流線(xiàn)型兩通道帶鉤波紋板除霧器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬

皮新瑞，王澤忠，董 穎，鞠鎧陽(yáng)

(1.大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；3.天津國(guó)投津能發(fā)電有限公司，天津 300480)

流線(xiàn)型兩通道帶鉤波紋板除霧器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬

皮新瑞1，王澤忠2，董 穎3，鞠鎧陽(yáng)3

(1.大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；3.天津國(guó)投津能發(fā)電有限公司，天津 300480)

為提高除霧器的除霧效率，在流線(xiàn)型波紋板除霧器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一些了的優(yōu)化改型，添加一個(gè)鉤板以及擋板。采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)三種模型進(jìn)行了60種工況的模擬，研究表明：YW型和YY型除霧器能夠較大程度的提高除霧效率，尤其是在低流速、小粒徑的工況。但是由于YW型、YY型的鉤板和擋板的存在，局部阻力產(chǎn)生局部損失時(shí)壓降較WW型的大。

除霧器；帶鉤波形板；數(shù)值模擬

除霧器是一種有效且被廣泛應(yīng)用的氣液分離設(shè)備，其主要功能就是將脫硫塔中氣體夾帶的溶解有硫酸、硫酸鹽、二氧化硫等有害物質(zhì)的“霧”進(jìn)行妥善處理。從而在一定程度上避免二氧化硫等有害物質(zhì)排放到空氣中，對(duì)環(huán)境造成難以估量的破壞，同時(shí)防止“霧”對(duì)風(fēng)機(jī)、熱交換器以及煙道的堵塞和腐蝕[1]。因此，作為濕法脫硫系統(tǒng)(WFGD)中的關(guān)鍵設(shè)備之一， 除霧器的性能直接影響到濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。慣性除霧器作為廣受青睞的除霧器類(lèi)型之一，具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制造、分離量大的優(yōu)點(diǎn)。如何在克服其阻力大、壓降高、能耗大的基礎(chǔ)上，提高除霧效率成為目前的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也針對(duì)這一問(wèn)題，進(jìn)行了大量而有建設(shè)性的探索和總結(jié)工作。Gillandt[2]等人通過(guò)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)的k-ε模型模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Zhao[3]等人應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法提出表面響應(yīng)法，并由此提出了除霧器的分析效率的模型。James[4]等人采用數(shù)值模擬方法對(duì)除霧器中鉤板的作用進(jìn)行了研究。Galletti[5]等人采用數(shù)值模擬的方法，運(yùn)用歐拉-拉格朗日兩相流模型對(duì)帶鉤板的折流板除霧器進(jìn)行研究。Rafee[6]運(yùn)用歐拉-拉格朗日方法對(duì)折流板通道內(nèi)湍流氣體中夾帶的液體的撞擊和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了研究。從目前的研究結(jié)果看，歐拉-拉格朗日法、低雷諾數(shù)的湍流模型對(duì)折流板除霧器內(nèi)兩相流模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Zamora[7]等人采用數(shù)值模擬的方法對(duì)比研究了四種折流板除霧器效率和壓降系數(shù)，采用文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模型，并建立了關(guān)于四種除霧器除霧效率的冪函數(shù)公式。Kavousi[8]等人采用數(shù)值模擬，采用響應(yīng)曲面分析法分析了折流板除霧器鉤板對(duì)除霧器效率的影響規(guī)律。洪文鵬[9]等人利用數(shù)值模擬的方法對(duì)梯形折線(xiàn)型除霧器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到上底尺寸為40mm時(shí)除霧效率最佳。楊柳[10]等人針對(duì)除霧器不同布置方式,通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)定了除霧器的壓降和速度、除霧效率，并分析了流速、布置方式對(duì)除霧效率的影響。黃龍浩[11]等人根據(jù)華臺(tái)山電廠(chǎng)除霧器實(shí)際尺寸，以1∶15的比例搭建試驗(yàn)臺(tái)，分別測(cè)定了3種板間距離下除霧器的性能參數(shù)，并且提出了除霧器擋板最優(yōu)配置方案。

目前的帶鉤波形板的除霧器如圖1所示，在鉤板附近存在一個(gè)“倒V字形”結(jié)構(gòu)，對(duì)流道內(nèi)氣體產(chǎn)生較大的阻礙，一方面會(huì)增大壓降，另一方面，先流入倒V結(jié)構(gòu)的氣液流體會(huì)堆積在倒V的頂部，阻礙后續(xù)流體與鉤板接觸，進(jìn)而不能達(dá)到脫除效果。本文針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)除霧器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 流線(xiàn)型兩通道帶倒鉤葉片尺寸

圖2 計(jì)算區(qū)域數(shù)據(jù)及網(wǎng)格細(xì)節(jié)

本文將除霧效率以及壓降作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)流線(xiàn)型波形板進(jìn)行了優(yōu)化改造。在圓弧處增加一鉤板，并在通道上方增加擋板(YY模型)。為驗(yàn)證鉤板以及擋板的作用，用無(wú)擋板無(wú)鉤板的模型(WW模型)和無(wú)擋板有鉤板的模型(WY模型)進(jìn)行對(duì)比模擬。

圖3 流線(xiàn)型兩通道有鉤板有擋板葉片尺寸

1 物理模型和數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算區(qū)域以及網(wǎng)格劃分

為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分采用平鋪式結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格呈四邊形，且在壁面處進(jìn)行了邊界層加密，第一層邊界離壁面0.1 mm，成長(zhǎng)因子1.2，共有5層采用1∶1形式加密。網(wǎng)格數(shù)量為56584。通過(guò)調(diào)整Space選項(xiàng)，使得網(wǎng)格變?yōu)樵瓉?lái)的5倍、10倍，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果受網(wǎng)格數(shù)量影響較小。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法以及邊界條件

1.2.1 邊界條件

計(jì)算流體介質(zhì)為空氣——水體系，溫度為25 ℃，空氣為連續(xù)相，不可壓縮，密度為1.225 kg/m3，粘度為1.789 4105kg/ms-1。水為離散相，密度為1 200 kg/m3，液滴直徑分別為10 μm～50 μm。固體邊界為速度入口，進(jìn)口煙氣速度分為1 m/s～5 m/s五個(gè)工況，且在進(jìn)口處呈均勻分布。出口為壓力出口，表壓為零。壁面絕熱、無(wú)滑移。

1.2.2 數(shù)值計(jì)算方法

研究中湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，該湍流模型將湍流對(duì)顆粒的影響加以考慮，使得模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有更好的吻合性。模型離散方法為有限體積法，液滴的計(jì)算方法采用拉格朗日法，壓力-速度耦合方程為SIMPLE算法，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能和湍流耗散率方程均采用二階迎風(fēng)格式。2 結(jié)果與討論

2.1 三種模型的對(duì)比

本文針對(duì)三種模型，分別進(jìn)行了25個(gè)工況的模擬，圖4為速度為3 m/s，液滴直徑為20 μm的流線(xiàn)圖。從流線(xiàn)圖可以看出，在WW模型中，流體介質(zhì)從入口進(jìn)入在右側(cè)圓弧處聚集，形成一個(gè)較小的渦，有利于提高除霧效率。同時(shí)，圓弧的設(shè)計(jì)相對(duì)于角的設(shè)計(jì)，一方面能增加板型的強(qiáng)度，另一方面能減少有害霧滴堆積腐蝕。但三角的設(shè)計(jì)，能夠增大液滴與板面的接觸面積。所以，WY模型依據(jù)角形板在圓弧處引入外切線(xiàn)，為了保證流體平順，在延伸板末端引入圓弧。

鉤板的加入，一方面增加了流體介質(zhì)與板面的接觸面積，另一方面將流體匯聚，有利于霧滴的聚集。同時(shí)流體從入口流動(dòng)至鉤板處，流道變窄，速度變大，加劇了流體的匯聚進(jìn)而有利于提高除霧效率。流過(guò)最窄處后，有相當(dāng)于流過(guò)漸擴(kuò)管道，在鉤板后產(chǎn)生較大的漩渦，縮小有效流通面積，使得漸擴(kuò)帶來(lái)的損失變小。同時(shí)，此處的速度下降，能夠有效減小二次帶風(fēng)。但是，由于漸縮、漸擴(kuò)的存在會(huì)產(chǎn)生局部阻力，流體速度以及方向會(huì)產(chǎn)生改變進(jìn)而引起局部阻力損失。但是，層流狀態(tài)下的局部阻力損失隨著雷諾數(shù)的減小而減小，湍流狀態(tài)下會(huì)縮小趨近一個(gè)常數(shù)。由于雷諾數(shù)較小，所以由局部阻力損失帶來(lái)的壓降并不是特別大。為了進(jìn)一步改善除霧器的除霧效率，在臨近出口處增加一擋板，形成YY模型。經(jīng)由鉤板匯集的流體，集中接觸擋板，能夠更有效的進(jìn)行除霧。同樣的也存在增大壓降的問(wèn)題，可以根據(jù)不同的流場(chǎng)條件，對(duì)擋板的角度和長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。

圖4 三種不同結(jié)構(gòu)除霧器的流線(xiàn)圖

圖5 三種不同結(jié)構(gòu)除霧器的速度云圖

2.2 速度馬赫數(shù)云圖分析

圖5為速度為3 m/s，粒子直徑為20 μm工況下的速度馬赫數(shù)云圖。WW模型中，流體以3 m/s的速度均勻且垂直流入流道，由于存在慣性的影響，在第一個(gè)轉(zhuǎn)角處，右邊的速度明顯高于左邊的速度，左邊形成小范圍的低速區(qū)，產(chǎn)生微弱回流。進(jìn)入第一階坡道后，速度緩慢增加，同樣由于慣性的存在，左方壁凸處呈高速區(qū)，右方壁凹處呈低速區(qū)，此區(qū)域具有較大的湍動(dòng)能，湍流耗散較為嚴(yán)重，繼而發(fā)生比較強(qiáng)烈的回流現(xiàn)象?；亓鞯牧黧w介質(zhì)占用了主流流體介質(zhì)的流動(dòng)空間，一定程度上縮小了流通面積，進(jìn)而增大速度，提高除霧效率。WY模型中鉤板的加入，加劇了第一階坡道的流體介質(zhì)的加速進(jìn)程，同時(shí)第一階坡道內(nèi)的速度分布較為均勻。流至鉤板處，通道截面縮小，同時(shí)輔以慣性的作用，在鉤板處較大的增大了流體介質(zhì)的速度。流至鉤板末端，鉤板和壁面之間的空隙所形成的漸擴(kuò)，使得在此空隙產(chǎn)生較為嚴(yán)重的回流現(xiàn)象，回流縮小了有效流通空間，使得右側(cè)的氣體速度持續(xù)升高，并在第三個(gè)轉(zhuǎn)彎處形成除霧效果最好的區(qū)域。但是與此同時(shí)，左側(cè)流體速度的提高，會(huì)將匯聚的液滴再一次帶入流體中，形成二次攜帶。所以，YY模型在WY模型第三拐角處高速區(qū)的前方增加擋板。一方面進(jìn)行更徹底的除霧，另一方面降低二次攜帶的影響。擋板的設(shè)置，使得在第三個(gè)轉(zhuǎn)角右方，形成較大的回流區(qū)域，進(jìn)一步提高了除霧效率。

2.3 壓力云圖分析

流體速度3 m/s，顆粒直徑為20 μm時(shí)的壓力云圖，如圖6所示。圖中從左至右分別為WW模型,YW模型,YY模型。從WW模型中可以看出，壓降的發(fā)生區(qū)域主要在三個(gè)拐角處，第一第三拐角處的壓降較小，第二個(gè)拐角處的壓降最大。在第一階和第二階坡道中的流動(dòng)過(guò)程中也產(chǎn)生一定程度的壓降，但是并不明顯。YW模型中也是如此，主要壓降區(qū)發(fā)生在第二個(gè)轉(zhuǎn)彎處的鉤板處，但是由于鉤板的存在，使得流體介質(zhì)經(jīng)歷了漸縮-漸擴(kuò)的過(guò)程，在此過(guò)程中介質(zhì)流體要打破原有的流動(dòng)格局，產(chǎn)生新的流動(dòng)形式。過(guò)程中產(chǎn)生的局部阻力，造成局部損失，使得壓降變大。但由于這種局部阻力產(chǎn)生的損失跟雷諾數(shù)有很大關(guān)系，此種情況的雷諾數(shù)較小，所以壓降并不是很大。YY模型的前兩段壓降與YW模型是一致的，第三次的壓降主要發(fā)生在擋板處，由于對(duì)經(jīng)由鉤板匯聚的流體的直接阻擋，造成了較大的壓降。

圖6 三種不同結(jié)構(gòu)除霧器的壓力云圖

2.4 粒子軌跡圖分析

為了進(jìn)一步闡釋帶鉤波紋板的除霧機(jī)理，圖7以速度3 m/s工況為代表描繪了當(dāng)前狀況下的粒子軌跡圖，圖7(a)的粒徑為20 um，圖7(b)的粒徑為10 um，圖中從左至右分別為WW模型,YW模型,YY模型。由圖7(a)中可以看出，霧汽流入WW型除霧器時(shí)，在第一坡道處粒子集中接觸板面，但是由于流動(dòng)速度較低，并沒(méi)有除去太多粒子，經(jīng)過(guò)第一坡道加速之后，流體流動(dòng)至第二個(gè)拐角時(shí)，由于流道形狀的突然改變，在拐角右側(cè)流動(dòng)軌跡出現(xiàn)波動(dòng)，波動(dòng)的出現(xiàn)影響了二段坡道對(duì)粒子的捕捉。流體經(jīng)過(guò)第二段坡道后粒子束有所減少但是并不明顯。

圖7 速度3m/s時(shí)不同粒徑的粒子軌跡圖

YW型除霧器在此基礎(chǔ)上再第一坡道處添加鉤板，一方面能都使得粒子的加速坡道增長(zhǎng)，另一方面能夠有效地匯流粒子束，提高第二段坡道對(duì)粒子捕捉的效率。流體流經(jīng)第二拐角處時(shí)，粒子束明顯減少。但是由于速度較低，粒子直徑較小，其捕捉效率還有待提高。YY型除霧器在YW型除霧器的基礎(chǔ)上，在第三拐角處添加一擋板，針對(duì)經(jīng)過(guò)鉤板匯流的粒子束，進(jìn)行高效地捕捉。圖7中可以看出，經(jīng)過(guò)鉤板加速和匯聚的粒子束，被擋板有效地捕捉，顯著提高了除霧效率。隨著粒徑的進(jìn)一步減至10 um，雖然，YW型、YY型除霧器的粒子軌跡趨勢(shì)如圖7(a)大致相同。明顯可以看出，隨著粒徑的減小，除霧的難度也進(jìn)一步增加。

2.5 除霧效率分析

不同工況下除霧效率的折線(xiàn)圖，如圖8所示。圖中所有除霧效率的計(jì)算是通過(guò)計(jì)算顆粒個(gè)數(shù)比，設(shè)定進(jìn)入除霧器入口的顆粒數(shù)為N，經(jīng)過(guò)除霧器后被捕集達(dá)到的顆粒數(shù)M，M與N的比值就為這種工況下的除霧器除霧效率。由圖8可以看出，YY型能夠一定程度的提高除霧效率，但是由于粒子直徑較小，對(duì)除霧效率的提高并不是很明顯。YY型能夠較大程度的提高除霧效率，并且隨著速度的增加，提高的幅度也越來(lái)越大。粒子直徑達(dá)到20 μm，速度為3 m/s時(shí)，YY型除霧效率已經(jīng)達(dá)到100%。隨著粒子直徑的增加，YW型的提高程度也也越來(lái)越大，對(duì)速度也越來(lái)越敏感。粒子增加到30 μm時(shí)，速度為3 m/s時(shí)，YW型的除霧效率已經(jīng)達(dá)到100%。但是隨著粒子直徑的進(jìn)一步增大，WW型的除霧效率也出現(xiàn)了明顯的增加。針對(duì)流速低，粒子直徑小的工況，YY型較為適合。

圖8 不同工況下除霧效率的折線(xiàn)圖

3 結(jié) 論

(1)YY型、YW型的除霧器能夠有效地提高除霧器的除霧效率。鉤板的作用主要集中在兩個(gè)方面。一是延長(zhǎng)第一階坡道的長(zhǎng)度，增加接觸面積；二是匯聚流體，使得液滴進(jìn)一步匯聚。

(2)YY型的除霧效率高于YW型，同時(shí)也有較大的壓降，其壓降主要來(lái)源于鉤板處的漸縮-漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)即局部壓力損失造成的壓降，而沿程損失對(duì)壓降的貢獻(xiàn)并不大。

[1] 任池，王偉，馬超，等.火電廠(chǎng)濕法煙氣脫硫系統(tǒng)GGH結(jié)垢分析及治理研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,34(2)：16-20.

[2] I.Gillandt,U.Fritsching,C.Riehle.Gas-particle flow in a zig-zag classifier-comparison of measurements and simulations[J].Forschung im Ingenieurwesen,1996,62(11):315-321.

[3] J.Zhao,B.Jin,Z.Zhong.Study of the separation efficiency of a demister vane with response surface methodology[J].Journal of Hazardous Materials,2007,147(1):363-369.

[4] P.James,Y.Wang,B.J.Azzopardi,et al..The role of drainage channels in the performance of wave-plate mist eliminators[J].Chemical Engineering Research and Design,2003,81(6):639-648.

[5] C.Galletti,E.Brunazzi,L.Tognotti.A numerical model for gas flow and droplet motion in wave-plate mist eliminators with drainage channels[J].Chemical Engineering Science,2008,63(23):5639-5652.

[6] R.Rafee,H.Rahimzadeh,G.Ahmadi.Numerical simulations of airflow and droplet transport in a wave-plate mist eliminator[J].Chemical Engineering Research and Design,2010,88(10):1393-1404.

[7] B.Zamora,AKaiser.Comparative efficiency evaluations of four types of cooling tower drift eliminator,by numerical investigation[J].Chemical Engineering Science,2011,66(6):1232-1245.

[8] F.Kavousi,Y.Behjat,S.Shahhosseini.Optimal design of drainage channel geometry parameters in vane demister liquid-gas separators[J],Chemical Engineering Research and Design,2013,91(7):1212-1222.

[9] 洪文鵬，董世平，馬軍輝.基于數(shù)值研究的折線(xiàn)型除霧器葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(2)：67-71.

[10] 楊柳,王世和,等.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)除霧器特性試驗(yàn)研究[J].熱能動(dòng)力工程,2005,20(20):146-147.

[11] 黃龍浩,肖海平，謝乾，等.濕法脫硫系統(tǒng)除霧器性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代電力,2009,26(4):71-75.

Numerical Simulation Of Two-channel Streamlined Hooked Corrugated Board Demister Structure Optimization

Pi Xinrui1，Wang Zezhong2,Dong Ying3，Ju Kaiyang3

(1.Datang Northeast Electrle Power Test and Research Institute,Changchun Jilin,1320012;2.Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Electric Power University,Jilin Jilin 132012;3.Tianjin SDIC Jinneng Electric Power Company Ltd.,Tianjin 300480)

order to improve the efficiency of mist eliminator,on the basis of the streamline wave plate in addition to fog,to some of the optimization,add a hook plate and baffle.Use methods of numerical simulation,simulation of 60 kinds of operating modes are carried out on three models,research shows:YW type and YY type in addition to fog can improve the efficiency of the fog,especially in the condition of small size,low tassel,the partial loss of local resistance is larger than that of the WW type.

Mist eliminator;Corrugated board;Numerical simulation

2016-11-12

皮新瑞(1992-)，男，助理工程師，主要研究方向：火力發(fā)電廠(chǎng)設(shè)備節(jié)能.

1005-2992(2017)01-0095-06

X701.7

A

電子郵箱： 757012801@qq.com(皮新瑞);2300655564@qq.com(王澤忠)；1152039567@qq.com(董穎)；54279312@qq.com(鞠鎧陽(yáng))