管束式除雾器除雾特性数值模拟

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1、管束式除雾器除雾特性数值模拟　　摘要：采用计算流体力学（CFD）对管束式除雾器内部流场进行数值计算，分析除雾效率及压力损失随叶片倾角、颗粒粒径、烟气流速等参数的变化规律。结果表明：除雾效率随颗粒粒径及烟气流速的增大而增加，随叶片倾角的增大而减小；压力损失随烟气流速的增大而增加，随叶片倾角的增大而减小；叶片倾角15°的管束压力损失过大，不符合实际应用；叶片倾角60°的管束适合作为前级粗除?F，控制进入后级除雾器的颗粒浓度；叶片倾角30°的管束适合作为后级精除雾，控制吸收塔的颗粒排放总量。　　关键词：除雾器；吸收塔；叶片倾角；烟气流速；颗粒粒径；除雾效率；

2、压降　　1概述　　在燃煤锅炉末端脱硫过程中，控制吸收塔后烟囱颗粒物排放含量的设施主要为折流板除雾器与湿式电除尘的串联组合。折流板除雾器在其工作流速下，对粒径20μm以上颗粒的去除效率显著，但是对粒径20μm以下小颗粒的去除效率不佳[1]；后级湿式电除尘虽对细小颗粒有较好的去除效率，但是存在功耗大、易腐蚀、运行成本高、易发生击穿而导致除雾效率下降等缺点，不利于企业的长期使用[2]。随着环保力度的加大，在超低排放政策下，如何对细小颗粒进行高效率地去除，同时保证运行成本的可持续性，是亟待解决的难题。　　管束式除雾器是近年来兴起并逐渐得到应用的新型高效除雾器，

3、具有对细小颗粒去除效率高、阻力小、投资成本低、维护简单等特点[3]。已有神华国华孟津电厂[4]、重庆神华万州电厂[5]、河北国华定州电厂[6]等多个电厂采用管束式除雾器实现了颗粒物的超低排放，即在吸收塔入口颗粒物含量≤30mg/Nm3的前提下，吸收塔烟囱出口颗粒物含量≤5mg/Nm3，并可在长时间连续稳定运行。　　目前，对于管束式除雾器的研究主要集中在工程实践阶段，通过对部分已投运的脱硫机组出，入口粉尘含量及烟气压力进行检测，获取除尘效率、压力损失等相关数据。但除雾器运行环境为气-液-固三相耦合，影响因素多、工况复杂，通过实际工程仅能获取综合除雾效率，

4、且开发成本高、周期长、可视化效果差，难以针对性地对除雾器进行优化设计。　　计算流体力学（CFD）是一种快速发展的数值仿真技术，该技术可克服实际工程试验研究的局限性，利用该技术对除雾器除雾性能开展的研究备受关注。石振晶等[7]采用低雷诺数k-ε模型对波纹板除雾器不同流速下的除雾特性进行了对比分析。何思程等[8]采用RNG湍流模型对旋流板除雾器流场及压降特性进行了模拟。Udalova等[9]采用标准k-ε模型预测波纹板除雾器除雾效率。Wu等[10]采用STD和低雷诺数k-ε模型对折流板除雾器进行了研究，并与实验结果对比得出低雷诺数k-ε湍流模型与实验结果更

5、为接近的结论。国内部分学者[11-20]采用欧拉-拉格朗日模型对吸收塔内多种除雾器进行了数值计算。然而，对管束式除雾器除雾特性进行的数值模拟较少。　　本文采用CFD技术对管束式除雾器流场进行模拟，考察了烟气流速、叶片角度、颗粒粒径等参数对除雾效率及压力损失的影响，为管束式除雾器的进一步优化设计提供依据。　　2模型建立与计算方法　　2.1流场计算的假设　　管束式除雾器由为多个圆筒组成，圆筒内周向布置扇形叶片。烟气携带大量液滴，经叶片旋流后产生向上的离心运动。液滴惯性较大，易脱离烟气的旋流轨迹而甩向壁面，粘附在壁面上下滑，从而实现气液分离。为在保证与实际情

6、况尽可能契合的前提下减小计算量，本文仅针对单个管束通道内的烟气流动进行流场计算，并做出以下假设与简化：　　（1）烟气流场为定常流场，流动参数不随时间变化。　　（2）将烟气视为不可压缩气体。　　（3）忽略叶片厚度，将其视为无限薄的面。　　（4）以水代替浆液，且颗粒直径视为恒定，忽略蒸发，冷凝，聚并等过程。　　（5）颗粒碰到壁面即视为被捕捉，不再参与剩余计算过程。　　2.2模型的建立　　采用三维建模软件solidworks对管束式除雾器进行几何建模，采用专业网格划分软件icem对模型进行非结构化网格划分。由于叶片处烟气流态发生急剧改变，为加强计算的精度，对

7、叶片处网格进行适当加密。计算域总网格数约140万。　　2.3气相流场计算方法　　将烟气视为连续相，采用欧拉法计算气相流场，通用方程为：　　式中：ρ-气相密度；？?I-通用场变量；t-时间；u-气相速度；Γ-扩散系数；S-源项。在连续性方程、动量方程及能量方程中，通用场变量？?I和Γ分别为1、u、T和0、μ、K/c，其中T-气相温度，μ-动力粘度，K-传热系数，c-比热容。　　采用三维雷诺时均Navier-stokes处理湍流，由于烟气经过叶片后产生强烈旋流，故本文采用对旋流适应性较好的realizablek-ε双方程模型描述雷诺应力，采用标准壁面函数描

8、述近壁面流动情况。　　2.4颗粒离散相计算方法　　将颗粒视为离散相，采用拉格朗日法计算颗粒的运