一種渦流除霧器的實驗與數(shù)值模擬研究

朱凱，袁竹林

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一種渦流除霧器的實驗與數(shù)值模擬研究

朱凱，袁竹林

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京，210096)

為了解決火電廠使用的折流板除霧器對小粒徑霧滴脫除效果差的問題，提出一種新型的渦流除霧器，通過在除霧器中產(chǎn)生渦來使流場復(fù)雜，從而增加對小粒徑霧滴的脫除效果。通過數(shù)值模擬方法研究渦流除霧器和折流板除霧器，并且通過實驗對數(shù)值模擬進行驗證。研究結(jié)果表明：當(dāng)流速為3~7 m/s時，渦流除霧器的總除霧效率比折流板除霧器的總除霧效率大10.8%~29.8%；當(dāng)流速為3~7 m/s時，渦流除霧器對于20 μm霧滴的除霧效率便能達到90%以上；渦流除霧器對小粒徑霧滴的脫除效果比折流板除霧器好，如當(dāng)粒徑為10 μm時，渦流除霧器的效率比折流板除霧器大17.8%~18.2%；渦流除霧器的壓降要比折流板除霧器大，當(dāng)流速為3 m/s時，差值為193 Pa，而后差值隨著流速的增大而增大。

計算流體力學(xué)；數(shù)值模擬；氣液兩相流；渦流除霧器；除霧效率

近年來，霧霾天氣越來越嚴(yán)重，這主要是因為空氣中存在大量的細(xì)顆粒物(PM2.5)。PM2.5主要是人為排放的，而燃煤火電廠便是其主要來源之一[1]。燃煤火電廠為了盡量減少SO2的排放，廣泛使用了濕法脫硫技術(shù)，而這會導(dǎo)致排出的PM2.5增多[2]。另外，在機組大負(fù)荷運行時，周圍還會出現(xiàn)“石膏雨”現(xiàn)象[3?4]。為了解決這些問題，就需要使用除霧器來除去濕法脫硫后煙氣中的霧滴[5?8]。除霧器在脫硫系統(tǒng)中非常重要，如果出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致整個機組停機[9?10]。目前在濕法脫硫塔中采用的除霧器主要是折流板除霧器。對折流板除霧器的研究包括實驗研究和數(shù)值模擬。USHIKI等[11]通過實驗研究了波紋板除霧器，最后得到了一些影響波紋板除霧器性能的因素。王霄等[12]在玻璃槽中進行了實驗，研究操作條件和板間距等對除霧效率和壓降的影響。王政允[13]建立了冷態(tài)試驗臺，采用稱重法來測量除霧器的除霧效率，發(fā)現(xiàn)除霧效率隨著流速的增加，會先升高后下降。黃新長[14]通過實驗得到了能使除霧器除霧效率達到最優(yōu)的除霧器板型。RAFEE等[15]在使用雷諾應(yīng)力輸運模型模擬除霧器流場時，分別使用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)和增強壁面函數(shù)，最后發(fā)現(xiàn)，使用增強壁面函數(shù)能使得得到的模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，尤其對小粒徑霧滴。ESTAKHRSAR等[16]研究了除霧器中折彎次數(shù)對除霧效率和壓降的影響，并使用了EIM模型，最后得出結(jié)論折彎次數(shù)越多，效率越高，但同時壓降也明顯增加。姚杰等[17]對帶鉤波紋板型除霧器內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬，最后發(fā)現(xiàn)葉片轉(zhuǎn)折角度和間距、圓弧段轉(zhuǎn)彎半徑等對壓降和效率的影響顯著。由過去的研究可以發(fā)現(xiàn)，折流板除霧器對于大粒徑霧滴有較好的脫除效果，而對于小粒徑霧滴的除霧效率很低。如對于粒徑為7.5 μm到22.5 μm的霧滴，折流板除霧器的除霧效率只有約30%[18]；當(dāng)板間距為20 mm時，折流板除霧器對10 μm霧滴的除霧效率在8%以內(nèi)波動[19]。為了提高除霧器對小粒徑霧滴的除霧效率，本文作者提出了一種新型的渦流除霧器：通過在流道里設(shè)置擋板來產(chǎn)生渦，進而提高內(nèi)部流速以及增加氣流轉(zhuǎn)向次數(shù)，最后提高除霧器對小粒徑霧滴的除霧效率。通過數(shù)值模擬方法對所提出的渦流除霧器進行研究，得到了總除霧效率和壓降，以及分級除霧效率。同時，為了對比，也通過數(shù)值模擬對折流板除霧器進行了研究。并且搭建了試驗臺，制作了渦流除霧器和折流板除霧器的模型，進行了實驗。數(shù)值模擬時，使用Fluent模擬氣相場，使用VB編程模擬霧滴運動。最后發(fā)現(xiàn)，本文所提出的渦流除霧器對小粒徑霧滴除霧效率要高于折流板除霧器，如對于10 μm霧滴，渦流除霧器的除霧效率要比折流板除霧器高17.8%~28.2%，但壓降也要高。

1 一種新型渦流除霧器的提出及工作原理

目前，在電廠中廣泛使用的折流板除霧器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。霧滴隨氣流進入除霧器后，當(dāng)氣流前進方向改變后，霧滴會因為慣性力的作用而撞擊到壁面，從而被捕集。這種除霧器結(jié)構(gòu)簡單，但對細(xì)小霧滴(尤其是直徑小于20 μm的霧滴)除霧效率較低(＜40%)，這是因為小粒徑霧滴質(zhì)量小，與氣流跟隨性較好。本文提出的新型除霧器，通過在通道內(nèi)添加擋板來產(chǎn)生渦流。一方面，當(dāng)渦形成后，會使得渦所在位置的流通面積減小。因為渦所在位置始終存在一股氣流在原地旋轉(zhuǎn)，而其他地方來的氣流難以進入，被排斥在外。當(dāng)流通面積減小后，流速就會增加，霧滴的慣性也會增加，從而使得小粒徑霧滴更容易撞壁。另一方面，由于渦、缺口和導(dǎo)流板，氣流在渦流除霧器中的轉(zhuǎn)彎次數(shù)要多于氣流在折流板除霧器中的轉(zhuǎn)彎次數(shù)，霧滴偏離氣流前進方向的可能性變大，霧滴更容易被脫除。

本文所提出的渦流除霧器結(jié)構(gòu)如圖2所示。整體來看，除霧器是由2種結(jié)構(gòu)不同的流道組成的。圖2中左邊2個流道的結(jié)構(gòu)和右邊2個流道的結(jié)構(gòu)一樣。圖3所示為圖2中左邊2個流道的尺寸圖，其中擋板與壁面的夾角為56°或124°。圖4所示為本文中用于和渦流除霧器進行對比的折流板除霧器的尺寸圖。模擬中所建立的渦流除霧器和折流板除霧器模型都采用4個流道。

圖1 折流板除霧器

圖2 渦流除霧器結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)單位：mm

數(shù)據(jù)單位：mm

2 實驗裝置的建立與實驗結(jié)果

為了驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，建立了相應(yīng)的實驗臺來研究渦流除霧器和折流板除霧器。

2.1 實驗裝置與實驗方法

本文所搭建的實驗臺參考王政允[13]所搭建的實驗臺，實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過在風(fēng)機入口處裝閥門來控制空氣流量，從而控制流速。圖5中風(fēng)機之后各段都為5 mm厚的有機玻璃制造。在風(fēng)機之后的各段下面都有排液槽和水桶，用來收集被捕集的霧滴。除霧器一共有2個，分別為渦流除霧器和折流板除霧器，結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬所建立的一樣，只是流道為8個，同時將渦流除霧器模型最左側(cè)壁面和最右側(cè)壁面上的缺口補上。通過數(shù)值模擬計算流道中流速達到充分發(fā)展所需要的長度，從而把除霧器布置在合理的位置。

實驗時的溫度為15~20 ℃，流速為3~5 m/s。通過絲網(wǎng)使噴嘴噴出的霧滴粒徑分布與某電廠中的霧滴粒徑分布接近，霧滴粒徑在7~200 μm之間，主要在10~50 μm之間[13]。使用熱線風(fēng)速儀在除霧器入口處的測量段測量風(fēng)速。在實驗時，與壁面碰撞的霧滴以及被除霧器捕集的霧滴，都會流入集液槽，最后用水桶收集這些霧滴，再用量筒測量體積，量筒量程為5 000 mL，測量誤差為±50 mL。在計算總質(zhì)量效率時，先使用量筒測量水泵入口處水桶中水在實驗開始時和結(jié)束時的體積，從而得到噴嘴噴出的水的總體積1。噴嘴噴出的霧滴在進入除霧器之前會有一部分與流道壁面碰撞，流入下面的集液槽。用量筒測量除霧器入口之前各段下面集液槽的水的總體積2。最后用量筒測量除霧器下面集液槽中的水體積，得到被除掉的水的體積3，設(shè)從除霧器入口進入除霧器的霧滴總體積為4，則總質(zhì)量效率的計算公式如下：

2.2 實驗結(jié)果

在實驗中，分別對傳統(tǒng)的折流板除霧器和渦流除霧器進行了實驗，計算了除霧效率并進行了對比。表1所示為得到的實驗結(jié)果。

渦流除霧器與折流板除霧器的總除霧效率是一直隨著流速的增加而增加，總體來看，渦流除霧器的總效率一直比折流板除霧器的大，兩者的差值隨著流速的增大而減小，最小差值為15.4%，最大差值為24.6%。由此可看成渦流除霧器能提高總除霧效率。

圖5 實驗臺結(jié)構(gòu)簡圖

表1 不同流速下實驗結(jié)果

3 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬結(jié)果

在進行研究時，要考慮的因素很多，如不同的流速以及不同的結(jié)構(gòu)等，而若只通過實驗來進行研究的話，則需要進行非常多的實驗，非常耗費時間。而數(shù)值模擬則可以大大減少時間。而且數(shù)值模擬能得到實驗中難以得到的數(shù)據(jù)，如氣相場以及流場內(nèi)霧滴的分布等。

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 氣相流場控制方程

連續(xù)性方程為

三維Navier-Stokes方程為

式中：，和分別為，和方向上的速度；為壓力。

3.1.2 離散液滴控制方程及碰撞描述

霧滴的受力平衡方程式為

式中：D為霧滴受到的曳力[20]，

式中：D為曳力系數(shù)，

霧滴若從最左側(cè)或最右側(cè)壁面上的缺口離開，則從最右側(cè)或最左側(cè)壁面同高度缺口進入流道。在模擬霧滴的運動時，考慮霧滴之間的碰撞，若發(fā)生碰撞，則2個霧滴便合并為1個霧滴。本文在模擬霧滴間的碰撞時，使用了直接模擬蒙特卡洛(DSMC)方法[20]：在模擬時以樣本顆粒來代替真實顆粒，然后通過計算概率來判斷是否會發(fā)生碰撞，若發(fā)生碰撞，則采用硬球模型。概率計算公式為

式中：p為霧滴粒徑；n為霧滴的數(shù)濃度；G為2個霧滴之間的相對速度。若2個霧滴發(fā)生碰撞，則根據(jù)動量定理計算碰撞后產(chǎn)生的霧滴的質(zhì)量和速度為：

式中：為碰撞后形成的霧滴速度。

3.1.3 計算條件

模擬時，用空氣代替煙氣。將除霧器中空氣流動看作定常不可壓縮流動。假設(shè)空氣在計算過程中溫度不變，出口表壓為0 Pa，操作壓力為101 325 Pa，管壁和擋板都是絕熱且壁面無滑移?？諝饷芏葹?.204 kg/m3，動力黏度為1.83×10?5N?s/m2。模擬時空氣流速為3~7 m/s。

空氣含水量為0.05 kg/m3，霧滴密度為998.23 kg/m3。由某電廠除霧器前煙氣中小粒徑霧滴的粒徑分布圖可知：霧滴粒徑分布在7~200 μm之間，而且45~200 μm之間的霧滴很少[13]。為便于計算，模擬時霧滴粒徑取10，15，20，25，30，35，40和45 μm，各粒徑霧滴在總量中所占百分比也參照電廠除霧器入口處煙氣中的霧滴粒徑分布來設(shè)置。在模擬過程中不考慮二次夾帶。霧滴與流道壁面或擋板碰撞，則被捕集，當(dāng)霧滴到達除霧器出口時，則逃逸。霧滴初速方向與入口截面垂直。將霧滴看作均勻球體，且霧滴直徑在運動過程中不變。

3.2 流場分析

圖6所示為模擬后得到的渦流除霧器的速度流線圖。由圖6可知：渦流除霧器中擋板后面都會產(chǎn)生1個漩渦。在流道中產(chǎn)生漩渦后，由于氣流在原地旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生一定的離心力，后面進入除霧器的氣流便會繞過這些位置，從而使得流道的流通面積減小，最后導(dǎo)致氣流流速增加。氣流在流道中的前進方向往往要改變多次，有部分還會進入其他流道，整個流場會變得很復(fù)雜。

圖6 渦流除霧器內(nèi)氣相場分布

圖7所示為當(dāng)流速為5 m/s時，渦流除霧器內(nèi)離散霧滴的分布圖。圖7(a)中霧滴剛進入除霧器，圖7(c)中霧滴在除霧器內(nèi)的分布已達到穩(wěn)定，而圖7(b)中霧滴分布介于前面兩者之間。由圖7可看出：霧滴在剛進入時，在入口處分布是較均勻的，而在碰到流道中的擋板后，霧滴的分布便不再均勻。對比上面的流線圖可以發(fā)現(xiàn)霧滴也會繞過漩渦。一方面，由于氣流會繞過去；另一方面，則是由于霧滴在靠近漩渦的時候會產(chǎn)生離心力。當(dāng)除霧器中霧滴分布穩(wěn)定后，能進入除霧器后半段的霧滴數(shù)量便很少，大部分在前半段被脫除，而只有一些粒徑小的霧滴由于氣流跟隨性好，最后能逃逸出去。

(a) 霧滴剛進入除霧器；(b) 霧滴分布不穩(wěn)定；(c) 霧滴分布達到穩(wěn)定

3.3 模型驗證

通過數(shù)值模擬得到了渦流除霧器和折流板除霧器在各流速下的總除霧效率。在確保實驗和數(shù)值模擬中的除霧器尺寸結(jié)構(gòu)、流速和入口霧滴粒徑等參數(shù)相同后，將實驗中得到的總質(zhì)量效率與模擬結(jié)果進行對比，來驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在數(shù)值模擬中，總除霧效率是用被除霧器脫除的霧滴的總質(zhì)量除以進入除霧器的霧滴的總質(zhì)量后得到。表1和表2所示分別為通過數(shù)值模擬得到的渦流除霧器和折流板除霧器在流速為3~5 m/s時的總除霧效率。

實驗時只測了除霧器在3，4和5 m/s時的除霧效率。當(dāng)氣速大于5 m/s時，二次夾帶現(xiàn)象將會非常嚴(yán)重。而數(shù)值模擬并未考慮二次夾帶現(xiàn)象，所以，模擬和實驗的誤差將會非常大。為了減小誤差，只對比了模擬和實驗在3，4和5 m/s時的除霧效率。

對比表1和表2發(fā)現(xiàn)渦流除霧器數(shù)值模擬和實驗得到的總除霧效率都大于90%，且數(shù)值模擬的結(jié)果比實驗結(jié)果大3%~4.8%。而折流板除霧器的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果在流速為4 m/s時，差值最大，為2.8%。渦流除霧器的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的差距要大于折流板除霧器，這或許是因為數(shù)值模擬有很多問題沒考慮，如二次夾帶。當(dāng)流速相同時，由于渦的存在，渦流除霧器內(nèi)的流速要高于折流板除霧器內(nèi)的流速，所以，二次夾帶現(xiàn)象也比折流板除霧器嚴(yán)重，誤差也要大一點。整體來看，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合，驗證了模型的準(zhǔn)確性。

表2 不同流速下數(shù)值模擬結(jié)果

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果

3.4.1 總除霧效率和壓降

圖8所示為模擬得到的渦流除霧器和折流板除霧器的總除霧效率對比圖。由圖8可知：渦流除霧器的除霧效率一直比折流板除霧器的大，兩者差值隨流速的增加而減小，最大差值為29.8%，最小差值為10.8%。

圖9所示為模擬得到的渦流除霧器和折流板除霧器的壓降對比圖。由圖9可知：渦流除霧器的壓降一直大于折流板除霧器的壓降，兩者的差值隨流速的增加而增加；當(dāng)流速為3 m/s時，渦流除霧器的壓降比折流板除霧器大193 Pa；而當(dāng)流速增加到7 m/s時，渦流除霧器的壓降比折流板除霧器大1 079 Pa。渦流除霧器由于渦的存在，流通面積變小，內(nèi)部流速提高，氣流轉(zhuǎn)向次數(shù)多，效率變高，同時這些也會導(dǎo)致壓降增加。

1—渦流除霧器；2—折流板除霧器。

1—渦流除霧器；2—折流板除霧器。

3.4.2 分級除霧效率分析

在數(shù)值模擬中，某一粒徑霧滴的分級除霧效率是被除霧器脫除的相應(yīng)粒徑范圍的霧滴總質(zhì)量除以入口處加入的相應(yīng)粒徑的霧滴總質(zhì)量。如10 μm霧滴的分級除霧效率，是用被除掉的[10, 15) μm范圍內(nèi)的霧滴總質(zhì)量除以入口加入的10 μm霧滴總質(zhì)量。圖10所示為各流速下渦流除霧器和折流板除霧器的分級除霧效率的對比圖。

對于渦流除霧器，當(dāng)流速為3~7 m/s時，10 μm霧滴的除霧效率在46.3%~54.4%之間；15 μm霧滴的除霧效率隨著流速增加，從72.2%增加到97.9%；20 μm霧滴則是從90.5%增加到99.9%；當(dāng)霧滴粒徑大于等于25 μm時，霧滴的除霧效率在各流速下都大于98%。流速的增加對10 μm霧滴的影響不是非常大，霧滴的除霧效率波動約為8%；而當(dāng)霧滴粒徑大于或等于 15 μm時，流速的影響非常大。同時，在同一流速下，除霧效率隨著粒徑的增大而增大。

流速/(m?s?1)：(a) 3；(b) 4；(c) 5；(d) 6；(e) 7

由折流板除霧器在各流速下的分級除霧效率可知：當(dāng)霧滴粒徑小于等于20 μm時，隨著流速增加，霧滴除霧效率都在20%~40%之間；當(dāng)粒徑大于20 μm時，流速對霧滴的影響變大，隨著流速增加，除霧效率急劇增大；當(dāng)粒徑為35 μm時，各流速下的除霧效率都大于88%。在同一流速下，除霧效率是先隨著霧滴粒徑的增大而降低，然后才隨著粒徑的增大而 增大。

粒徑和流速的增大都會增大霧滴的慣性，使得霧滴更易于被捕集，因此，當(dāng)流速增加和粒徑增大時，除霧效率也會增大。但當(dāng)霧滴粒徑很小時，會出現(xiàn)效率隨著流速的增加而降低的現(xiàn)象。由于考慮了霧滴間的碰撞，霧滴的脫除一方面是靠與壁面的碰撞，另一方面則是靠霧滴間的碰撞。而小霧滴的脫除受霧滴間碰撞的影響很大。隨著流速增加，霧滴的隨機運動相應(yīng)增強，霧滴間的碰撞次數(shù)減少，因為碰撞而消失的小粒徑霧滴數(shù)量就會減少，最后導(dǎo)致霧滴的除霧效率降低。對于折流板除霧器，在相同流速下，當(dāng)霧滴粒徑較小時，除霧效率會隨著粒徑的增大而降低，也是因為考慮了霧滴間碰撞：小粒徑霧滴在碰撞后會變成大粒徑霧滴，使得大粒徑霧滴數(shù)量增多，效率下降。

對比渦流除霧器和折流板除霧器在各流速下的分級除霧效率可以發(fā)現(xiàn)：在各流速下，渦流除霧器對于小粒徑霧滴的脫除效果都要比折流板除霧器的脫除效果優(yōu)。如當(dāng)霧滴粒徑分別為10 μm和15 μm時，渦流除霧器效率比折流板除霧器分別高17.8%~28.2%和39.8%~77.4%。對于粒徑為15 μm以及15 μm以下的霧滴，渦流除霧器的除霧效率與折流板除霧器的差值隨著流速的增加而增加；對于粒徑為20 μm的霧滴，差值則先是隨著流速的增加而增加，而后隨著流速的增加而降低；對于粒徑為25 μm及以上的霧滴，差值隨著流速的增加而降低。而在同一流速下，當(dāng)流速低于7 m/s時，渦流除霧器和折流板除霧器除霧效率的差值隨著霧滴粒徑的增加先增大后減小。

當(dāng)入口流速相同時，渦流除霧器由于渦的存在，流通面積減小，內(nèi)部流速提高，相同粒徑的霧滴在渦流除霧器中的慣性要比在折流板除霧器中大，更易于被捕集。另一方面，渦流除霧器中的氣流轉(zhuǎn)向次數(shù)更多，霧滴脫離氣流并且與壁面碰撞的可能性也更大。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)流速為3~7 m/s時，渦流除霧器的總除霧效率要高于折流板除霧器。兩者差值隨著流速增加，由29.8%減少到10.8%。但渦流除霧器的壓降也要比折流板除霧器的壓降大193~1 079 Pa。

2) 在渦流除霧器中，當(dāng)流速為3~7 m/s時，20 μm霧滴的除霧效率能達到90%以上。當(dāng)霧滴粒徑大于或等于15 μm時，除霧效率隨流速的增大而增大。

3) 渦流除霧器對小粒徑的脫除效果要比折流板除霧器的優(yōu)，當(dāng)霧滴粒徑分別為10 μm和15 μm時，渦流除霧器效率比折流板除霧器分別高17.8%~28.2%和39.8%~77.4%。

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(編輯 楊幼平)

Experimental study and numerical simulation of one kind of vortex demister

ZHU Kai, YUAN Zhulin

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Demisting efficiency of baffle plate demister for small droplets was low. To solve this problem, a new kind of demister, i.e. vortex, demister was proposed. The flow field of vortex demister was complicated because of vortexes, which will increase the removal efficiency of small droplets. Vortex demister and baffle plate demister were studied by numerical simulation. And some experiments were done to show the validity of the simulation. The results show that the demisting efficiency of vortex demister is 10.8%?29.8% higher than that of baffle plate demister when the gas flow rate is between 3 and 7 m/s. The removal efficiency of 20 μm droplet of vortex demister is higher than 90% when the gas flow rate is between 3 and 7 m/s. And the removal efficiency of vortex demister is higher than that of baffle plate demister when droplets were small. For example, the removal efficiency of vortex demister is 17.8%?18.2% higher than that of baffle plate demister when the diameter of droplets is 10 μm. And the pressure drop of vortex demister is higher than that of baffle demister. When the gas flow rate is 3 m/s, the difference is 193 Pa, and the difference will increase with gas flow velocity increasing.

computational fluid dynamics; numerical simulation; gas-liquid flow; vortex demister; demister efficiency

TQ021.1

A

1672?7207(2018)01?0022?09

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.01.004

2017?01?20；

2017?04?06

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項目(2013CB228505)；國家自然科學(xué)基金重大項目(51390492) (Project(2013CB228505) supported by the National Basic Research Development Program of China (973 Program); Project(51390492) supported by the Major Program of National Natural Science Foundation of China)

袁竹林，博士，教授，從事氣固兩相流動與數(shù)值模擬、強化傳熱與熱管技術(shù)等研究；E-mail: 101004322@seu.edu.cn