，从而增大离心力.这2方面保证了加装钩片的除雾器除雾效率的提高.因此，加装钩片使得除雾器通道内湍流程度加剧，流场内扰动的增强可以提高除雾效率.

(a) Uy =2 m/s

(b) Uy =3 m/s

(c) Uy =4 m/s

(d) Uy =5 m/s

3.2.2钩片长度对压降的影响

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.钩片长度的增大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，引起静压的减小.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，会造成压力损失.图5给出了不同钩片长度对压降的影响.

3.3钩片宽度对除雾器性能的影响

3.3.1钩片宽度对除雾效率的影响

图6给出了钩片宽度对除雾效率的影响.由图6可知，钩片宽度不是影响除雾效率的主要因素，但如果去掉钩片(原型)，除雾效率会显著下降.

由于数值模拟无法反映二次携带现象，而原型的叶片没有钩片，发生二次携带的可能性最大，所以需要检验原型叶片是否发生二次携带.根据文献[9]中的实验数据，发生二次携带的临界风速为5.9 m/s，而本文风速最高仅为5 m/s，因此二次携带的情况可以忽略.

(a) 速度分布

(b) 液滴轨迹分布

图5　不同钩片长度对压降的影响

3.3.2钩片宽度对压降的影响

图7给出了钩片宽度与压降的关系.由图7可知，随着钩片宽度的增大，压降略微减小.钩片宽度对气流压降影响很小，这是因为随着钩片宽度的增大，钩片通道的阻塞程度几乎不发生变化.

4高效带钩折板式除雾器叶片

根据对多组工况进行模拟计算分析，综合考虑除雾器除雾效率和压力损失，优选了一种高效的带钩折板式除雾器叶片.该叶片几何参数为：D=26 mm、H1=37 mm、H2=110 mm、α=90°、L=4 mm和W=4 mm.

在5 m/s风速下，带钩折板式除雾器与普通折板式除雾器除雾效率的比较见表3.而带钩折板式除雾器的压降为40.88 Pa, 普通折板式除雾器的压降为35.10 Pa.若采用带钩折板式除雾器，压降增加不多，但除雾效率却明显提高.尤其针对普通除雾器在15~20 μm粒径液滴脱除效率较低的缺点[10]，加装钩片之后可大幅改善.

(a) Uy=2 m/s

(b) Uy=3 m/s

(c) Uy=4 m/s

(d) Uy=5 m/s

图7　不同钩片宽度对压降的影响

Tab.3Comparison of demisting efficiency between vane-type demisters with and without hooks

%

5结论

(1) 对折板式除雾器加装钩片，增强了流场内的扰动，可以大幅提高除雾效率.风速为2 m/s，液滴粒径为20 μm时，钩片长度为8 mm的带钩折板式除雾器比普通折板式除雾器效率高151.07%.

(2) 钩片长度是影响除雾效率的重要因素，而钩片宽度对除雾效率的影响不大.

(3) 随着钩片长度的增大，气流的流动通道变窄，压降增大.随着钩片宽度的增大，大多数工况下，除雾效率和压降都是降低的.

(4) 与普通折板式除雾器相比，如果加装的钩片长度为4 mm，压降增加不多，而除雾效率却显著提高.

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Numerical Study on Performance of Serrated Baffles with Hooks

HONGWenpeng,LEIJianqi

(School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China)

Abstract：Numerical simulation was conducted to gas-liquid two-phase flow in serrated baffles of a wet flue gas desulfurization system using Fluent software, during which the demisting efficiency of serrated baffles with hooks was obtained for different droplet sizes at different air speeds, and subsequently a comparison of demisting performance was made for serrated baffles with five differently-sized hooks. Results show that the demisting efficiency can be effectively improved by adding hooks at the outside of flow turning point; the hook length directly affects the baffling performance over gas flow; the longer the hook is, the higher the demisting efficiency and pressure drop will be. Wider hooks will cause the demisting efficiency and pressure drop to reduce a little bit.

Key words：demister; two-phase flow; hook; numerical simulation

文章编号：1674-7607(2016)01-0059-06

中图分类号：X701

文献标志码：A学科分类号：470.30

作者简介：洪文鹏(1970-)，男，辽宁绥中人，教授，博士，主要从事火力发电厂节能减排等方面的研究.

收稿日期：2014-11-26

修订日期：2015-03-06

雷鉴琦(通信作者)，男，硕士研究生，电话(Tel．)：13943272391；E-mail：80520010@qq.com．