除霧器內二次攜帶液滴的數值模擬*

張 博， 鞏時尚， 何遠正

(中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司, 西安 710032)

目前工業應用中，濕法煙氣脫硫系統大多采用折流板除霧器[1-2]。某電廠折流板除霧器出口的煙氣含有一定量的石膏漿液：一方面是該類除霧器對粒徑較小的液滴脫除效率較低，甚至不能脫除；另一方面是煙氣流過該類除霧器時發生二次攜帶。對于前者，大多通過對除霧器加裝鉤片、排液槽等來提高除霧效率，解決較小粒徑液滴脫除率低的問題[3-5]；對于后者，國內外的研究較少，且相關研究資料匱乏。計算流體力學(CFD)技術在除霧器性能的預測和流動分析方面有著絕對優勢，并且液膜流動方向與氣流流動方向垂直，使液膜在流場中的運動具有三維三相特征[6-7]。

筆者采用數值模擬對除霧器二次攜帶液滴的機理進行分析，并對板壁液膜厚度分布及二次攜帶發生位置進行研究，提出了相應改善措施。

1 機理分析

液滴在除霧器內的運動見圖1。

圖1 二次攜帶液滴的機理

一部分液滴隨著氣流流動通過彎曲的折板通道；另一部分液滴會與板壁相互碰撞，使得除霧器內產生二次攜帶液滴。筆者分析認為除霧器內二次液滴可能有4種來源：(1)液滴在除霧器內流動，氣流對液滴產生過大的剪切力而使得液滴破碎；(2)液滴在除霧器內流動，撞擊到葉片上的液膜而發生飛濺；(3)液膜存在于除霧器葉片，除霧器中氣流過大的剪切力造成液膜剝落；(4)液膜在除霧器葉片上流動，流至葉片轉角因其慣性而發生液膜分離。

對于第1種情況，液滴是由于氣體產生的氣動力而發生破碎，可根據液滴韋伯數Wed判斷，當Wed>13時，氣流中的液滴將破碎。Wed定義為：

Wed=ρg(ug-ud)2D/σ

(1)

式中：ρg為氣體密度，kg/m3；ug為氣體速度，m/s;ud為液滴速度，m/s；σ為液滴的表面張力，N/m2；D為液滴直徑，m。

對于第2種情況，液滴撞擊壁面的過程根據液滴撞擊能量和壁面溫度的不同可產生粘附、反彈、鋪展、飛濺。這4種結果也可根據Wed來判斷，其判別式同式(1)。當Wed<5時，液滴粘附；當5C時，液滴飛濺。因為粘附和鋪展是液膜的成因，只有當壁面溫度高于液滴沸騰溫度時，液滴才會發生反彈，而筆者進行的數值模擬為冷態，所以不會產生液滴反彈，因此僅當發生飛濺時才會發生二次攜帶液滴，即需要Wed與C的比大于1。

(2)

f=udn/D

式中：ρd為液相密度，kg/m3；f為單個液滴撞擊壁面的頻率，Hz；μd為水的動力黏度，N·s/m2；udn為液滴碰壁法向速度，m/s。

假設udn=ud，ug為0，并對Wed/C進行變換，可以得到：

(3)

式中：Red為液滴雷諾數。

對于第3種情況，當氣體流過薄膜表面時，足夠大的剪切速度會使薄膜的表面形成Kelvin-Helmholtz波，并逐漸增強，最終會從薄膜表面剝落出液滴[8]。Nakao T等[9]認為液膜剝落可根據液膜韋伯數Wef判定，當Wef>1.5時，液膜就會剝落出液滴。Wef的判別式為：

(4)

式中：c為波速，m/s；h為液膜厚度，m。

對于第4種情況，具有較高慣性的液膜流過轉角時，在離心力和表面張力的作用下，可能會發生液膜分離[10]。FLUENT軟件中給出液膜分離的條件：液膜慣性大于臨界值(由用戶定義)，面之間的角度足夠大，即Wef大于臨界Wef(由用戶定義)和面角度超過臨界角度。FLUENT軟件中面臨界角度缺省值為20°，而楊雪龍等[6]對已有資料整理和總結后得到：

(5)

式中：hc為臨界液膜厚度，m；R為轉角曲率半徑，m。

當h>hc時，液膜才會脫落，所以要求：

(6)

2 計算模型

2.1 模型幾何尺寸及網格劃分

模擬計算幾何模型見圖2，其截面詳細尺寸由文獻[11]提供并標注在圖中。由于液膜在流場中運動具有三維三相特性，并且歐拉壁面液膜模型僅限三維條件下使用，因此將二維平面幾何體縱向拉伸50 mm形成三維幾何體。筆者采用ICEM將全局劃分為結構化網格，近壁區劃分邊界層網格，第一層高度為0.03 mm，共6層。網格增長率為1.2，網格節點數增至45 000時，計算單相結果不隨網格數發生變化。

圖2 幾何模型尺寸圖

2.2 計算條件

連續相是介質密度為1.225 kg/m3、動力黏度為1.789 4×10-5N·s/m2的空氣。入口氣流速度分別取3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s，出口邊界條件設為壓力出口，出口壓力為大氣壓力。操作壓力為1.013 25×105Pa，壁面粗糙度為0，絕熱、無滑移[12]。

離散相是介質密度為998 kg/m3、動力黏度為1.003×10-3N·s/m2、表面張力為0.071 94 N/m2的水，氣流中水的質量濃度為0.05 kg/m3。給定液滴進口速度與氣流速度相同，噴射類型為Surface，且液滴在入口截面上均勻分布。液滴直徑選取Rosin-Rammler分布，最小粒徑為10 μm，最大粒徑為80 μm，平均粒徑為45 μm，分布指數為5[13]，壁面條件選擇Wall-film。

歐拉壁面液膜模型：在FLUENT軟件模型選項中勾選Eulerian Wall Film，并將臨界韋伯數更改為0.15，其他項目保持默認；在邊界條件中勾選Wall-film，其余保持缺省值。

2.3 模型驗證

根據文獻[11]提供的實驗結果與數值模擬結果進行對比，以驗證模型的正確性。模擬中分為未考慮二次攜帶液滴和考慮二次攜帶液滴，未考慮二次攜帶時壁面的離散相邊界條件設為Trap，考慮二次攜帶液滴時壁面的離散相邊界條件設為Wall-film，并勾選Eulerian Wall Film。實驗結果與模擬結果的除霧效率基本吻合，而當氣流速度大于6 m/s時，未考慮二次攜帶液滴的模擬結果與實驗結果出現較大差距(見圖3)。

圖3 除霧效率的模擬結果與實驗結果對比

3 結果分析

3.1 液滴來源

對于第1情況，可以假設ug-ud取最大氣流速度為9 m/s，平均粒徑取最大粒徑為80 μm，計算可得Wed為0.98，小于13，所以液滴在氣流中運動不會產生破裂；而對于第2種情況，液滴撞擊壁面的過程中，二次攜帶的液滴主要來源于液滴的飛濺。Wed與C的比為0.01，小于1，因此除霧器內不會產生液滴飛濺。另外，在CFD計算的過程中飛濺數值也為0，模擬結果與理論計算結果相吻合。氣流速度為6 m/s時，剝落數值為0，分離數值為2；而當氣流速度增大到8 m/s時，剝落和分離的數值分別為26和1 651，數值相對較大。綜上所述，除霧器內二次攜帶液滴來源于液膜的剝落和分離。

圖4和圖5分別給出了除霧器左、右板面在不同氣流速度u下液膜厚度的分布圖。

圖4 除霧器左板面在不同氣流速度下的液膜厚度分布

圖5 除霧器右板面在不同氣流速度下的液膜厚度分布

從圖4可以看出：隨著氣流速度不斷增大，左板面上液膜不斷增厚，A區、B區的板面交界處局部液膜厚度較高，并沿板壁逐漸變薄。攜帶液滴的氣流進入除霧器，由于受慣性作用，大部分液滴會碰撞到A區、B區的左板面，并且受氣流剪切力作用，液膜產生橫向流動。

從圖5可以看出：隨著氣流速度增大，C區、D區的右板面液膜逐漸增厚和擴大，但當氣流速度達到6 m/s時，液膜厚度達到最大，再繼續增大氣流速度，液膜厚度反而逐漸變小，并且出現壁面“短接”現象。這與文獻[11]中的實驗結果相符，間距為26 mm除霧器的臨界速度為6.12 m/s，這也再一次證明了該模型的正確性。由于C區、D區接近除霧器出口，過高的氣流速度產生過大相間剪切力使得液膜出現較大面積的剝落和液膜分離，液膜剝落破碎和分離產生二次液滴再次進入流場，從而影響了除霧性能。

3.2 液膜破裂

圖6、圖7給出了除霧器左、右板面不同氣流速度下液膜發生二次攜帶液滴的現象。

圖6 除霧器左板面二次攜帶液滴質量流量分布

圖7 除霧器右板面二次攜帶液滴質量流量分布

從圖6和圖7中可以看出，隨著氣流速度增大，除霧器板面不同地方相繼出現了液膜的分離和剝落。除霧器左板面發生二次攜帶液滴較為嚴重的地方是B區與C區的交界處，而右板面較為嚴重的地方是A區與B區、D區與E區的交界處。

主要原因是：

(1) 該區域的轉角曲率半徑較大，要使Wef減小，此處液膜的厚度就得減小，所以該區域就易產生液膜的分離；

(2) 該區域剛好處于除霧器的彎道處，此處氣流速度比其他處大，易產生過大的剪切力，使得液膜發生剝落破碎。

3.3 加裝鉤片

圖8、圖9分別給出了不同氣流速度下，加裝單鉤片、加裝雙鉤片和未加裝鉤片的二次攜帶液滴的對比。

圖8 當u=7 m/s時的二次攜帶液滴質量流量分布

圖9 當u=8 m/s時的二次攜帶液滴質量流量分布

從圖8和圖9中可以看出：與未加裝鉤片的葉片相比，加裝單鉤片僅在除霧器出口處發生二次攜帶液滴，而加裝雙鉤片出口處略微二次攜帶液滴。加裝鉤片對除霧器內的二次攜帶液滴有了很大改善，在普通折板式除霧器原來易發生二次攜帶液滴處，二次攜帶液滴已經消失或減輕，而加裝雙鉤片后，除霧器出口處的二次攜帶液滴也得到了很大改善。分析其原因為加裝鉤片對壁面附近的氣流流動有一定的阻礙作用，使得靠近壁面處氣流速度減小，液膜受到的剪切力變小，液膜的剝落也隨之減弱；但由于加裝鉤片使得流道的有效流通截面積減小，所以主流區速度反而增大，根據顆粒動力學原理，離心力與速度的三次方成正比從而產生更大的慣性力，使得更多液滴與壁面發生碰撞而被捕集。另外，鉤片的安裝位置都在液膜最容易分離的地方，因此加裝鉤片后，鉤片對液膜的流動產生了阻擋，使得液膜更難發生分離了。綜上所述，增加鉤片后可以增大除霧器的效率，同時可以減輕除霧器內二次攜帶液滴的現象。

4 結語

(1) 含有液滴的煙氣進入除霧器，會在除霧器壁面形成不同厚度的液膜，主要在A區、B區的左板面和C區、D區的右板面；且隨著入口煙氣流速度的增大，液膜厚度增大，但當氣流速度增大到7 m/s時，C區、D區右板面厚度開始變薄，并出現“短接”現象，即除霧器內發生二次攜帶液滴。

(2) 除霧器內二次攜帶液滴主要來源于液膜的剝落和分離。隨著氣流速度增大，除霧器內轉角曲率半徑較大處易產生液膜分離；轉角處出現較大的剪切力，易造成液膜的剝落。

(3) 通過對比模擬結果發現，加裝鉤片對除霧器內二次攜帶液滴有一定的改善作用。鉤片阻礙了液膜的流動，使得液膜在轉角處更難發生分離；加裝的鉤片減小了壁面附近處氣流速度，使得液膜受到的剪切力變小，降低了液膜剝落的概率。