管束式除霧器除霧特性數值模擬

黃逸+梁汝俏

摘 要：采用計算流體力學（CFD）對管束式除霧器內部流場進行數值計算，分析除霧效率及壓力損失隨葉片傾角、顆粒粒徑、煙氣流速等參數的變化規律。結果表明：除霧效率隨顆粒粒徑及煙氣流速的增大而增加，隨葉片傾角的增大而減小；壓力損失隨煙氣流速的增大而增加，隨葉片傾角的增大而減小；葉片傾角15°的管束壓力損失過大，不符合實際應用；葉片傾角60°的管束適合作為前級粗除霧，控制進入后級除霧器的顆粒濃度；葉片傾角30°的管束適合作為后級精除霧，控制吸收塔的顆粒排放總量。

關鍵詞：除霧器；吸收塔；葉片傾角；煙氣流速；顆粒粒徑；除霧效率；壓降

1 概述

在燃煤鍋爐末端脫硫過程中，控制吸收塔后煙囪顆粒物排放含量的設施主要為折流板除霧器與濕式電除塵的串聯組合。折流板除霧器在其工作流速下，對粒徑20μm以上顆粒的去除效率顯著，但是對粒徑20μm以下小顆粒的去除效率不佳[1]；后級濕式電除塵雖對細小顆粒有較好的去除效率，但是存在功耗大、易腐蝕、運行成本高、易發生擊穿而導致除霧效率下降等缺點，不利于企業的長期使用[2]。隨著環保力度的加大，在超低排放政策下，如何對細小顆粒進行高效率地去除，同時保證運行成本的可持續性，是亟待解決的難題。

管束式除霧器是近年來興起并逐漸得到應用的新型高效除霧器，具有對細小顆粒去除效率高、阻力小、投資成本低、維護簡單等特點[3]。已有神華國華孟津電廠[4]、重慶神華萬州電廠[5]、河北國華定州電廠[6]等多個電廠采用管束式除霧器實現了顆粒物的超低排放，即在吸收塔入口顆粒物含量≤30mg/Nm3的前提下，吸收塔煙囪出口顆粒物含量≤5mg/Nm3，并可在長時間連續穩定運行。

目前，對于管束式除霧器的研究主要集中在工程實踐階段，通過對部分已投運的脫硫機組出，入口粉塵含量及煙氣壓力進行檢測，獲取除塵效率、壓力損失等相關數據。但除霧器運行環境為氣-液-固三相耦合，影響因素多、工況復雜，通過實際工程僅能獲取綜合除霧效率，且開發成本高、周期長、可視化效果差，難以針對性地對除霧器進行優化設計。

計算流體力學（CFD）是一種快速發展的數值仿真技術，該技術可克服實際工程試驗研究的局限性，利用該技術對除霧器除霧性能開展的研究備受關注。石振晶等[7]采用低雷諾數k-ε模型對波紋板除霧器不同流速下的除霧特性進行了對比分析。何思程等[8]采用RNG湍流模型對旋流板除霧器流場及壓降特性進行了模擬。Udalova等[9]采用標準k-ε模型預測波紋板除霧器除霧效率。Wu等[10]采用STD和低雷諾數k-ε模型對折流板除霧器進行了研究，并與實驗結果對比得出低雷諾數k-ε湍流模型與實驗結果更為接近的結論。國內部分學者[11-20]采用歐拉-拉格朗日模型對吸收塔內多種除霧器進行了數值計算。然而，對管束式除霧器除霧特性進行的數值模擬較少。

本文采用CFD技術對管束式除霧器流場進行模擬，考察了煙氣流速、葉片角度、顆粒粒徑等參數對除霧效率及壓力損失的影響，為管束式除霧器的進一步優化設計提供依據。

2 模型建立與計算方法

2.1 流場計算的假設

管束式除霧器由為多個圓筒組成，圓筒內周向布置扇形葉片。煙氣攜帶大量液滴，經葉片旋流后產生向上的離心運動。液滴慣性較大，易脫離煙氣的旋流軌跡而甩向壁面，粘附在壁面上下滑，從而實現氣液分離。為在保證與實際情況盡可能契合的前提下減小計算量，本文僅針對單個管束通道內的煙氣流動進行流場計算，并做出以下假設與簡化：

（1）煙氣流場為定常流場，流動參數不隨時間變化。

（2）將煙氣視為不可壓縮氣體。

（3）忽略葉片厚度，將其視為無限薄的面。

（4）以水代替漿液，且顆粒直徑視為恒定，忽略蒸發，冷凝，聚并等過程。

（5）顆粒碰到壁面即視為被捕捉，不再參與剩余計算過程。

2.2 模型的建立

采用三維建模軟件solidworks對管束式除霧器進行幾何建模，采用專業網格劃分軟件icem對模型進行非結構化網格劃分。由于葉片處煙氣流態發生急劇改變，為加強計算的精度，對葉片處網格進行適當加密。計算域總網格數約140萬。

2.3 氣相流場計算方法

將煙氣視為連續相，采用歐拉法計算氣相流場，通用方程為：

式中：ρ-氣相密度；？覫-通用場變量；t-時間；u-氣相速度；Γ-擴散系數；S-源項。在連續性方程、動量方程及能量方程中，通用場變量？覫和 Γ分別為1、u、T和0、μ、K/c，其中T-氣相溫度，μ-動力粘度，K-傳熱系數，c-比熱容。

采用三維雷諾時均Navier-stokes處理湍流，由于煙氣經過葉片后產生強烈旋流，故本文采用對旋流適應性較好的realizable k-ε雙方程模型描述雷諾應力，采用標準壁面函數描述近壁面流動情況。

2.4 顆粒離散相計算方法

將顆粒視為離散相，采用拉格朗日法計算顆粒的運動軌跡。顆粒在氣相中所占質量比例較小，可忽略氣相與顆粒的雙向耦合作用，僅計算顆粒在氣相作用下的運動軌跡，顆粒的受力方程為：

式中：up-顆粒速度；u-氣相速度；t-顆粒運動時間；FD-氣相對顆粒的曳力；gx-重力加速度；ρp-顆粒密度；ρ-氣相密度；Fx-外加加速度。

其中：

式中Re為相對雷諾數，表達式為：

顆粒從入口釋放，觸碰到圓筒壁面或葉片即認為被捕集，不再參與剩余計算過程。計算完畢后統計入口和出口的顆粒質量流量，計算得到除霧器效率：

式中：Qmin-入口顆粒質量流量；Qmout-出口顆粒質量流量。

脫硫塔內顆粒粒徑分布范圍較廣，通常在一至數百微米之間。本文將管束式除霧器布置在二級折流板除霧器之后，粒徑20μm以上的顆粒絕大部分已經去除，因此本文不考慮粒徑在20μm以上的顆粒，將顆粒粒徑范圍設定為1～20μm。

2.5 邊界條件

本文主要考察管束式除霧器葉片角度，煙氣流速及入口顆粒粒徑對除霧特性的影響。葉片傾角分別為15°、30°、45°和60°，邊界條件均為速度入口、壓力出口和無滑移壁面。

對每個葉片傾角不同的考察對象，均設置入口煙氣速度分別為2m/s、3m/s、4m/s、5m/s，6m/s和7m/s；顆粒粒徑分別為1μm、2μm、5μm、10μm、15μm和20μm；入口顆粒質量流量均為30mg/m3。

3 計算結果與分析

3.1 流場分析

在煙氣流速u=4m/s、顆粒粒徑dp=10μm條件下，4種不同葉片傾角的管束管束式除霧器管束內的顆粒運動軌跡及速度分布如圖1所示。

由圖1可以看出，煙氣經過葉片時，在慣性作用下形成旋流，顆粒也隨煙氣發生旋轉。大部分顆粒被甩至筒壁上被捕集，小部分顆粒隨煙氣逃逸出筒外；葉片傾角越小，煙氣形成的旋流越強，顆粒越容易被甩至壁面上去除；葉片傾角為15°及30°時，所有顆粒經過一級葉片，未到達二級葉片之前已被全部去除，脫除效率較高。

3.2 顆粒粒徑對除霧效率的影響

在葉片傾角為30°條件下，顆粒粒徑對除霧效率的影響如圖2所示。

由圖2可以看出，管束式除霧器除霧效率隨顆粒粒徑的增大而增加。這是因為不同粒徑的質量不同，其慣性力也不同。粒徑越大的顆粒質量越大，慣性力越大，則速度改變的趨勢越慢，越容易撞擊到葉片上，從而越容易被捕集分離。

3.3 煙氣流速對除霧效率的影響

在顆粒粒徑為5μm條件下，煙氣流速對除霧效率的影響如圖3所示。

由圖3可以看出，在葉片傾角為15°與60°情況下，隨煙氣流速增加，除霧效率沒有明顯變化。這是因為在葉片傾角較小時，葉片間的間隙較小，即使較低的流速也能使顆粒撞擊至葉片上被充分捕集；在葉片傾角較大時，一方面葉片間的間隙較大，顆粒容易穿過葉片間隙而不被葉片捕集。另一方面較大的葉片傾角使煙氣的旋流作用減弱，即使增加煙氣流速也難以帶動顆粒軌跡發生偏折，顆粒難以被筒壁捕集而隨煙氣逃逸。

在葉片傾角為30°與45°情況下，隨煙氣流速增加，除霧效率也增加。這是因為顆粒的捕集效果是顆粒慣性運動及顆粒本身布朗運動的綜合體現。在煙氣流速較低時，顆粒布朗運動的效應大于慣性運動的效應，顆粒軌跡不穩定，容易穿過葉片間隙并隨煙氣逃逸；在煙氣流速較高時，顆粒慣性運動占據主導地位，使顆粒產生強旋流運動而被甩至筒壁上捕集。

3.4 葉片層數對除霧效率的影響

在煙氣流速為4m/s，葉片傾角為30°條件下，葉片層數對除霧效率影響如圖4所示。

由圖4可以看出，葉片層數對除霧效率具有一定影響。在顆粒粒徑較小時，除霧效率隨葉片層數增多而增加；在顆粒粒徑較大時，除霧效率沒有明顯變化。這是因為在顆粒粒徑較小時，單層葉片對顆粒的攔截效率有限，無法將微小顆粒全部捕集，將多級葉片串聯后可發揮協同除塵性能，提高除霧效率；在顆粒粒徑較大時，單層葉片的攔截效率較高，可將顆粒全部攔截，使其不隨煙氣攜帶逃逸，而后級葉片未能發揮作用。此時除霧效率由第一級葉片決定，不隨葉片層數增加而增加。

3.5 葉片傾角對除霧效率的影響

在煙氣流速為4m/s條件下，葉片傾角對除霧效率的影響如圖5所示。

由圖5可以看出，葉片傾角對除霧效率的影響顯著，不同粒徑下葉片傾角對除霧效率的影響趨勢相同，即隨葉片傾角的減小，除霧效率迅速減小。這是因為葉片傾角的減小，一方面縮小了葉片間的間距，使過流面積減小，導致大部分顆粒撞擊到葉片的機會增多，容易被葉片截留下來的顆粒數量也增加；另一方面越小的葉片傾角使煙氣產生越大的旋流運動，帶動顆粒轉向旋切撞擊到壁面上而被捕集，增加了除霧效率。

3.6 煙氣流速對壓力損失的影響

不同葉片傾角下，管束式除霧器的壓力損失隨煙氣流速的變化趨勢如圖6所示。

由圖6可以看出，在四種不同葉片傾角下，管束式除霧器壓力損失均隨煙氣流速的增加而增大，且傾角角度越小，壓力損失越大。這是因為小的葉片傾角使煙氣的流動方向急劇改變，煙氣經過葉片時發生邊界層分離，在葉片后方形成漩渦區。漩渦在生成與消散的過程中，局部流動進行急劇的調整，煙氣內摩擦作用加劇，產生機械能損失，導致壓力下降。且葉片傾角越小，煙氣機械能損失越大，壓力下降越明顯。

4 結束語

（1）隨顆粒粒徑及煙氣流速的增大，管束式除霧器除霧效率增加；隨葉片角度的增大，管束式除霧器除霧效率降低。

（2）管束式除霧器的壓力損失隨煙氣流速的增加而增大。同一工況下，葉片傾角15°的管束式除霧器壓降最大，其次為葉片傾角30°與葉片傾角45°的管束式除霧器，葉片傾角60°的管束式除霧器壓降最小。

（3）在實際應用中，應綜合考慮除霧效率、壓力損失、顆粒物排放指標等條件，合理選取管束式除霧器。葉片傾角15°的管束壓力損失過大，雖對粗顆粒及細顆粒均有高的去除效率，但需要較大的動力，不符合實際工程應用的條件。傾角60°的管束壓力損失小，雖對小顆粒捕集效果不佳，但是對大顆粒具有較高的去除效率，適合作為塔內前級除霧器進行粗除霧，減輕后段除霧器的負荷；葉片傾角30°的管束壓力損失適中，對小顆粒具有較高的去除效率，適合作為精除霧，控制吸收塔的顆粒排放總量。在前端已有折流板除霧器進行預除塵的情況下，選取管束式除霧器葉片層數為兩層即可具有較高的除霧效率，達到顆粒物超低排放的要求。

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