摘要： 針對(duì)脫硫塔后煙氣中攜帶著大量水汽問(wèn)題，本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)除霧器內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)及液體分布與團(tuán)聚情況進(jìn)行研究。采用Solidworks軟件，建立葉輪除霧器單元管的三維模型，對(duì)新型的被動(dòng)式葉輪除霧器一個(gè)單元管的三維模型進(jìn)行兩相流數(shù)值模擬。同時(shí)，為了更好地模擬實(shí)際流動(dòng)，選用準(zhǔn)確的湍流模型kε模型、群體平衡模型(population banlance model，PBM)和6DOF模型，并選擇SAMPLE算法。模擬結(jié)果表明，煙氣經(jīng)過(guò)除霧器時(shí)，葉片區(qū)域存在強(qiáng)烈湍流耗散，液滴被旋轉(zhuǎn)氣流拋向壁面，從而實(shí)現(xiàn)液滴團(tuán)聚和氣液分離;除霧器內(nèi)對(duì)流體切向速度、液滴顆粒的團(tuán)聚等作用都優(yōu)于固定式葉片，且液滴粒徑較小時(shí)更易團(tuán)聚，除霧器單元管內(nèi)除霧效率隨流速增加而提高。該研究為優(yōu)化除霧器結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞： 被動(dòng)旋轉(zhuǎn); 葉片除霧器; 液滴團(tuán)聚; 數(shù)值模擬; 除霧效率

　　《工程與試驗(yàn)》(季刊)創(chuàng)刊于1961年，由中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)試驗(yàn)機(jī)分會(huì)、長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)所主辦。本刊秉承“宣傳貫徹科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的思想。

　　近年來(lái)，在電力行業(yè)中濕法煙氣脫硫系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，濕法脫硫可以有效的控制SO2等氣態(tài)污染物排放，但是在脫除SO2的同時(shí)，煙氣中會(huì)夾帶大量飽和水汽，除少量從煙囪底部凝結(jié)排出，大部分液滴隨煙氣從煙囪頂部排出。液滴的排放會(huì)造成其溶解攜帶的PM2.5等粒子污染物增加，同時(shí)液滴夾帶是造成石膏雨的重要原因，所以脫除煙氣中攜帶的細(xì)小液滴非常必要[17]。目前，國(guó)內(nèi)常用的電廠(chǎng)除霧設(shè)備主要有折流板型、離心式型及正在推廣使用的濕式電除塵。

　　根據(jù)霧滴的碰撞和粘附等原理，攜帶液滴的煙氣經(jīng)過(guò)密集的折流板時(shí)，煙氣在彎曲管道內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的離心力使氣液分離，液滴黏附在板面上形成很薄的液膜，經(jīng)重力作用緩慢流到集液槽中，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離[810]，但是這種板式除霧器對(duì)小于5 μm，甚至更小的細(xì)霧無(wú)法有效地去除。為保證除霧效率，對(duì)攜帶液滴煙氣的速度有一定限制，當(dāng)超過(guò)臨界氣速時(shí)，因?yàn)槎螉A帶使脫霧效率降低[1113]。

　　離心式除霧器在洗滌器內(nèi)部設(shè)置葉片使氣流旋轉(zhuǎn)，一種是葉片固定，氣流從葉片縫隙穿過(guò)，形成旋流;另一種是葉片不固定，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使葉片旋轉(zhuǎn)。由于電驅(qū)動(dòng)式阻力小，可提供比較大的圓周速度，其除霧效率比固定式高。但由于其提升除霧效率主要是提高能耗獲得，且這兩種除霧器不能根據(jù)風(fēng)速同步調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速，所以當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)較大時(shí)，除霧效果會(huì)明顯降低[1417]。基于此，本文提出一種新型自旋轉(zhuǎn)葉輪除霧器，葉輪由氣流的流動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而增強(qiáng)除霧效果，且不需要其他額外動(dòng)力。通過(guò)Solidworks建立新型除霧器的單元管三維模型，選取適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型及恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)，對(duì)除霧器單元管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)、液顆粒的碰撞、粘附以及液滴的團(tuán)聚等進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其氣液分離性能進(jìn)行初步預(yù)測(cè)。該研究為優(yōu)化除霧器結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

　　1 除霧器物理模型的建立

　　采用Solidworks軟件，建立葉輪除霧器單元管的三維模型，尺寸設(shè)計(jì)參照離心式除霧器的類(lèi)比設(shè)計(jì)。葉片為被動(dòng)式旋轉(zhuǎn)。葉片的扇形與中心線(xiàn)成一定角度，該夾角即為葉片夾角，新型除霧器單元管的物理模型如圖1所示。

　　該模型直徑200 mm，長(zhǎng)300 mm，內(nèi)部進(jìn)水管直徑20 mm。在除霧器的每個(gè)單元管中，葉片數(shù)量m=18，葉片與水平夾角，即仰角為20°。以上幾何參數(shù)的選擇主要考慮如下幾點(diǎn)：

　　1) 葉片形狀為平板扇形，葉片的扭曲角為0°，這是考慮在實(shí)際過(guò)程中，制造、加工及建模的方便[18]。

　　2) 葉片仰角的經(jīng)驗(yàn)值為20°～ 30°，由于該除霧器為被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所以取仰角為最小值20°，以提高葉輪轉(zhuǎn)速。

　　3) 葉片數(shù)量，在旋流板除霧器設(shè)計(jì)中，根據(jù)氣液負(fù)荷與開(kāi)孔面積，通常取24片或18片，考慮攜帶液滴量不太大，所以取18片，以減小氣液穿過(guò)時(shí)的流動(dòng)阻力。

　　4) 葉片的徑向角度取零，有利于旋流強(qiáng)度的增加及氣液分離。

　　2 除霧器單元管內(nèi)液滴團(tuán)聚與氣液分離的模擬

　　2.1 除霧器單元管內(nèi)流場(chǎng)的簡(jiǎn)化與假設(shè)

　　除霧器性能受內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律和液滴分離規(guī)律的制約。在除霧器中，由于攜帶液滴的煙氣葉片間的流動(dòng)較為復(fù)雜，為了提高計(jì)算效率，可在允許的誤差范圍內(nèi)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

　　1) 本文的模擬以空氣代替煙氣，進(jìn)入除霧器的煙氣流速較小，一般為3～8 m/s，可把氣體視為理想氣體。

　　2) 在理想情況下，煙氣的流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化，故流動(dòng)可視為定常流動(dòng)。

　　3) 模擬計(jì)算以水滴代替漿液滴，除霧器內(nèi)液滴占煙氣體積分?jǐn)?shù)較小，粒徑較小(液滴的直徑為微米級(jí))，但由于要考慮細(xì)小液滴因氣流攜帶，通過(guò)葉片時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)而團(tuán)聚成較大液滴，使液滴的直徑發(fā)生變化，因此液滴間的相互作用不可忽略。

　　4) 在分析過(guò)程中，考慮氣體流動(dòng)對(duì)顆粒的粘性作用，忽略其反作用。

　　2.2 數(shù)學(xué)模型的選取

　　已有的對(duì)旋流的計(jì)算，多是在固定容器內(nèi)發(fā)生簡(jiǎn)單的旋風(fēng)分離。本文模擬的是混合氣流沿管道進(jìn)入除霧器，受到葉片的阻力而推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)葉片帶動(dòng)氣流由平行流動(dòng)變?yōu)樾鳎挂旱卧诖怪庇谳S線(xiàn)的方向上做離心運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生離心力將液滴甩向壁面，在重力作用下沿壁面緩慢流下來(lái);并且強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)使液滴與液滴、葉片之間發(fā)生劇烈的撞擊，由于分子間的相互作用力，使液滴團(tuán)聚在一起，變?yōu)檩^大顆粒，更容易甩到壁面，從而脫除霧滴。為了更好地模擬實(shí)際流動(dòng)，需要選擇準(zhǔn)確的湍流模型。

　　2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)kε模型

　　目前，湍流模型主要包括標(biāo)準(zhǔn)kε模型、RNG模型、標(biāo)準(zhǔn)kω模型、雷諾應(yīng)力模型、SpalartAlmaras模型等。為了適應(yīng)復(fù)雜多變的模擬環(huán)境，本文選用標(biāo)準(zhǔn)kε模型，模擬液滴顆粒因劇烈旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的團(tuán)聚作用。

　　2.2.2 群體平衡模型(PBM)

　　在考慮粒徑分布的兩相體系中，氣體和液滴的粒徑分布會(huì)隨著兩相體系的反應(yīng)和傳遞現(xiàn)象的發(fā)生而變化。因此，不僅要考慮能量、動(dòng)量和質(zhì)量守恒，還需要添加一個(gè)可以描述粒子平衡的方程，即群體平衡模型。離散法中的非均一離散法可以應(yīng)用于多個(gè)離散粒子群，調(diào)用不同的相速度，將顆粒群的粒徑范圍離散為有限的粒徑間隔。本文采用非均一離散法，模擬計(jì)算各相的粒徑分布。