加裝鉤片對除霧器性能影響的數值研究

洪文鵬,　雷鑒琦

(東北電力大學 能源與動力工程學院， 吉林省吉林 132012)

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加裝鉤片對除霧器性能影響的數值研究

洪文鵬,雷鑒琦

(東北電力大學 能源與動力工程學院， 吉林省吉林 132012)

摘要：采用Fluent軟件對濕法煙氣脫硫系統中除霧器內氣液兩相流場進行數值模擬，得到加裝鉤片后的除霧器在不同液滴粒徑和風速下的除霧效率，并對比分析了5種不同尺寸鉤片形式的除霧器性能.結果表明：除霧器內流場偏向葉片轉彎處外側，在此位置加裝鉤片可有效提高除霧效率；鉤片長度直接影響其對氣流的攔截程度，隨著鉤片長度的增大，除霧效率顯著提高，同時壓降也有所增加；鉤片寬度的增大導致除霧效率與壓降均略微降低.

關鍵詞：除霧器； 兩相流動； 鉤片； 數值模擬

目前，大部分火力發電廠脫硫系統采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，取消了氣氣熱交換器(gas gas heater，GGH)裝置，直接將凈煙氣從煙囪排出，煙囪則采用鈦合金等材料作為內襯防腐材料，形成“濕煙囪”排放.無GGH裝置的脫硫系統投產后，雖有效地避免了GGH的堵塞問題，但由于無煙氣再熱措施，排煙溫度較低，帶有飽和水汽的凈煙氣在排出的過程中部分冷凝形成液滴，煙氣自煙囪口排出后不能有效地抬升、擴散到大氣中，煙氣中攜帶的粉塵及液滴聚集在煙囪附近，落到地面形成“石膏雨”或酸雨，對電廠及周邊環境產生污染，甚至腐蝕設備[1].

脫硫裝置凈煙氣中的石膏漿液主要來源于吸收塔噴淋層噴嘴霧化后的細小液滴，小于500 μm的液滴會被煙氣攜帶進入除霧器.由于除霧器對直徑15~20 μm的液滴去除率小于50%，對直徑小于15 μm的液滴基本不能捕集，導致凈煙氣中必然含有一定量的石膏漿液液滴.

目前，國內對除霧器特性已有初步研究，如華北電力大學搭建了小液滴試驗平臺并結合數值模擬方法，對影響除霧器的各特征參數進行了相關的研究[2-4].但有關鉤片尺寸的問題相對復雜，實驗費時費力，研究相對較少，筆者以此為研究對象，采用數值模擬的方法，對帶鉤折板式除霧器多種設計方案進行了模擬，以分析不同鉤片尺寸對10~40 μm液滴捕集的效果.

1除霧器內流場的計算

1.1模擬假設

含液滴氣流在除霧器葉片間彎曲通道中的流動，是一種三維非定常可壓縮黏性流體的流動[5].在誤差允許的范圍內，根據實際情況對模型進行適當的簡化[6-7]：

(1) 除霧器彎曲通道內氣液流動為典型低雷諾數流動，馬赫數遠小于0.1，且壓降的相對變化較小，故可以把氣體視為不可壓縮氣體來處理.

(2) 由于彎曲流道的高度與寬度之比很大，且除霧器任意流動截面都相同，故可以簡化流場為二維平面流場.

1.2計算條件

計算平臺采用Fluent 6.1商業軟件，用Gambit軟件生成網格.

連續相方面，介質采用密度為1.1 kg/m3、動力黏度為1.954 86×10-5N·s/m2的空氣.假設氣相在入口截面的速度均勻分布，出口表壓為0.

離散相方面，介質為脫硫循環漿液，密度為1.2×103kg/m3、動力黏度為5.49×10-4N·s/m2.給定液滴的初始速度與煙氣入口速度一致，液滴在入口截面上均勻分布[8].

1.3計算模型及網格劃分

計算中對氣相采用RNGk-ε湍流模型封閉N-S方程，對離散相采用顆粒軌道模型.考慮重力作用和氣、液兩相間的相互耦合作用.計算區域的劃分采用四邊形網格，近壁面處采用增強型壁面函數.在鉤片附近及回流區域采用較為密集的網格布置方式，以充分計算邊界層效應對流場造成的影響.為保證計算精度并避免過大的計算量，整體網格數為2.9萬[9].

2鉤片計算工況設計

模擬計算對象為如圖1所示的加裝鉤片的折板式除霧器葉片，表1給出了折板式除霧器結構參數.

設計了5種類型的鉤片形式，幾何參數如表2所示.分別計算液滴粒徑為10 μm、15 μm、20 μm、25 μm、30 μm、35 μm和40 μm時，每種板型的除霧效率和進出口壓差.

圖1　帶鉤折板式除霧器葉片構型示意圖

參數L/mmW/mmD/mmH1/mmH2/mmα/(°)數值84263711090

表2　不同類型鉤片的幾何參數

3數值模擬結果及分析

3.1模型驗證

按照文獻[10]的實驗參數進行模擬，實驗參數如下：葉片轉折角為90°，葉片間距為26 mm，煙氣中液滴的粒徑按發電廠實測設置.為考察液滴破碎與聚并對數值模擬結果的影響，建立帶有液滴破碎與聚并特性的模型，并與計算結果進行對比，以完善和驗證所建模型的準確性.如圖2所示，實驗結果與模擬結果在風速Uy為6 m/s以下時的變化趨勢相同，而且有聚并破碎模型與實驗結果更加吻合.

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3.2鉤片長度對除霧器性能的影響

3.2.1鉤片長度對除霧效率的影響

圖3給出了鉤片長度對除霧效率的影響.當鉤片寬度為常數(W=4 mm)時，可以看出隨著鉤片長度的增大，除霧效率逐漸提高.鉤片長度為8 mm，風速Uy為2 m/s，液滴粒徑為20 μm時，與普通折板式除霧器相比，除霧效率將提高151.07%(如圖3(a)).

圖2　參考文獻[10]中實驗結果與本文計算結果的比較

按鉤片長度的增大，圖4給出了除霧器通道內流場和小液滴的運動軌跡.由圖4可知，鉤片長度直接關系到鉤片間通道攔截氣流的程度.鉤片長度的增大會使氣流在通道內發生劇烈偏轉，致使液滴在慣性力的作用下脫離連續相的流線，直接撞擊鉤片表面的概率增加，導致除霧效率提高.一方面，鉤片可以直接攔截一定量的液滴；另一方面，鉤片可以使攜帶液滴的煙氣加速，從而增大離心力.這2方面保證了加裝鉤片的除霧器除霧效率的提高.因此，加裝鉤片使得除霧器通道內湍流程度加劇，流場內擾動的增強可以提高除霧效率.

(a) Uy =2 m/s

(b) Uy =3 m/s

(c) Uy =4 m/s

(d) Uy =5 m/s

3.2.2鉤片長度對壓降的影響

煙氣在折板式除霧器中流動時，會在流道彎曲的區域形成回流區.鉤片長度的增大使流道變得更加狹窄，氣流在通流面積減小時速度增大，離心力隨之增大，以致產生更大的漩渦.每一個回流區都會阻塞通道，使得主流加速，引起靜壓的減小.隨著流道變寬、流體的逐漸減速和回流區下游的再附著，壓力會逐漸恢復，但是由于能量的耗散，壓力無法完全恢復，會造成壓力損失.圖5給出了不同鉤片長度對壓降的影響.

3.3鉤片寬度對除霧器性能的影響

3.3.1鉤片寬度對除霧效率的影響

圖6給出了鉤片寬度對除霧效率的影響.由圖6可知，鉤片寬度不是影響除霧效率的主要因素，但如果去掉鉤片(原型)，除霧效率會顯著下降.

由于數值模擬無法反映二次攜帶現象，而原型的葉片沒有鉤片，發生二次攜帶的可能性最大，所以需要檢驗原型葉片是否發生二次攜帶.根據文獻[9]中的實驗數據，發生二次攜帶的臨界風速為5.9 m/s，而本文風速最高僅為5 m/s，因此二次攜帶的情況可以忽略.

(a) 速度分布

(b) 液滴軌跡分布

圖5　不同鉤片長度對壓降的影響

3.3.2鉤片寬度對壓降的影響

圖7給出了鉤片寬度與壓降的關系.由圖7可知，隨著鉤片寬度的增大，壓降略微減小.鉤片寬度對氣流壓降影響很小，這是因為隨著鉤片寬度的增大，鉤片通道的阻塞程度幾乎不發生變化.

4高效帶鉤折板式除霧器葉片

根據對多組工況進行模擬計算分析，綜合考慮除霧器除霧效率和壓力損失，優選了一種高效的帶鉤折板式除霧器葉片.該葉片幾何參數為：D=26 mm、H1=37 mm、H2=110 mm、α=90°、L=4 mm和W=4 mm.

在5 m/s風速下，帶鉤折板式除霧器與普通折板式除霧器除霧效率的比較見表3.而帶鉤折板式除霧器的壓降為40.88 Pa, 普通折板式除霧器的壓降為35.10 Pa.若采用帶鉤折板式除霧器，壓降增加不多，但除霧效率卻明顯提高.尤其針對普通除霧器在15~20 μm粒徑液滴脫除效率較低的缺點[10]，加裝鉤片之后可大幅改善.

(a) Uy=2 m/s

(b) Uy=3 m/s

(c) Uy=4 m/s

(d) Uy=5 m/s

圖7　不同鉤片寬度對壓降的影響

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

%

5結論

(1) 對折板式除霧器加裝鉤片，增強了流場內的擾動，可以大幅提高除霧效率.風速為2 m/s，液滴粒徑為20 μm時，鉤片長度為8 mm的帶鉤折板式除霧器比普通折板式除霧器效率高151.07%.

(2) 鉤片長度是影響除霧效率的重要因素，而鉤片寬度對除霧效率的影響不大.

(3) 隨著鉤片長度的增大，氣流的流動通道變窄，壓降增大.隨著鉤片寬度的增大，大多數工況下，除霧效率和壓降都是降低的.

(4) 與普通折板式除霧器相比，如果加裝的鉤片長度為4 mm，壓降增加不多，而除霧效率卻顯著提高.

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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

文章編號：1674-7607(2016)01-0059-06

中圖分類號：X701

文獻標志碼：A學科分類號：470.30

作者簡介：洪文鵬(1970-)，男，遼寧綏中人，教授，博士，主要從事火力發電廠節能減排等方面的研究.

收稿日期：2014-11-26

修訂日期：2015-03-06

雷鑒琦(通信作者)，男，碩士研究生，電話(Tel．)：13943272391；E-mail：80520010@qq.com．