濕法脫硫裝置除霧器流場及除霧特性的數值研究

劉含笑，袁建國，郭 鏈，姚宇平，酈建國

(浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

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濕法脫硫裝置除霧器流場及除霧特性的數值研究

劉含笑，袁建國，郭 鏈，姚宇平，酈建國

(浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

基于商業CFD軟件對折線形除霧器流場及除霧特性進行了數值模擬，計算中，采用離散相模型模擬兩相流，湍流場采用k-ε兩方程湍流模型計算，顆粒運動軌跡采用顆粒云模型計算，通過調整入口條件及結構參數，揭示了除霧器除霧效率和壓力損失的變化規律，可為用于結構設計和優化。進一步對模型進行優化和補充，探討了不同時刻除霧器流場及顆粒運動的瞬時特性，對于深入了解其除霧過程具有一定的參考價值。

濕法脫硫；除霧器；流場；顆粒運動軌跡；數值模擬

Foundation items：National High-tech R&D Program of China (2013AA065002)

《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)進一步降低了燃煤電廠大氣污染物的排放限值，其中重點控制地區，要求煙塵排放限值20 mg/m3，2014年7月1日起現役機組均執行此標準。由于環境容量有限等原因，長三角、珠三角等地部分燃煤電廠已參考燃氣輪機組標準限值，要求在基準氧含量6%條件下，煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于5、35、50 mg/m3，即燃煤電廠大氣污染物需達到超低排放的要求。國家發改委、環保部和能源局三部委聯合印發的《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》中要求東部等地區新建燃煤機組排放達到或接近燃機標準，進一步促進煤炭的清潔高效利用。

隨著行業內外超低排放呼聲的愈演愈烈，業內對于濕法脫硫裝置(以下簡稱WFGD)的協同除塵效果的要求也越來越高。據報道，國外煙氣協同治理技術路線中，WFGD的協同除塵效果均可達到70%以上[1-3]。增強WFGD協同除塵效果可從提高WFGD煙塵脫除效率和減少石膏漿液攜帶兩個方面來考慮，而增強除霧器除霧效果是減少WFGD石膏漿液攜帶的關鍵。除霧器內流場的流動狀態復雜，傳統的實驗方法雖然可以粗略測到除霧器的霧滴脫除效率，但難以確定最佳除霧器結構尺寸，即同時具有較低系統壓力和較高霧滴脫除效率的除霧器葉片幾何尺寸，且極難觀測除霧器內液滴的運動及捕集過程。因此，很有必要發展一種有效的數值計算方法[4-7]，較為準確預測除霧器最佳結構形式及參數配置。

1 除霧器主要類型

WFGD布置的除霧器一般為折流板型除霧器，其利用慣性，通過液滴與除霧器壁面碰撞而將其捕集。通常, 折流板除霧器的板間距為20～30 mm，且煙氣流速不宜過高，氣速過高會引起二次攜帶，當垂直安置時，氣體的平均流速一般為2～3 m/s，而水平放置時，氣體的流速可以高些，一般為6～10 m/s。

除霧器葉片是除霧器中最核心的部件，其材料一般由高分子材料(如聚丙稀、FRP等)或不銹鋼(如317L)兩大類材料制作而成。形狀大致可分為折線型和流線型兩類。

2 理論模型

2.1 假設條件

除霧器在實際運行過程中，液滴及氣流在彎曲的除霧器通道內的運動過程較為復雜，屬于非定常、黏性可壓縮流體的流動過程。考慮計算機內存量及計算時間的復雜度，在誤差允許的范圍內，根據實際情況對模型進行適當簡化和假設。

(1) 以空氣代替煙氣進行計算，且流速較低，可假設為不可壓縮流體。

(2) 計算為定常工況，并忽略溫度對流場的影響。

(3) 以水滴代替石膏漿液進行計算，并假設為球形顆粒。

(4) 忽略顆粒的凝聚、破碎、沉降、變形及相變等。

(5) 液滴碰到除霧器壁面即認為被捕集，到達出口時，認為是逃逸，忽略石膏漿液的二次攜帶。

2.2 連續相計算模型

氣體相的控制方程可用雷諾平均后的動量及連續性方程，考慮到模型入口為射流,因此選擇處理射流問題較好的可實現k-ε兩方程湍流模型求解本模型。

連續方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

2.3 顆粒相(液滴)計算模型

除霧器中液滴相的體積分數小于10%，采用拉格朗日法來描述液滴顆粒的運動較為準確，將其作為惰性離散相顆粒處理，即選用DPM模型來跟蹤顆粒運動，利用顆粒云模型計算湍流擴散對射流顆粒的影響，顆粒相的作用力平衡方程在直角坐標系下的形式為：

(3)

式中FD為連續相阻力；G為重力；Fsaffman為saffman力；Fother為其它相間作用力，在本計算中不作考慮。

3 物理模型

WFGD內除霧器各工作區域具有一定的對稱性和空間重復性，忽略來流非均勻性、非對稱結構對除霧器各工作區域的影響，可將幾何模型簡化為二維結構，以折線形除霧器為例進行試算，其幾何模型及主要計算參數如表1所示。網格劃分如圖1所示，均為結構化網格。

表1 幾何模型及主要計算參數

圖1 網格劃分

4 數值計算

4.1 流場分析

采用上述計算方法，通過CFD計算軟件對圖1網格文件進行計算，并將計算結果進行后處理，分別以a=30 mm，b=30 mm，c=20 mm，α=90°，入口流速為2 m/s，液滴直徑為10 μm和a=30 mm，b=30 mm，c=20 mm，α=90°，入口流速為3 m/s，液滴直徑為30 μm為例，計算除霧器內顆粒運動軌跡及速度、壓力云圖如圖2、3所示。

圖2 顆粒軌跡及流場計算結果(a=30 mm，b=30 mm，c=20 mm，α=90°，入口流速為2 m/s，液滴直徑為10 μm)

圖3 顆粒軌跡及流場計算結果(a=30 mm，b=30 mm，c=20 mm，α=90°，入口流速為3 m/s，液滴直徑為30 μm)

由圖2(a)所示，除霧器中部分顆粒跟隨流體流出除霧器通道，而一部分顆粒碰到除霧器壁面而被捕集，且大部分捕集區域發生在折角處(a圖的框處)，此處連續相的的流速也較高(b圖的框處)，容易發生氣液分離；除霧器的壓力損失主要發生在除霧器折角處(c圖的框處)；圖3(a)的顆粒已被完全捕集，表明除霧器對于大粒徑、高流速的液滴具有較好的捕集效果。

通過流場及顆粒運動軌跡的分析，可較直觀的了解除霧器的除霧原理。

4.2 除霧效率的影響參數

4.2.1 除霧效率計算

本計算均為單一粒徑工況計算，為計算方便，此處除霧效率暫以液滴數濃度脫除率代替，即進口顆粒個數為n個，除霧器出口液滴個數為m個，則被除霧器壁面捕獲的顆粒個數為(n-m)個，則此時除霧器的除霧效率計算公式為：

(4)

4.2.2 液滴直徑對除霧效率的影響

以結構參數a=30 mm，b=30 mm，c=30 mm，α=90°除霧器為例，計算不同入口流速條件下液滴直徑與除霧效率的關系如圖4所示。

圖4 除霧效率—液滴直徑關系曲線

由圖4可知，在相同入口流速時，液滴粒徑越大，除霧器對其脫出效率越高，最高可達100%，這是因為液滴直徑越大，其慣性越大，在煙氣中運動的響應時間也就越長，即液滴運動的跟隨性變差，因此更容易碰到除霧器壁面而被捕獲。當流速為2～4 m/s時，對于粒徑在10～50 μm范圍內的液滴脫除率均達不到100%，即此時除霧器的極限粒徑大于50 μm。當流速大于5 m/s時，除霧器極限粒徑大約為30 μm。

4.2.3 煙氣流速對除霧效率的影響

以結構參數a=30 mm，b=30 mm，c=30 mm，α=90°除霧器為例，不同液滴直徑時除霧器入口流速與除霧效率的關系如圖5所示。

由圖5可知，對于50 μm以上的液滴，幾乎已被完全捕獲。粒徑為20、30 μm的液滴，在低流速情況下除霧效果就已經較高。隨著流速升高，除霧效果也迅速提升，很快便達到或接近100%，這是因為流速越高，液滴離心慣性力越大，越容易撞擊到除霧器壁面。對于10 μm顆粒，隨著流速增加，除霧效果時增時減，推測是因為流速增加，流場湍流強度增強，亞微觀粒子(1～10 μm)所受的Saffman升力作用更加明顯[8-9]，顆粒運動軌跡變得不穩定，從而導致除霧效率變化不定。

圖5 除霧效率—入口流速關系曲線

4.2.4 葉片間距對除霧效率的影響

分別以直徑10 μm和20 μm的液滴顆粒為例，除霧器葉片間距對除霧效率的影響如圖6所示。

圖6 除霧效率—葉片間距關系曲線

由圖6可知，除霧器葉片間距越大，其除霧效果越差，這是因為葉片間距增大，氣流在通道中的流通面積變大，在煙氣流方向速度變化趨于平緩，顆粒對氣流的跟隨性變好，不容被除霧器壁面捕獲。

4.2.5 折彎角度對除霧效率的影響

分別以直徑10 μm和20 μm的液滴顆粒為例，除霧器葉片折彎角度對除霧效率的影響如圖7所示。由圖7可知，除霧器葉片折彎角度越大，其除霧效果越差，這是因為折彎角度變大，氣流在通道內的沿來流方向發生偏轉的角度變小，顆粒的跟隨性變好，不容易被除霧器壁面捕獲。

圖7 除霧效率—折彎角度關系曲線

4.3 除霧器壓力損失的影響參數

壓力損失是除霧器的重要性能參數，壓力損失越大，系統能耗越高，經濟性也就越差。除霧器的壓力損失主要表現在除霧器的沿程阻力損失和折角處的局部壓力損失，如圖2、3中圖(c)所示。

4.3.1 流場特性(流速、粒徑)

以結構參數a=30 mm，b=30 mm，c=30 mm，α=90°除霧器為例，計算不同入口流速、液滴直徑條件下壓力損失如圖8所示。液滴直徑對除霧器的壓力損失幾何沒有影響，這是因為計算中未考慮液滴對連續相的反作用。隨著流速的增加，除霧器的壓力損失明顯增加，這是因為壓力損失與速度的平方呈正比。

圖8 不同流速、液滴粒徑時除霧器壓力損失

4.3.2 結構特性(葉片間距、折彎角度)

以結構參數a=30 mm，b=30 mm，α=90°除霧器為例，計算不同葉片間距下壓力損失如圖9所示。由圖9可知，葉片間距越大，除霧器壓力損失越小，且流速越高，不同間距除霧器的壓力損失差別越大。

以結構參數a=30 mm，b=30 mm，c=30 mm除霧器為例，計算不同葉片折彎角度下壓力損失如圖10所示。由圖10可知，折彎角度越大，除霧器壓力損失越小，且流速越高，不同間距除霧器的壓力損失差別越大。

圖9 不同葉片間距時除霧器壓力損失

圖10 不同折彎角度時除霧器壓力損失

5 計算模型的進一步優化及補充

上述計算結果可較好反應除霧器內流場及顆粒運動的特性，且計算規律與相關文獻的結果具有較好的一致性[4，7，10]，可為除霧器結構及參數優化提供參考。但隨著理論研究的不斷深入，僅時均、定性的規律已經不能滿足需求，人們越來越關注流場、顆粒運動的瞬時特性，本文在原有研究基礎上進步一對計算模型進行適當優化及補充，探討不同時刻除霧器內流場及顆粒運動特性。

5.1 理論模型優化及補充

為了更細致的模擬不同時刻流場的湍流特性，引入2d-LES模型計算湍流流場[11]；兩相流模型依然采用PBM模型，為了考慮瞬時湍流強度對顆粒運動的影響，改用隨機軌道模型計算顆粒運動軌跡；液滴顆粒粒徑從1～100 μm分為10個區間，符合R-R分布：

R(dk)=exp[-(dk/d)n]

(5)

R(dk)表示尺寸大于dk的那部分顆粒占所有顆粒群的質量百分數，為R(dk)=e-1時的顆粒直徑。顆粒粒徑分布如圖11所示。

圖11 顆粒質量百分數隨粒徑變化

考慮液滴除霧器內運動的過程中顆粒的凝并及二次破碎，液滴碰撞即認為凝并，液滴破碎模型選用泰勒類比破碎模型。

5.2 計算結果及分析

采用非定常計算方法，時間步長設為0.001 s，以結構參數a=30 mm，b=30 mm，c=30 mm，α=120°除霧器為例，經迭代計算，不同時刻除霧器內速度場、顆粒運動軌跡的計算結果如圖12～圖14所示。

圖12 速度云圖(t=0.01～0.10 s)

圖13 顆粒運動軌跡(t=0.01～0.10 s)

圖14 速度云圖及顆粒運動軌跡(t=0.15 s)

圖12、圖13分別為t=0.01、0.03、0.06、0.10 s時刻除霧器內速度云圖和顆粒運動軌跡圖。由圖12可知，除霧器葉片折角處有明顯的速度擾流，而且該擾流隨著時間不斷變化。圖14為t=0.15 s時刻除霧器內速度云圖和顆粒運動軌跡，其中(c)圖為對(b)圖線框內部分的局部放大。由圖14可知，液滴的主要捕集區域為折角上壁面處，且大液滴較容易被捕集，紅色液滴出口已經看不到，即已經被完全捕集，而藍色液滴(小液滴)仍有較多逃逸出去。

6 結論

運用離散相模型(DPM)對不同工況條件下折線形除霧器的流場及顆粒運動軌跡進行了數值模擬研究。結果表明：煙氣流速、液滴直徑與除霧效率正相關，即流速越高、液滴執行越大，除霧效果越好；除霧器葉片間距和折彎角度與除霧效率成反比；液滴直徑與除霧器壓力損失無關，流速越大，葉片間距、折彎角度越小，除霧器壓力損失越大，能耗越高，經濟性也就越差。計算結果與文獻結果吻合較好，除霧效率和壓力損失時除霧器設計和應用中的重要參數，本文展示的計算方法和結果可為除霧器的選型設計提供有益參考。

另外，引入2d-LES模型模擬湍流流場，隨機軌道模型計算顆粒運動軌跡，入口液滴粒徑分布定義為R-R分布，并考慮液滴的凝并、破碎，優化、補充后的計算模型可得到實驗極難觀測到的不同時刻流場及顆粒運動的瞬時特性，對于研究人員深入了解除霧器除霧過程具有一定的參考價值。

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(本文編輯：趙艷粉)

Numerical Research on Flow Field and Demisting Features of Wet Desulphurization Device Demister

LIU Han-xiao, YUAN Jian-guo, GUO Lian, YAO Yu-ping, LI Jian-guo

(Zhejiang Feida Enviro-tech Co., Ltd., Zhuji 311800, China)

Based on the commercial CFD software, numerical simulation was conducted for foldline-shaped demister flow field and demisting characteristics. In the calculation, the discrete phase model simulated two-phase flow; turbulent flow field used k-ε two-equation turbulence model; particle trajectory was calculated by using particle cloud model; by adjusting the population condition and structure parameters, the demister demisting efficiency and pressure loss were revealed. This research can be used for structural design and optimization, and further optimize and complement the model. It also discusses demister instantaneous characteristics of flow field and particle movement at the different time, providing a certain reference valu for further research into the demisting processe.

wet desulphurization; mist eliminator; the flow field; particle trajectory; numerical simulation

10.11973/dlyny201506027

國家高技術研究發展計劃(2013AA065002)

劉含笑(1987)，男，碩士，從事PM2.5捕集增效技術研發工作。

X51；X773

B

2095-1256(2015)06-0863-06

2015-08-13