折板除雾器数值模拟

..摘要：利用流体力学计算方法和商用模拟软件,对湿法烟气脱硫中折板型除雾器内气液两相流流场进行数值实验,得到了不同结构下烟气的流动规律和液滴运动轨迹。通过调节参数,计算了多种除雾器结构〔除雾器板间距,除雾器转折角和工况〔气体流速,液滴直径下的除雾器分离效率；分析了各参数对除雾器分离效率的影响,得出了一般情况下除雾器分离规律。在此基础上提出了高效除雾器的叶片结构参数,可望应用于湿式烟气脱硫系统除雾器的设计。关键词：除雾器；数值模拟；湿法烟气脱硫；分离效率ABSTRACT：Experimentalstudyonfluegasdesulfurization.Thecomputationalfluiddynamics<CFD>methodwasusedtosimulatenumericallythetwophaseflowofgasandliquidindemisterwithserratedbafflesinwetfluegasdesulfurization<WFGD>system.Bycalculatingtheseparationefficienciesofvariousdemisterswithdifferentstructuralparameters<platespacingandturningangle>andvaryingoperationalparameters<gasflowrateanddropletsize>,theireffectonefficiencyhasbeenanalyzed,andherewithageneralruleforseparationefficiencyobtained,alsoanefficientcombinationofparametersonstructureofthedemisterissuggested,directlyapplicablefordesigningdemistersinWFGD.Keywords:demister;numericalsimulations;wetfluegasdesulfurization;numericalcalculation1前言湿式烟气脱硫工艺是目前世界上应用最广泛、技术最成熟的湿法烟气脱硫技术[1-2]。湿法烟气脱硫塔除雾器是湿法脱硫设备的必须配置的设备,设在烟气出口处,以保证脱硫塔出口处气流不夹带液滴。否则,酸性液滴会玷污热交换器、烟道和风机等,并在烟囱出口产生白色烟雾。它的主要工作原理是通过弯曲通道分离气流中的夹带液滴。由于除雾器内的流动状态非常复杂,其分离效率受气流速度、除雾器结构、液滴直径等多种因素的影响。虽然通过实验可粗略测量除雾器的分离效率,但很难以此确定最佳的结构参数,即系统压降要小,除雾器效率要高的弯曲通道几何尺寸。为弄清流体经过这些复杂流道处的流动本质,以便提高分离效率,对流场进行数值分析是必要的。 目前,国内外对除雾器的研究不多,其中对除雾器流场进行模拟的很少,进行双通道模拟的更是少见。对除雾器有指导性的作用的理论分析也不够深入。对除雾器的模拟实验也不够细致。我国的除雾器研究水平还不是很高,在优化设计的理论方面与发达国家相比还存在一定的差距,在除雾器的制造方面也缺少有力的理论支持。为了对除雾器进行优化设计,加速这一关键技术的国产化,本研究对除雾器的流场进行模拟实验,为理论计算,设计优化除雾器的效率打下坚实的基础。2折板除雾器内流场的数值计算方法2.1简化与假设含液滴气流在弯曲通道中的流动是一种三维、非定常、可压缩粘性流体的流动过程[3-4]。但是由于存在计算机的内存量和计算时间的合理性等问题,完全模拟出除雾器内部的流场是不可能的。所以,我们在误差范围允许范围内根据实际情况对模型作了适当简化：1.由于进入除雾器内弯曲通道内的气流速度较小,故可把这种气体视为不可压缩气体[5]来处理；2.由于弯曲通道的高度与宽度之比很大,故可以简化流场为二维平面流场；3.考虑到理想状况下,气体流动各参数与时间无关,因而气流流动可视为定常流动；4.气体处于旺盛紊流区,紊流区各向同性。5.由于液滴颗粒很小,所以计算中可以当作球来处理[6]；6.对于给定直径的液滴,假定其在运动中保持直径不变,不考虑蒸发、摩擦、聚合、撕裂、及热效应的影响；7.液滴碰到流道壁面后即可认为被捕捉,而不考虑反弹及壁面水膜撕裂的影响；2.2湍流基本方程组实际工程应用的水力旋流器一般工作在湍流去,因此描述其行为的模拟必然会涉及到湍流方程。湍流的基本方程组包括：连续性方程、Navier-Stokes方程、雷诺应力方程、湍动能方程和湍动能散率方程。对于不可压缩流体：连续性方程动量方程式中：为未知雷诺应力；i,j=1,2,3；由于动量中中出现了新的脉动速度的二阶关联项,即雷诺应力项,致使它与连续性方程不能封闭,应选择适当的湍流模型来对项进行模拟,以使方程组封闭。2.3湍流模型目前可用于工程实际的模拟方法,仍是从Reynolds时均化方程出发的模拟方法,这就是常说的"湍流模型[7]",其基本出发点是利用某些假设,将Reynolds时均化方程中的高阶湍流脉动关联项用低阶关联项或时均量来表达,从而使Reynolds时均化方程组封闭可求解。目前工程上所采用的湍流模型基本上是围绕着雷诺应力如何模拟而展开的。从查阅到的文献来看,对水力旋流器的模拟,使用较多的模型是标准模型,RNG模型和RSM模型。RNG模型相对于标准模型有所改进,但这种改进主要体现在模型系数及耗散附加项等方面,对各向同性的流体并不能提高精度。雷诺应力模型虽然精度提高,但是存在内存耗量大,计算速度慢的缺点,对各向同性流体的模拟精度与标准模型相比也相差不大。因此,本文的研究将采用基于各向同性的标准模型。2.4.求解方法的确定将控制方程组离散变为代数方程后,接下来就是求解[8,9]的问题了。但是除了一些简单问题外,所生成的离散方程并不能直接求解,还必须对离散方程进行某种调整。折板型除雾器为定常、各向同性的流动。针对折板除雾器的流场,一般采用SIMPLE、SIMPLER、SIMPLEC等系列压力-速度修正算法求解。FLUENT软件提供了SIMPLE、SIMPLEC和PISO三种处理压力-速度耦合关系的算法。SIMPLEC是SIMPLE的改进算法,意为协调一致的SIMPLE算法,在该算法中可不再对压力修正值进行欠松弛处理。PISO一般用于求解非稳态问题,而且对于对于动量方程与其他标量场强烈耦合的稳态问题,用PISO方法很不容易收敛。因此,结合前人经验,本文的研究采用SIMPLE算法。2.5边界条件连续项：介质采用密度为1.1Kg/m3、动力黏度为1.9545610-5Ns/m2的空气[10]。进口条件：进口烟气在截面均匀分布。出口条件：充分发展的自然流动出口。壁面条件：无滑移,绝热。离散项[11]：介质为脱硫循环浆液,这里用水代替,密度为1.2103kg/m3。进口条件：进口液滴在截面上均匀分布。出口条件：液滴离开出口即认为逃逸。壁面条件：液滴接触壁面即认为捕捉,不考虑二次夹带。2.6小结本节针对折板除雾器内流场,最终确定其内流场的数值计算方法,包括湍流模型标准模型的选择,SIMPLE算法的确定以及边界条件的假设[11]。本文的模拟研究都将以本章所确定的数值计算方法来进行。3单通道折板除雾器数值模拟3.1液滴运动轨迹在除雾器转折角为135°[12],气流速度为4m/s[13]的条件下通过Fluent软件模拟计算不同直径液滴的运动轨迹,图1中给出30um颗粒的运动轨迹。图130um液滴的运动轨迹3.2不同参数下的除雾器除雾效率〔1板间距对除雾效率的影响在除雾器转折角为135°,气流速度为4m/s的条件下计算不同直径颗粒的分离效率与除雾器板间距的关系。通过Fluent软件模拟得到的结果作图,得到不同板间距条件下不同直径颗粒的效率图图2。图2不同直径颗粒分离效率与板间距的关系由图2中可以看出：对于大粒径颗粒,分离效率随板间距增加而迅速减小；对于小粒径颗粒,分离效率随板间距增加而缓慢减小。连续相在背风面和拐角处形成的回流区域对惯性分离器的分离效率有着重要的意义,回流区域越大,造成雾滴的实际通道减小,此时降低除雾器板间距将大幅度提高分离效率。〔2转折角对除雾效率的影响在除雾器板间距为20mm,气流速度为4m/s的条件下计算不同直径颗粒的分离效率与除雾器转折角的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同转折角条件下不同直径颗粒的效率图图3。由图3中可以看出：转折角对除雾器分离效率的影响较大。大粒径的液滴分离效率随转折角的增大而迅速减小,小粒径的液滴分离效率随转折角增加而缓慢减小,这是因为液滴偏转是受到离心力的作用。所以当转折角减小时,离心力线性增大,除雾器的分离效率也随之增加,并且颗粒越大,惯性力越大,分离现象越显著。同时,颗粒在离心力作用下由内弯侧向外弯侧聚集,粒度外弯侧较大,内弯侧较小。图3不同直径颗粒分离效率与转折角的关系〔3气流速度对除雾效率的影响在除雾器板间距为20mm,转折角为135°的条件下计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图。图4不同直径颗粒分离效率与气速的关系由图4中可以看出：分离效率随着气流速度的增加而迅速增加。这里可以理解为气速的增加使得离心力随之增大,从颗粒动力学角度分析,离心力与速度的三次方成正比因而产生更大的惯性力,导致液滴迅速变向撞击折板。液滴撞击折板,从而达到除雾的效果,因此气流速度越大除雾效率越高。〔4液滴直径对除雾效率的影响由图2,3,4中可以明显的看出分离效率随雾滴直径的增加而迅速增加。这里可以解释为雾滴直径的增加使得离心力随之增大,从颗粒动力学角度分析,离心力与粒径的三次方成正比,阻力计算式中粒径二次方出现,而且较小粒径往往对应于较小颗粒雷诺数,相应的阻力系数较大；因此粒径越小,离心力相对于阻力的作用越弱,颗粒越难以分离。3.3小结由前面的实验结果可知除雾器转折角,气流速度,液滴直径对除雾器的分离效率有很大的影响。当板间距过小时,湍流度过大,使得正常的流通面积减小,这就造成了阻力的大大增加,会有明显的二次夹带,最佳的板间距应该在20mm左右。速度过大时也会出现二次夹带及阻力迅速增加的问题,最佳速度应该在3~4.5m/s之间选取。这都是单通道的情况,下章将会研究双通道除雾器的除雾效率,并在单通道除雾器分离效率研究的基础上,去寻找最佳结构参数和工况参数。4双通道折板除雾器数值模拟4.1引言第3节中探究了不同结构参数和工况参数对除雾器分离效率的影响,在这一章中将在单通道除雾器实验的基础上研究结构参数和工况参数对双通道除雾器分离效率的影响。以第3节的实验结果为基础,在这里板间距选取15mm,20mm,25mm；转折角选取95°,115°,135°,155°；速度选取3m/s,3.5m/s,4m/s,4.5m/s；颗粒直径选取10um,20um,30um,40um,50um,70um,100um。进行多组模拟实验,研究不同结构,工况参数下双通道除雾器的分离效,一步步寻找最优结构及工况参数。4.2结构相同的双通道除雾器数值模拟〔1液滴运动轨迹在除雾器板间距为20mm,转折角为135°,气流速度为4m/s的条件下,通过Fluent软件计算不同直径颗粒运动轨迹,图5-1中为30um液滴的运动轨迹。图530um液滴的运动轨迹〔2转折角95°结构下的除雾效率1在除雾器板间距为15mm,转折角为95°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图。这种结构参数下,除了10um的液滴,对其它所有的颗粒都达到了100%的除去效率。但是这就结构的阻力大,气流速度已经对除雾效率没多少影响,二次夹带明显,所以不是理想的双通道除雾器结构。图6不同直径颗粒分离效率与气速的关系2>在除雾器板间距为20mm,转折角为95°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图7。图7不同直径颗粒分离效率与气速的关系这种结构参数下,除了10um的液滴,对其它所有的颗粒几乎都达到了100%的除去效率。但是这就结构的阻力大,气流速度已经对除雾效率没多少影响,二次夹带明显,所以不是理想的双通道除雾器结构。3>在除雾器板间距为25mm,转折角为95°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图8。图8不同直径颗粒分离效率与气速的关系这种结构参数下,除了10um,20um的液滴,对其它所有的颗粒都达到了100%的除去效率。但是这就结构的阻力大,气流速度对除雾效率影响不大,二次夹带明显,所以不是理想的双通道除雾器结构。〔3转折角115°结构下的除雾效率1>在除雾器板间距为15mm,转折角为115°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒效率图9。图9不同直径颗粒分离效率与气速的关系这种结构参数下,除了10um,20um的液滴,对其它所有的颗粒都达到了100%的除去效率。但是这种结构跟转折角95°的结构一样,效率够高,但是阻力太大,速度的影响也不够明显,也不是理想的除雾器结构。2>在除雾器板间距为20mm,转折角为115°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图10。图10不同直径颗粒分离效率与气速的关系这种结构参数下,除了10um,20um的液滴,对其它所有的颗粒几乎达到了100%的除去效率。但是这种结构跟转折角95°的结构一样,效率够高,但是阻力太大,速度的影响也不够明显,也不是理想的除雾器结构。3>在除雾器板间距为25mm,转折角为115°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图11。图11不同直径颗粒分离效率与气速的关系这种结构参数下,除了10um,20um的液滴,对其它所有的颗粒几乎达到了100%的除去效率。但是这种结构跟转折角95°的结构一样,效率够高,但是阻力太大,速度的影响也不够明显,也不是理想的除雾器结构。〔4转折角135°结构下的除雾效率1>在除雾器板间距为15mm,转折角为135°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图12。图12不同直径颗粒分离效率与气速的关系在这种结构参数下,对大直径颗粒去除效果很好,小颗粒液滴的去除效果也不错,但是阻力还是比较大,还要进一步探究更佳的结构参数。这一结构参数不是理想的双通道除雾器参数。2>在除雾器板间距为20mm,转折角为135°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图13。图13不同直径颗粒分离效率与气速的关系这种结构参数下,除雾效果比较好,阻力也不是很大,速度在3.5m/s的时候综合效果比较好。是不是最优的结构参数还需要跟后续的实验结果相比较。3>在除雾器板间距为25mm,转折角为135°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图14。这种除雾器结构参数下,除雾效果不够理想,只有100um的粒子被完全除去。与板间距20mm的实验结果相差较大,板间距25mm,转折角135°时除雾效果较差。图14不同直径颗粒分离效率与气速的关系〔5转折角155°结构下的除雾效率1>在除雾器板间距为15mm,转折角为155°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图15。图15不同直径颗粒分离效率与气速的关系由图15可以看出这种结构参数下,不管工况参数如何变化,分离效率都不够理想,虽然流动阻力很小,但达不到要求的除雾效果,所以板间距15mm,转折角155°的除雾器结构是不合理的。2>在除雾器板间距为20mm,转折角为155°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图16。图16不同直径颗粒分离效率与气速的关系由图16可以看出这种结构参数下,不管工况参数如何变化,分离效率都不够理想,虽然流动阻力很小,但达不到要求的除雾效果,所以板间距15mm,转折角155°的除雾器结构是不合理的。3>在除雾器板间距为25mm,转折角为155°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图17。图17不同直径颗粒分离效率与气速的关系由图17可以看出这种结构参数下,不管工况参数如何变化,分离效率都不够理想,虽然流动阻力很小,但达不到要求的除雾效果,所以板间距25mm,转折角155°的除雾器结构是不合理的。通过以上的实验模拟结果,发现板间距20mm,转折角135°为最佳的结构参数,最佳的速度参数在3~4m/s之间,具体的最佳速度参数还要进一步的详细研究。以上都是研究结构相同的双通道除雾器,下面将研究结构不同的双通道除雾器。4.3结构不同的双通道除雾器数值模拟前面研究结构相同的折板除雾器,得到两个通道结构参数相同的情况下最佳的结构参数,如果两个通道结构不同,会不会有更优的结构参数呢？下面将研究两个通道不同情况下的结构参数。前面的研究中已经确定最佳板间距20mm,转折角135°,气流速度3~4m/s；由此确定下面研究所采用的结构参数。第一通道采用板间距20mm,转折角135°的固定值；第二通道采用板间距20mm,转折角分别采用95°,105°,115°；气流速度采用3.0,3.2,3.4,3.6,3.8,4.0m/s。〔1液滴运动轨迹在除雾器通道1板间距为20mm,转折角为135°；通道2板间距20mm,转折角115°的条件气流速度为3.8m/s的条件下,通过Fluent软件计算不同直径颗粒运动轨迹。图5-14中为30um颗粒的运动轨迹。图1830um颗粒的运动轨迹〔2通道1不变,通道2结构参数改变的数值模拟1>在除雾器通道1板间距为20mm,转折角为135°；通道2板间距20mm,转折角95°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图19。图19不同直径颗粒分离效率与气速的关系由图19中可以看出,这种结构参数下除雾效果较好,但是湍流程度过大,正常的流通面积变小,阻力大大增加,会有严重的二次夹带。不是合理的双通道除雾器结构。还要进一步的探究。2>在除雾器通道1板间距为20mm,转折角为135°；通道2板间距20mm,转折角105°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图20。图20不同直径颗粒分离效率与气速的关系由图20中可以看出,这种结构参数下,除雾器的分离效率很高,在这种情况下,阻力也不是很大,符合工业标准。是不是最优的结构参数还要与后面的实验结果相比较才能得出结论。3>在除雾器通道1板间距为20mm,转折角为135°；通道2板间距20mm,转折角115°的条件下,计算不同直径颗粒的分离效率与气流速度的关系。通过Fluent软件模拟得到数据作图,得到不同气流速度条件下不同直径颗粒的效率图21。图21不同直径颗粒分离效率与气速的关系由图21中可以看出这种结构参数下除雾器的分离效率很好,与第二通道折角为105°时的分离效率相差很小,而这种结构参数下除雾器的阻力变小,能量的损失也变小。仔细观察图像,发现气流速度为3.8m/s时的分离效果很好,气流继续增大而分离效果的提高并不明显,以能量损失最小为原则,选则气流速度3.8m/s为最佳气流速度。4.4小结通过以上的实验最终确定板间距20mm,通道1转折角135°,通道2转折角115°,气流速度3.8m/s为最佳的结构及工况参数。在这种参数下,除雾效率高,阻力小,能量损失小。这一实验结果可以作为除雾器的实验研究和设计的参考依据,使除雾器的实验研究工作更为快捷。5结论本文运用两相流模型对除雾器的分离效率进行数值模拟研究实验,计算分析了除雾器板间距、转折角、气速以及液滴直径对除雾器分离效率的影响。着重研究了双通道除雾器结构参数及工况参数对除雾效率的影响,并进一步探究了两个通道不同的除雾器除雾效率,寻找到最佳的结构及工况参数。计算结果表明：气速的变化对分离效率影响最大,气速越大,分离效率越大,但是速度过大会引起二次夹带及阻力的迅速增加,所以气流速度不宜过大；其次,除雾器转折角的变化对分离效率影响比较大,减小除雾器转折角是增加分离效率的重要措施,但这又受到系统压降及阻力的制约；分离效率随雾滴直径的增加而迅速增大,大粒径液滴分离效率相对都很高,而小粒径液滴的分离效率则比较低；板间距