多層折流板除霧器分離性能數值分析

莊繞林，吳成強，郝俊杰，王在良

（1.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學院，江蘇 省先進制造技術重點實驗室，江蘇 淮安 223003）

0 引言

除霧器是整套脫硫設備中最重要的組成之一，一般位于脫硫塔的頂部，起到去除煙氣中夾帶的細小顆粒物的作用，是煙氣排放前處理的重要工序之一。除霧器的原理主要包括重力分離、慣性力分離、離心力分離、過濾分離和靜電分離。如今，工業上應用較為成熟的除霧器主要有：折流板除霧器、旋流板除霧器、絲網除霧器以及靜電除霧器。對以上四類除霧器的性能優劣對比見表1。

表1 四類除霧器的綜合性能對比

其中折流板除霧器因其結構簡單、成本低、壓力損失小且對較大粒徑的液滴除霧效率高，因而得以廣泛的應用。郎方等通過搭建實驗臺對影響波紋板除霧器性能的各個因素實驗研究，歸結出可分離粒徑、葉片間距以及葉片布置級數與除霧性能之間的關系。楊等通過實驗對三種不同布置方式的除霧器進行研究，分析氣流速度和布置方式對除霧器性能的影響。為提高小粒徑的液滴除霧效果，本研究對折流板除霧器進行改進，并對其葉片間距D、轉折角度θ進行數值分析。

1 多層折流板除霧器方案設計

多層折流板除霧器主要包括串并式煙氣排放裝置1、煙氣入口2、集氣口3、第一折流煙氣通道單元4、第二折流煙氣通道單元5、液滴6、廢液收集管7、第一折流板8、第二折流板9，如圖1 所示。當除霧器工作時，煙氣以高速從多方向流經煙氣入口處，通過集氣口3 開始以串聯式的方式進入到串并式煙氣排放裝置1 中，由于串并式煙氣排放裝置的設計，大大減少了煙氣的流動空間，使得大量煙氣集中在集氣口3，然后通過并聯分流的方式分別從集氣口3 左、右兩側快速進入第一折流煙氣通道單元4 和第二折流煙氣通道單元5。

圖1 多層折流板除霧器

當煙氣流經折流煙氣通道單元上的喇叭形煙氣排放口時，大量煙氣從喇叭形煙氣排放口排出，由于流動空間的驟減，煙氣會以比平常更高的速度從喇叭形煙氣排放口5 噴出，而喇叭形煙氣排放口的位置又相當接近除霧器折流板，因此大量的煙氣會直接噴射到折流板上。這就給每段折流板捕捉煙氣中液滴的量得到了巨大的提升。進一步地優化了除霧器的整體除霧效率。折流板與折流煙氣通道單元外壁上的液滴會在自重作用下流向弧形廢液收集管中，避免長時間停留所造成的腐蝕。

2 數值求解計算

2.1 模型簡化

如圖2 所示的折流板除霧器的物理模型，其中D為葉片間距，θ為轉折角度；H3為轉折高度。

圖2 折流板除霧器物理模型

由于多層折流板除霧器工作時，各除霧通道內的流動狀態差別微乎其微，各通道流動狀態微乎其微，故本研究僅模擬多層折流板除霧器單通道內的流場。含有液滴的氣流，在除霧器通道中流動時，在實際工況中是三維粘性流體的復雜流動，是不穩定的、可壓縮的。將流場簡化在合理誤差范圍內如下：

（1）因為氣流的馬赫數遠低于0.1，所以氣體可視為是不可壓縮的氣體；當液滴接觸板的表面時，此時，認為液滴被認為是捕集的。與此同時，忽略水膜在壁面上撕裂及反彈，不予考慮二次帶水的條件；

（2）由于三維除霧器通道寬度、高度相對較大，且各流動截面相同，因此三維除霧器流場結構可高度簡化為二維；

（3）因為液滴的粒徑較小，故將其視為球體進行模擬。因此，本研究不考慮液滴之間的碰撞和液滴的聚集，也不考慮液滴蒸發、摩擦、撕裂和熱效應的影響。

2.2 邊界條件設置

將密度設置為1.1 kg·m-3，動力黏度為1.95456×10-5N·s·m-3的空氣。進口氣流條件：進口氣流速度ux=0，uv=2、3、4、5、6 m·m-1，在進口處截面氣速均勻分布。出口條件：出口表壓為零，操作壓力為1.01325×105 Pa。壁面條件：壁面表面粗糙度設為零，無滑移，且無任何形式的傳熱。

液滴物性參數：密度為1000 kg·m-3的水，氣流含水量為0.05 kg·m-3；進口條件與氣速相同。噴射類型為表面（surface），使液滴在進口截面均勻分布。液滴直徑：計算了直徑分別為10、20、30、40μm 的液滴。液滴質量流量：由Q= 0.05upL計算，其中液滴速度up，葉片間距L，計算了間隔距離分別為20、26、32 mm 的4 種葉片。壁面條件：選擇捕集（trap）類型，即當液滴碰撞到壁面時被認為是捕集，且不考慮反彈現象。

2.3 計算工況

根據除霧器的實際運行情況，對葉片板間距離、氣流速度和液滴直徑選取合適的變量值進行計算。計算參數和值見表2，獲得了各工況下的除霧效率和壓降的變化情況。

表2 計算工況

3 計算結果與討論

3.1 多層折流板除霧器流場分布

圖3 是多層折流板除霧器內部流體速度的云圖，從圖中可以明顯地看出，折流板除霧器內各位置流場都相對穩定，流速變化不大。在折流板除霧器進口，煙氣以勻速進入，當煙氣經過第一道彎口時，氣流往右偏轉，此時，右側區域流體速度增加，而左側區域流體速度較小。當煙氣經過第二道彎口時，左側區域的流體速度增加，成為高速區，右側區域則變為了低速區域。通過對整個煙氣運動過程的觀察，可以看出，在兩道彎口處的煙氣速度達到峰值，但在中間區域，尤其是靠近折流板壁的區域，幾乎處于低速狀態。

圖3 多層折流板除霧器內部流體速度云圖

3.2 葉片間距D 對多層折流板除霧效率的影響

郎方年等的實驗如圖4 所示，由圖可以看出，為除霧效率受除霧器間隔距離的影響關系，隨著葉片間隔距離的增大，除霧效率降低。除霧器進出口的壓力損失則隨著葉片間隔距離的增大而減小。

圖5（a）展示了多層折流板除霧器效率受葉片間距的影響。由圖清楚地看出，當流速維持不變的情況之下，隨著葉片間距的增大，多層折流板除霧器效率在減小，與圖4 的結論一致，因此，葉片板間距離在20 mm 時，該距離下的多層折流板除霧器的效率明顯高于葉片間隔距離在26 mm 和32 mm 時，對于小于10μm 的液滴粒徑，葉片板之間的距離對液滴捕集效率的影響很小，并且捕集效率較差。圖5（b）為壓降與葉片板間距離之間的數值變化關系，由圖可知，當葉片板間距離分別為26 mm、20 mm 時，兩者的壓降的變化范圍相對較小。而當多層擋板除霧器葉片板間距離為20 mm 時，具有較小的壓降，且具有較高的除霧效率，所以確定多層擋板除霧器葉片板間距離為20 mm。

綜上所述，由圖4 與圖5（a）（b）的對比可知，當流速維持不變時，折流板除霧器的搜集效率隨著葉片間距的增大而降低，且由圖5（a）（b）可知多層擋板除霧器葉片板間距離是20 mm 時，壓降較小，同時具有較高的除霧效率，因此將多層擋板除霧器葉片的板間距離確定為20 mm。

圖4 波紋板脫硫除霧器效率與葉片間距、壓降關系[2]

圖5 多層折流板除霧器效率與葉片間距、壓降關系

3.3 轉折角度θ 對多層折流板除霧器效率的影響

郎方年等對葉片彎曲弧度做了多種工況下的選擇，并進行了大量的實驗模擬，圖6 為繪制結果。從圖中可以看出，當葉片彎曲弧度增加時，除霧效率降低。

圖6 葉片彎曲弧度對除霧效率的影響[2]

如上文所述，由于轉折角度θ與波紋板脫硫除霧器的葉片彎曲弧度，在一定程度上，成非線性的反比關系，因此，本研究模擬仿真與郎方年、楊柳等的實驗分析結論一致，驗證了仿真的正確性。

圖7 列出了多層擋板除霧器在不同角度下的液滴捕集效率，從圖中可以看出，當多層折流板除霧器角度30°時，就液滴的捕集效率來說，該角度下的多層擋板除霧器是優于其他角度的多層擋板除霧器，對于粒徑在10μm 以下液滴這種情況尤為明顯，轉折角度為30°的多層擋板除霧器捕集效果顯然是高于其他角度的多層擋板除霧器。當氣體流量達到2 m/s，且轉折角度為大于30°的多層擋板除霧器，此時，對于直徑小于10 μm 的液滴來說，其捕集效率受轉折角度θ影響不大，大于10μm的液滴捕集效率隨著流量以及角度的增大而提高。

圖7 不同角度下液滴直徑與除霧效率關系

3.4 多層折流板與折流板除霧器除霧性能對比

多層折流板與折流板除霧器除霧性能對比，多層折流板除霧器可分離粒徑比折流板除霧器要小，可分離粒徑為10μm，見表3。

表3 多層折流板與折流板除霧器除霧性能對比

4 結論

（1）多層折流板除霧器內部各處位置流場平穩，流速均無太大變化。當流速始終保持恒定不變時，隨著葉片間距的增大，多層折流板除霧器效率減小，此時，具有較小的壓降，較高的除霧效率。因此，確定多層擋板除霧器的葉片間距為20 mm。

（2）多層擋板除霧器轉折角度調整為30°時，該角度下的多層擋板除霧器液滴捕集效果是明顯優于其他角度的多層擋板除霧器，且對于粒徑在10μm 以下液滴來說，其捕集效果要明顯優于普通擋板除霧器，且除霧效率90%以上。