莊繞林，吳成強(qiáng)，郝俊杰，王在良

（1.江蘇科圣化工機(jī)械有限公司，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學(xué)院，江蘇 省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003）

0 引言

除霧器是整套脫硫設(shè)備中最重要的組成之一，一般位于脫硫塔的頂部，起到去除煙氣中夾帶的細(xì)小顆粒物的作用，是煙氣排放前處理的重要工序之一。除霧器的原理主要包括重力分離、慣性力分離、離心力分離、過(guò)濾分離和靜電分離。如今，工業(yè)上應(yīng)用較為成熟的除霧器主要有：折流板除霧器、旋流板除霧器、絲網(wǎng)除霧器以及靜電除霧器。對(duì)以上四類(lèi)除霧器的性能優(yōu)劣對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 四類(lèi)除霧器的綜合性能對(duì)比

其中折流板除霧器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壓力損失小且對(duì)較大粒徑的液滴除霧效率高，因而得以廣泛的應(yīng)用。郎方等通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)影響波紋板除霧器性能的各個(gè)因素實(shí)驗(yàn)研究，歸結(jié)出可分離粒徑、葉片間距以及葉片布置級(jí)數(shù)與除霧性能之間的關(guān)系。楊等通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)三種不同布置方式的除霧器進(jìn)行研究，分析氣流速度和布置方式對(duì)除霧器性能的影響。為提高小粒徑的液滴除霧效果，本研究對(duì)折流板除霧器進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)其葉片間距D、轉(zhuǎn)折角度θ進(jìn)行數(shù)值分析。

1 多層折流板除霧器方案設(shè)計(jì)

多層折流板除霧器主要包括串并式煙氣排放裝置1、煙氣入口2、集氣口3、第一折流煙氣通道單元4、第二折流煙氣通道單元5、液滴6、廢液收集管7、第一折流板8、第二折流板9，如圖1 所示。當(dāng)除霧器工作時(shí)，煙氣以高速?gòu)亩喾较蛄鹘?jīng)煙氣入口處，通過(guò)集氣口3 開(kāi)始以串聯(lián)式的方式進(jìn)入到串并式煙氣排放裝置1 中，由于串并式煙氣排放裝置的設(shè)計(jì)，大大減少了煙氣的流動(dòng)空間，使得大量煙氣集中在集氣口3，然后通過(guò)并聯(lián)分流的方式分別從集氣口3 左、右兩側(cè)快速進(jìn)入第一折流煙氣通道單元4 和第二折流煙氣通道單元5。

圖1 多層折流板除霧器

當(dāng)煙氣流經(jīng)折流煙氣通道單元上的喇叭形煙氣排放口時(shí)，大量煙氣從喇叭形煙氣排放口排出，由于流動(dòng)空間的驟減，煙氣會(huì)以比平常更高的速度從喇叭形煙氣排放口5 噴出，而喇叭形煙氣排放口的位置又相當(dāng)接近除霧器折流板，因此大量的煙氣會(huì)直接噴射到折流板上。這就給每段折流板捕捉煙氣中液滴的量得到了巨大的提升。進(jìn)一步地優(yōu)化了除霧器的整體除霧效率。折流板與折流煙氣通道單元外壁上的液滴會(huì)在自重作用下流向弧形廢液收集管中，避免長(zhǎng)時(shí)間停留所造成的腐蝕。

2 數(shù)值求解計(jì)算

2.1 模型簡(jiǎn)化

如圖2 所示的折流板除霧器的物理模型，其中D為葉片間距，θ為轉(zhuǎn)折角度；H3為轉(zhuǎn)折高度。

圖2 折流板除霧器物理模型

由于多層折流板除霧器工作時(shí)，各除霧通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)差別微乎其微，各通道流動(dòng)狀態(tài)微乎其微，故本研究?jī)H模擬多層折流板除霧器單通道內(nèi)的流場(chǎng)。含有液滴的氣流，在除霧器通道中流動(dòng)時(shí)，在實(shí)際工況中是三維粘性流體的復(fù)雜流動(dòng)，是不穩(wěn)定的、可壓縮的。將流場(chǎng)簡(jiǎn)化在合理誤差范圍內(nèi)如下：

（1）因?yàn)闅饬鞯鸟R赫數(shù)遠(yuǎn)低于0.1，所以氣體可視為是不可壓縮的氣體；當(dāng)液滴接觸板的表面時(shí)，此時(shí)，認(rèn)為液滴被認(rèn)為是捕集的。與此同時(shí)，忽略水膜在壁面上撕裂及反彈，不予考慮二次帶水的條件；

（2）由于三維除霧器通道寬度、高度相對(duì)較大，且各流動(dòng)截面相同，因此三維除霧器流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可高度簡(jiǎn)化為二維；

（3）因?yàn)橐旱蔚牧捷^小，故將其視為球體進(jìn)行模擬。因此，本研究不考慮液滴之間的碰撞和液滴的聚集，也不考慮液滴蒸發(fā)、摩擦、撕裂和熱效應(yīng)的影響。

2.2 邊界條件設(shè)置

將密度設(shè)置為1.1 kg·m-3，動(dòng)力黏度為1.95456×10-5N·s·m-3的空氣。進(jìn)口氣流條件：進(jìn)口氣流速度ux=0，uv=2、3、4、5、6 m·m-1，在進(jìn)口處截面氣速均勻分布。出口條件：出口表壓為零，操作壓力為1.01325×105 Pa。壁面條件：壁面表面粗糙度設(shè)為零，無(wú)滑移，且無(wú)任何形式的傳熱。

液滴物性參數(shù)：密度為1000 kg·m-3的水，氣流含水量為0.05 kg·m-3；進(jìn)口條件與氣速相同。噴射類(lèi)型為表面（surface），使液滴在進(jìn)口截面均勻分布。液滴直徑：計(jì)算了直徑分別為10、20、30、40μm 的液滴。液滴質(zhì)量流量：由Q= 0.05upL計(jì)算，其中液滴速度up，葉片間距L，計(jì)算了間隔距離分別為20、26、32 mm 的4 種葉片。壁面條件：選擇捕集（trap）類(lèi)型，即當(dāng)液滴碰撞到壁面時(shí)被認(rèn)為是捕集，且不考慮反彈現(xiàn)象。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)除霧器的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)葉片板間距離、氣流速度和液滴直徑選取合適的變量值進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參數(shù)和值見(jiàn)表2，獲得了各工況下的除霧效率和壓降的變化情況。

表2 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 多層折流板除霧器流場(chǎng)分布

圖3 是多層折流板除霧器內(nèi)部流體速度的云圖，從圖中可以明顯地看出，折流板除霧器內(nèi)各位置流場(chǎng)都相對(duì)穩(wěn)定，流速變化不大。在折流板除霧器進(jìn)口，煙氣以勻速進(jìn)入，當(dāng)煙氣經(jīng)過(guò)第一道彎口時(shí)，氣流往右偏轉(zhuǎn)，此時(shí)，右側(cè)區(qū)域流體速度增加，而左側(cè)區(qū)域流體速度較小。當(dāng)煙氣經(jīng)過(guò)第二道彎口時(shí)，左側(cè)區(qū)域的流體速度增加，成為高速區(qū)，右側(cè)區(qū)域則變?yōu)榱说退賲^(qū)域。通過(guò)對(duì)整個(gè)煙氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程的觀察，可以看出，在兩道彎口處的煙氣速度達(dá)到峰值，但在中間區(qū)域，尤其是靠近折流板壁的區(qū)域，幾乎處于低速狀態(tài)。

圖3 多層折流板除霧器內(nèi)部流體速度云圖

3.2 葉片間距D 對(duì)多層折流板除霧效率的影響

郎方年等的實(shí)驗(yàn)如圖4 所示，由圖可以看出，為除霧效率受除霧器間隔距離的影響關(guān)系，隨著葉片間隔距離的增大，除霧效率降低。除霧器進(jìn)出口的壓力損失則隨著葉片間隔距離的增大而減小。

圖5（a）展示了多層折流板除霧器效率受葉片間距的影響。由圖清楚地看出，當(dāng)流速維持不變的情況之下，隨著葉片間距的增大，多層折流板除霧器效率在減小，與圖4 的結(jié)論一致，因此，葉片板間距離在20 mm 時(shí)，該距離下的多層折流板除霧器的效率明顯高于葉片間隔距離在26 mm 和32 mm 時(shí)，對(duì)于小于10μm 的液滴粒徑，葉片板之間的距離對(duì)液滴捕集效率的影響很小，并且捕集效率較差。圖5（b）為壓降與葉片板間距離之間的數(shù)值變化關(guān)系，由圖可知，當(dāng)葉片板間距離分別為26 mm、20 mm 時(shí)，兩者的壓降的變化范圍相對(duì)較小。而當(dāng)多層擋板除霧器葉片板間距離為20 mm 時(shí)，具有較小的壓降，且具有較高的除霧效率，所以確定多層擋板除霧器葉片板間距離為20 mm。

綜上所述，由圖4 與圖5（a）（b）的對(duì)比可知，當(dāng)流速維持不變時(shí)，折流板除霧器的搜集效率隨著葉片間距的增大而降低，且由圖5（a）（b）可知多層擋板除霧器葉片板間距離是20 mm 時(shí)，壓降較小，同時(shí)具有較高的除霧效率，因此將多層擋板除霧器葉片的板間距離確定為20 mm。

圖4 波紋板脫硫除霧器效率與葉片間距、壓降關(guān)系[2]

圖5 多層折流板除霧器效率與葉片間距、壓降關(guān)系

3.3 轉(zhuǎn)折角度θ 對(duì)多層折流板除霧器效率的影響

郎方年等對(duì)葉片彎曲弧度做了多種工況下的選擇，并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，圖6 為繪制結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)葉片彎曲弧度增加時(shí)，除霧效率降低。

圖6 葉片彎曲弧度對(duì)除霧效率的影響[2]

如上文所述，由于轉(zhuǎn)折角度θ與波紋板脫硫除霧器的葉片彎曲弧度，在一定程度上，成非線性的反比關(guān)系，因此，本研究模擬仿真與郎方年、楊柳等的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論一致，驗(yàn)證了仿真的正確性。

圖7 列出了多層擋板除霧器在不同角度下的液滴捕集效率，從圖中可以看出，當(dāng)多層折流板除霧器角度30°時(shí)，就液滴的捕集效率來(lái)說(shuō)，該角度下的多層擋板除霧器是優(yōu)于其他角度的多層擋板除霧器，對(duì)于粒徑在10μm 以下液滴這種情況尤為明顯，轉(zhuǎn)折角度為30°的多層擋板除霧器捕集效果顯然是高于其他角度的多層擋板除霧器。當(dāng)氣體流量達(dá)到2 m/s，且轉(zhuǎn)折角度為大于30°的多層擋板除霧器，此時(shí)，對(duì)于直徑小于10 μm 的液滴來(lái)說(shuō)，其捕集效率受轉(zhuǎn)折角度θ影響不大，大于10μm的液滴捕集效率隨著流量以及角度的增大而提高。

圖7 不同角度下液滴直徑與除霧效率關(guān)系

3.4 多層折流板與折流板除霧器除霧性能對(duì)比

多層折流板與折流板除霧器除霧性能對(duì)比，多層折流板除霧器可分離粒徑比折流板除霧器要小，可分離粒徑為10μm，見(jiàn)表3。

表3 多層折流板與折流板除霧器除霧性能對(duì)比

4 結(jié)論

（1）多層折流板除霧器內(nèi)部各處位置流場(chǎng)平穩(wěn)，流速均無(wú)太大變化。當(dāng)流速始終保持恒定不變時(shí)，隨著葉片間距的增大，多層折流板除霧器效率減小，此時(shí)，具有較小的壓降，較高的除霧效率。因此，確定多層擋板除霧器的葉片間距為20 mm。

（2）多層擋板除霧器轉(zhuǎn)折角度調(diào)整為30°時(shí)，該角度下的多層擋板除霧器液滴捕集效果是明顯優(yōu)于其他角度的多層擋板除霧器，且對(duì)于粒徑在10μm 以下液滴來(lái)說(shuō)，其捕集效果要明顯優(yōu)于普通擋板除霧器，且除霧效率90%以上。