旋流板对烟囱流场及除湿特性影响的数值研究

戴丽萍， 周 强, 姚世刚, 张 惠， 王晓东

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室， 北京 102206)



旋流板对烟囱流场及除湿特性影响的数值研究

戴丽萍， 周 强, 姚世刚, 张 惠， 王晓东

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室， 北京 102206)

利用计算流体力学(CFD)方法，通过求解RANS方程、RNGk-ε湍流模型和DPM离散相模型，对某电站锅炉烟囱加装旋流板前、后的流场特性及水滴运动特性进行了模拟和分析，在此基础上进一步比较了旋流板不同叶片仰角、安装高度、安装级数等参数对烟囱内部流场以及除湿效率的影响.结果表明：综合考虑压力损失和除湿效果2方面因素，叶片仰角为45°、安装高度为30 m的单级旋流板为最优选择.

湿法烟气脱硫； 烟囱； 旋流板； 除湿； 数值模拟

目前,燃煤电站多采用石灰石湿法脱硫系统进行烟气脱硫，烟气经脱硫后SO2被大量吸收，但只有少部分SO3被吸收.同时湿法脱硫后烟气温度降低为50 ℃左右，湿度增大，在取消烟气换热器(GGH)的情况下，烟气极易在烟囱的内壁结露，并溶解SO3等形成低浓度酸液(H2SO4、HCl和其他腐蚀性气体的液体)，从而对烟囱内壁造成腐蚀[1-3].此外，酸液随烟气排放到大气中，易形成烟气飘雨现象和“石膏雨”现象[4-5].目前工程上除湿技术主要包括冷却除湿、吸附除湿、加热除湿、旋风除湿和旋流板除湿等[6],其中旋流板除湿具有负荷大、压降低和结构简单等诸多优点，较适合烟囱中的酸液捕集.

烟囱内的气液流场十分复杂，是一个多组分、与外界存在热交换以及内部存在蒸发和凝结的稀相两相流流场，其中酸液的析出又包含水滴非平衡凝结、凝结成核和增长等微观物理机制，国内外还未见针对含有水滴烟气的真实数值模拟的相关报道.同时，因为烟囱尺寸较大，对烟囱内部气液流场(如液相尺寸、含水率分布)的测量也十分困难.赵毅等[7]对脱硫后烟气冷凝酸液的质量分数进行了数值预测，得到烟气压力等参数对冷凝酸液的影响.关于旋流板中气液两相流动的研究，Bao等[8-10]分别通过实验的方法确定了不同进气参数与喷淋塔中旋流板除尘效率的关联式以及旋流板结构参数与流动阻力的关联式.在数值计算方面，邵雄飞等[11-14]分别基于欧拉两相流模型/欧拉-拉格朗日模型及DPM模型/组分模型给出了流场中压力、速度、湍动能以及液相体积分数分布.关于水滴凝结方面的研究，基本上都是针对水和水蒸气单一物质的.张军强[15]、王智[16]分别采用非平衡凝结流动模型和均质成核模型对液相凝结过程进行了数值模拟.

笔者以某实际电站锅炉烟囱为研究对象，通过求解RANS方程和RNGk-ε湍流模型得到了烟气流场的分布，通过求解DPM离散相模型得到了水滴运动轨迹和运动参数的分布.在此基础上分析了旋流板叶片仰角、安装高度及安装级数对烟囱内流场和除湿效率的影响.

1 物理模型及网格

加装旋流板后的烟囱模型如图1所示,两侧对称进口，底部封闭.旋流板安装在距离地面30 m高度处，旋流板模型如图2所示，旋流板主要尺寸见表1.

(a) 俯视图

(b) 主视图

参数数值罩筒外径Dy/m13．04罩筒内径Dx/m11．32罩筒高度H/m1．19叶片个数N15叶片仰角α/(°)30叶片厚度δ/mm3径向角β/(°)16盲板直径Dm/m3．30

加装旋流板后，烟囱内部烟气流场十分复杂，因此将整个区域分成3部分来划分网格：旋流板区域及其上、下区域，各部分均采用非结构网格，使之具有更好的适应性.在旋流板附近进行了网格加密处理，计算后旋流板表面y+值均处于10～30，符合RNGk-ε湍流模型与标准壁面函数法的要求.为了加快计算速度，将四面体网格转化为多面体网格，后者网格数约为四面体网格数的1/5.最终网格总数为120万，如图3所示.

2 边界条件及数值计算方法

如前所述，烟囱内部流场为多组分、与外界存在热交换、内部存在凝结的复杂流场，精确地对其进行模拟十分困难.基于烟气中水滴的凝结大多在进口处发生、湿法脱硫后烟气温度较低等现象，在本文的计算过程中对模型进行了如下几点简化：

(1) 烟囱内部壁面假设为绝热边界条件.

(2) 烟气成分为包括氮气、水蒸气在内的多组分混合气体，为了计算方便，流体属性参数按体积分数大的氮气进行设置.

(a)烟囱流场网格(b)叶片表面网格

图3 加装旋流板后烟囱流场网格划分

Fig.3 Grid distribution for flow field in the chimney with swirl vane

(3) 烟气携带的小水滴在两侧进口均匀进入，烟囱进口处水分质量浓度为120 mg/m3[12]，水滴与烟气以相同速度均匀进入.

(4) 忽略水滴颗粒之间的相互作用力，考虑重力的影响.

(5) 水滴撞击到烟囱内壁或旋流板叶片时，全部被捕捉.

(6) 水滴在流动过程中不发生相互撞击、凝结及相变.

在上述基础上，采用RANS方程和适合求解旋转流动的RNGk-ε湍流模型对气相进行求解，RANS方程的通用形式为：

(1)

式中：φ为通用变量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项；t为温度；ρ为气体密度；u为气体速度.

RNGk-ε湍流模型中湍动能k和湍动能耗散率ε的方程为：

(2)

(3)

压力和速度之间的耦合采用Simple算法进行，进口给定速度边界条件，出口给定压力值，壁面为无滑移、绝热壁面条件.

根据目前的计算手段，可采用组分输运方程或DPM离散相模型得到水滴的运动特性.前者考虑了水滴的传质传热，因此可以模拟出水滴的蒸发，但由于无法获得水蒸气在烟气中的浓度场而无法考虑水滴的凝结；后者忽略了水滴与周围烟气的传质.考虑到水滴在接近饱和状态的烟气中运动时的真实情况为凝结大于蒸发，因此采用DPM离散相模型来计算水滴的运动轨迹及运动特性,其控制方程如下：

3 计算结果与分析

3.1 方法验证

有关烟囱内水滴运动特性的试验数据较少，笔者采用文献[17]中弯管的冲蚀率数据来验证颗粒运动特性的计算方法，结果如图4所示.其中，冲蚀率采用的颗粒运动特性计算方法与本文中方法相同，颗粒属性及其冲蚀率模型等详细信息可参考文献[18].由图4可知，计算得到的冲蚀率与试验值趋势比较吻合，说明预测所得颗粒运动速度和碰撞位置与实际相符.

图4 计算所得冲蚀率与试验值的对比

Fig.4 Comparison of erosion rate between calculated results and actual measurements

3.2 流线分布

烟囱两侧对称进气时，烟囱内流场呈现明显的对称分布，如图5所示.在进口底部进入烟囱的气流会形成底部漩涡，之后流入上部主流区.从进口中、上部流入的烟气经过弯管流动后方向发生折转，形成典型的内、外2个通道涡，同时由于圆形管道及2个进口的对称性，在这一截面共形成8个通道涡.经过旋流板后，流体会形成沿径向层次鲜明的螺旋运动，并保持该运动形态直至出口.

图5 三维流线及表面流线分布

3.3 中心截面速度及压力分布

旋流板会对烟囱内烟气速度及压力分布产生较大影响，如图6和图7所示.从图6的3个高度截面上速度型线分布来看，无旋流板时，烟囱内流场速度为比较饱满的管道湍流流动型线分布；而有旋流板时，受旋流影响，速度型线分布为中心低、两端高，到近壁面边界层处又迅速减小.从图7压力分布来看，无旋流板时在相同高度截面上压力分布比较平均，随烟气流动的发展压力逐渐降低;有旋流板时，气流经过旋流板产生较大的压力损失，经过旋流板之后受旋流作用的影响，压力分布为中心低、两端高，并随流动发展在相同高度截面上逐渐趋向平均.

3.4 颗粒运动特性

计算中，在0.05 ～0.3 mm之间取颗粒直径的3种典型数值，小于此范围，颗粒基本跟随烟气流出烟囱；大于此范围，颗粒完全降落到烟囱底部.图8给出了2种典型直径的水滴在烟囱内的流动轨迹.由图8可见，水滴直径较小时，烟气对水滴颗粒的携带能力较强，水滴通过旋流板后需要运动很长一段路径方能被烟囱壁面捕捉.随着水滴直径的增大，在进口截面底部的水滴跟随气体进入底部漩涡区域，该区域气体流速较低，受到重力作用的影响，水滴会落入到烟囱底部.在进口截面中上部进入的水滴跟随气体进入到旋流板，并在离心力的作用下甩到烟囱内壁上，被内壁面吸收.

图6 3个高度截面上速度型线分布

(a)无旋流板(b)有旋流板

图7 烟囱中心截面压力分布

Fig.7 Pressure distribution on center section of the chimney

为了表征旋流板的除湿能力，文中引入除湿效率和累积除湿效率的概念.以20 m高度为例，20～25 m高度内捕捉的水滴流量占总流量的比值为该处的除湿效率，0～25 m高度内捕捉到的水滴流量占总流量的比值为该处的累积除湿效率.不同粒径时的除湿效率和累积除湿效率沿烟囱高度的分布如图9和图10所示.由图9和图10可见：(1) 除湿效率曲线均出现3个驼峰，第一个驼峰在高度为5 m处，是2个横向进口管道处部分颗粒撞击到壁面形成的.第2个和第3个驼峰分别对应旋流板叶片和旋流板上方的高效除湿区.(2) 对应除湿效率的分布，累积除湿效率曲线为存在1个平台或2个平台的近线性分布.(3) 粒径越大，旋流板除湿效果越好.即便是0.01 mm的小颗粒，旋流板上方30 m处的累积除湿效率也可以达到80%.

(a)0．05mm颗粒轨迹(b)0．3mm颗粒轨迹

图8 加装旋流板后烟囱内水滴的流动轨迹

Fig.8 Droplet trajectories in the chimney with swirl vane

图9 不同粒径下除湿效率

图10 不同粒径下累积除湿效率

Fig.10 Cumulative dehumidification efficiency under different droplet diameters

4 不同叶片仰角下旋流板流动阻力及除湿特性的比较

为了研究不同叶片仰角对旋流板除湿能力的影响，对叶片仰角α为30°、45°及60°的旋流板的烟囱流场进行了数值模拟.3个叶片仰角下烟囱截面平均压力分布如图11所示.由图11可以看出，3个叶片仰角下烟囱截面平均压力分布规律基本类似，经过旋流板时产生较大压力损失，之后经过10 m左右的压力恢复区，再随着烟囱高度的增加，速度增大、压力下降.通过比较可以发现，旋流板叶片仰角越小，造成的压力损失越大.

图11 不同叶片仰角下烟囱内截面平均压力分布

Fig.11 Average pressure distribution on inner section of the chimney under different vane elevations

3个旋流板叶片仰角下不同粒径水滴的累积除湿效率见图12.由图12可以看出，对于小粒径(0.1 mm)的水滴颗粒，30°及45°叶片仰角的旋流板的除湿能力明显优于60°叶片仰角的旋流板；对于大粒径(0.2 mm和0.3 mm)的水滴颗粒，3个叶片仰角的旋流板均有良好的除湿效果.其中，30°与45°叶片仰角的旋流板对不同粒径水滴的累积除湿效率均相差不大，而60°叶片仰角的旋流板与前两者相比，累积除湿效率曲线明显下降，除湿效果明显降低.

通过对不同叶片仰角旋流板压力损失及累积除湿效率的比较发现，30°叶片仰角和45°叶片仰角的旋流板累积除湿效率接近，而30°叶片仰角旋流板的压力损失明显大于45°叶片仰角的旋流板，因此基于累积除湿效率及运行阻力2方面因素的考虑，得出α取值45°为最优叶片仰角.

5 旋流板安装位置对除湿效率的影响

为了得到更理想的效果，针对叶片仰角为45°的旋流板，分别对安装高度为30 m、40 m和50 m的单级旋流板进行数值模拟，并对在30 m和50 m处同时安装旋流板的双级旋流板进行数值模拟.两级之间有一定距离是为了防止上面一级旋流板产生的中心低压区对下面一级旋流板的除湿效率造成负面影响.不同安装高度和安装级数下0.2 mm颗粒的累积除湿效率和进、出口压力分别如图13和图14所示.由图13和图14可以观察到，30 m单级旋流板和30 m+50 m两级旋流板的除湿效率基本是一致的，说明通过增加级数来改善除湿效果是不可取的.其次，旋流板安装位置越靠下，除湿效果越好，并且进、出口压差损失也越小.值得注意的是，两级旋流板造成的压力损失并没有想象中大，反而低于50 m单级旋流板的压力损失.

(a) 颗粒直径0.1 mm

(b) 颗粒直径0.2 mm

(c) 颗粒直径0.3 mm

Fig.12 Cumulative dehumidification efficiency under different vane elevations

图13 不同旋流板安装高度和安装级数下0.2 mm颗粒累积除湿效率分布

Fig.13 Cumulative dehumidification efficiency for 0.2 mm droplets at different installation heights and stage numbers

图14 不同旋流板安装高度和安装级数下烟囱内截面平均压力分布

Fig.14 Average pressure distribution on inner section of the chimney at different installation heights and stage numbers

6 结 论

(1) 加装旋流板可以有效地减少烟囱出口烟气中的含水量，代价是增大了烟囱内烟气的流动阻力.

(2) 旋流板对不同粒径水滴颗粒的除湿规律类似：除湿效率曲线为存在3个驼峰的曲线，累积除湿效率曲线为存在1个平台或2个平台的线性曲线.

(3) 随着旋流板叶片仰角的减小，压力损失增大，除湿效率先增大后基本保持不变；随着旋流板安装高度的增加，累积除湿效率略有降低，压力损失增大；增加旋流板级数不会增强除湿效果.

(4) 针对本文中的烟囱形式，旋流板安装高度取30 m、叶片仰角取45°能达到除湿和降低压力损失的综合最优效果.

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Effects of Swirl Vane on Flow Field and Dehumidification Characteristics of a Chimney

DAILiping,ZHOUQiang,YAOShigang,ZHANGHui,WANGXiaodong

(MOE's Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Simulation and analysis were conducted on the flow field and droplet trajectory in a boiler chimney with and without swirl vane using CFD software combined with RANS equations, RNGk-εturbulence model and discrete phase model, based on which, the effects of following factors on the flow field and dehumidification efficiency of the chimney were analyzed, such as the vane elevation, installation height and stage number, etc. Results show that by comprehensively considering the pressure loss and dehumidification effect, the optimal swirl vane would be of the single-stage kind, with a vane elevation of 45° and an installation height of 30 m.

wet flue gas desulphurization; chimney; swirl vane; dehumidification; numerical simulation

2015-07-21

国家自然科学基金资助项目(51176046)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015MS37)

戴丽萍(1979-)，女，山东武城人，讲师，博士，研究方向为叶轮机械及风力机空气动力学.电话(Tel.)：010-61771024； E-mail：dailiping@ncepu.edu.cn.

1674-7607(2016)10-0842-07

TK284.5

A 学科分类号：470.30