加裝鉤片對(duì)除霧器性能影響的數(shù)值研究

洪文鵬,　雷鑒琦

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 吉林省吉林 132012)

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加裝鉤片對(duì)除霧器性能影響的數(shù)值研究

洪文鵬,雷鑒琦

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 吉林省吉林 132012)

摘要：采用Fluent軟件對(duì)濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中除霧器內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到加裝鉤片后的除霧器在不同液滴粒徑和風(fēng)速下的除霧效率，并對(duì)比分析了5種不同尺寸鉤片形式的除霧器性能.結(jié)果表明：除霧器內(nèi)流場(chǎng)偏向葉片轉(zhuǎn)彎處外側(cè)，在此位置加裝鉤片可有效提高除霧效率；鉤片長(zhǎng)度直接影響其對(duì)氣流的攔截程度，隨著鉤片長(zhǎng)度的增大，除霧效率顯著提高，同時(shí)壓降也有所增加；鉤片寬度的增大導(dǎo)致除霧效率與壓降均略微降低.

關(guān)鍵詞：除霧器； 兩相流動(dòng)； 鉤片； 數(shù)值模擬

目前，大部分火力發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)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(nèi)襯防腐材料，形成“濕煙囪”排放.無(wú)GGH裝置的脫硫系統(tǒng)投產(chǎn)后，雖有效地避免了GGH的堵塞問(wèn)題，但由于無(wú)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(guò)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(kuò)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(duì)電廠及周邊環(huán)境產(chǎn)生污染，甚至腐蝕設(shè)備[1].

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

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)除霧器特性已有初步研究，如華北電力大學(xué)搭建了小液滴試驗(yàn)平臺(tái)并結(jié)合數(shù)值模擬方法，對(duì)影響除霧器的各特征參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究[2-4].但有關(guān)鉤片尺寸的問(wèn)題相對(duì)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，研究相對(duì)較少，筆者以此為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)帶鉤折板式除霧器多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬，以分析不同鉤片尺寸對(duì)10~40 μm液滴捕集的效果.

1除霧器內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算

1.1模擬假設(shè)

含液滴氣流在除霧器葉片間彎曲通道中的流動(dòng)，是一種三維非定常可壓縮黏性流體的流動(dòng)[5].在誤差允許的范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[6-7]：

(1) 除霧器彎曲通道內(nèi)氣液流動(dòng)為典型低雷諾數(shù)流動(dòng)，馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于0.1，且壓降的相對(duì)變化較小，故可以把氣體視為不可壓縮氣體來(lái)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(dòng)截面都相同，故可以簡(jiǎn)化流場(chǎng)為二維平面流場(chǎng).

1.2計(jì)算條件

計(jì)算平臺(tái)采用Fluent 6.1商業(yè)軟件，用Gambit軟件生成網(wǎng)格.

連續(xù)相方面，介質(zhì)采用密度為1.1 kg/m3、動(dòng)力黏度為1.954 86×10-5N·s/m2的空氣.假設(shè)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(zhì)為脫硫循環(huán)漿液，密度為1.2×103kg/m3、動(dòng)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(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

計(jì)算中對(duì)氣相采用RNGk-ε湍流模型封閉N-S方程，對(duì)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(jì)算區(qū)域的劃分采用四邊形網(wǎng)格，近壁面處采用增強(qiáng)型壁面函數(shù).在鉤片附近及回流區(qū)域采用較為密集的網(wǎng)格布置方式，以充分計(jì)算邊界層效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)造成的影響.為保證計(jì)算精度并避免過(guò)大的計(jì)算量，整體網(wǎng)格數(shù)為2.9萬(wàn)[9].

2鉤片計(jì)算工況設(shè)計(jì)

模擬計(jì)算對(duì)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(jié)構(gòu)參數(shù).

設(shè)計(jì)了5種類型的鉤片形式，幾何參數(shù)如表2所示.分別計(jì)算液滴粒徑為10 μm、15 μm、20 μm、25 μm、30 μm、35 μm和40 μm時(shí)，每種板型的除霧效率和進(jìn)出口壓差.

圖1　帶鉤折板式除霧器葉片構(gòu)型示意圖

參數(shù)L/mmW/mmD/mmH1/mmH2/mmα/(°)數(shù)值84263711090

表2　不同類型鉤片的幾何參數(shù)

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1模型驗(yàn)證

按照文獻(xiàn)[10]的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：葉片轉(zhuǎn)折角為90°，葉片間距為26 mm，煙氣中液滴的粒徑按發(fā)電廠實(shí)測(cè)設(shè)置.為考察液滴破碎與聚并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，建立帶有液滴破碎與聚并特性的模型，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以完善和驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性.如圖2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在風(fēng)速Uy為6 m/s以下時(shí)的變化趨勢(shì)相同，而且有聚并破碎模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加吻合.

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3.2鉤片長(zhǎng)度對(duì)除霧器性能的影響

3.2.1鉤片長(zhǎng)度對(duì)除霧效率的影響

圖3給出了鉤片長(zhǎng)度對(duì)除霧效率的影響.當(dāng)鉤片寬度為常數(shù)(W=4 mm)時(shí)，可以看出隨著鉤片長(zhǎng)度的增大，除霧效率逐漸提高.鉤片長(zhǎng)度為8 mm，風(fēng)速Uy為2 m/s，液滴粒徑為20 μm時(shí)，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(xiàn)[10]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文計(jì)算結(jié)果的比較

按鉤片長(zhǎng)度的增大，圖4給出了除霧器通道內(nèi)流場(chǎng)和小液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡.由圖4可知，鉤片長(zhǎng)度直接關(guān)系到鉤片間通道攔截氣流的程度.鉤片長(zhǎng)度的增大會(huì)使氣流在通道內(nèi)發(fā)生劇烈偏轉(zhuǎn)，致使液滴在慣性力的作用下脫離連續(xù)相的流線，直接撞擊鉤片表面的概率增加，導(dǎo)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(nèi)湍流程度加劇，流場(chǎng)內(nèi)擾動(dòng)的增強(qiáng)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(zhǎng)度對(duì)壓降的影響

煙氣在折板式除霧器中流動(dòng)時(shí)，會(huì)在流道彎曲的區(qū)域形成回流區(qū).鉤片長(zhǎng)度的增大使流道變得更加狹窄，氣流在通流面積減小時(shí)速度增大，離心力隨之增大，以致產(chǎn)生更大的漩渦.每一個(gè)回流區(qū)都會(huì)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(qū)下游的再附著，壓力會(huì)逐漸恢復(fù)，但是由于能量的耗散，壓力無(wú)法完全恢復(fù)，會(huì)造成壓力損失.圖5給出了不同鉤片長(zhǎng)度對(duì)壓降的影響.

3.3鉤片寬度對(duì)除霧器性能的影響

3.3.1鉤片寬度對(duì)除霧效率的影響

圖6給出了鉤片寬度對(duì)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(huì)顯著下降.

由于數(shù)值模擬無(wú)法反映二次攜帶現(xiàn)象，而原型的葉片沒(méi)有鉤片，發(fā)生二次攜帶的可能性最大，所以需要檢驗(yàn)原型葉片是否發(fā)生二次攜帶.根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)生二次攜帶的臨界風(fēng)速為5.9 m/s，而本文風(fēng)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(zhǎng)度對(duì)壓降的影響

3.3.2鉤片寬度對(duì)壓降的影響

圖7給出了鉤片寬度與壓降的關(guān)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(duì)氣流壓降影響很小，這是因?yàn)殡S著鉤片寬度的增大，鉤片通道的阻塞程度幾乎不發(fā)生變化.

4高效帶鉤折板式除霧器葉片

根據(jù)對(duì)多組工況進(jìn)行模擬計(jì)算分析，綜合考慮除霧器除霧效率和壓力損失，優(yōu)選了一種高效的帶鉤折板式除霧器葉片.該葉片幾何參數(shù)為：D=26 mm、H1=37 mm、H2=110 mm、α=90°、L=4 mm和W=4 mm.

在5 m/s風(fēng)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(jiàn)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(duì)普通除霧器在15~20 μm粒徑液滴脫除效率較低的缺點(diǎn)[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(duì)壓降的影響

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

%

5結(jié)論

(1) 對(duì)折板式除霧器加裝鉤片，增強(qiáng)了流場(chǎng)內(nèi)的擾動(dòng)，可以大幅提高除霧效率.風(fēng)速為2 m/s，液滴粒徑為20 μm時(shí)，鉤片長(zhǎng)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(zhǎng)度是影響除霧效率的重要因素，而鉤片寬度對(duì)除霧效率的影響不大.

(3) 隨著鉤片長(zhǎng)度的增大，氣流的流動(dòng)通道變窄，壓降增大.隨著鉤片寬度的增大，大多數(shù)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(zhǎng)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(hào)：1674-7607(2016)01-0059-06

中圖分類號(hào)：X701

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：470.30

作者簡(jiǎn)介：洪文鵬(1970-)，男，遼寧綏中人，教授，博士，主要從事火力發(fā)電廠節(jié)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．