被动式除雾器内液滴团聚气液分离的数值模拟

　　摘要： 针对脱硫塔后烟气中携带着大量水汽问题，本文采用数值模拟的方法，对除雾器内部流场流动及液体分布与团聚情况进行研究。采用Solidworks软件，建立叶轮除雾器单元管的三维模型，对新型的被动式叶轮除雾器一个单元管的三维模型进行两相流数值模拟。同时，为了更好地模拟实际流动，选用准确的湍流模型kε模型、群体平衡模型(population banlance model，PBM)和6DOF模型，并选择SAMPLE算法。模拟结果表明，烟气经过除雾器时，叶片区域存在强烈湍流耗散，液滴被旋转气流抛向壁面，从而实现液滴团聚和气液分离;除雾器内对流体切向速度、液滴颗粒的团聚等作用都优于固定式叶片，且液滴粒径较小时更易团聚，除雾器单元管内除雾效率随流速增加而提高。该研究为优化除雾器结构提供了理论依据。

　　关键词： 被动旋转; 叶片除雾器; 液滴团聚; 数值模拟; 除雾效率

　　《工程与试验》(季刊)创刊于1961年，由中国仪器仪表学会试验机分会、长春试验机所主办。本刊秉承“宣传贯彻科学技术是第一生产力的思想。

　　近年来，在电力行业中湿法烟气脱硫系统得到广泛应用，湿法脱硫可以有效的控制SO2等气态污染物排放，但是在脱除SO2的同时，烟气中会夹带大量饱和水汽，除少量从烟囱底部凝结排出，大部分液滴随烟气从烟囱顶部排出。液滴的排放会造成其溶解携带的PM2.5等粒子污染物增加，同时液滴夹带是造成石膏雨的重要原因，所以脱除烟气中携带的细小液滴非常必要[17]。目前，国内常用的电厂除雾设备主要有折流板型、离心式型及正在推广使用的湿式电除尘。

　　根据雾滴的碰撞和粘附等原理，携带液滴的烟气经过密集的折流板时，烟气在弯曲管道内流动产生的离心力使气液分离，液滴黏附在板面上形成很薄的液膜，经重力作用缓慢流到集液槽中，从而实现气液分离[810]，但是这种板式除雾器对小于5 μm，甚至更小的细雾无法有效地去除。为保证除雾效率，对携带液滴烟气的速度有一定限制，当超过临界气速时，因为二次夹带使脱雾效率降低[1113]。

　　离心式除雾器在洗涤器内部设置叶片使气流旋转，一种是叶片固定，气流从叶片缝隙穿过，形成旋流;另一种是叶片不固定，通过电机驱动使叶片旋转。由于电驱动式阻力小，可提供比较大的圆周速度，其除雾效率比固定式高。但由于其提升除雾效率主要是提高能耗获得，且这两种除雾器不能根据风速同步调节叶轮转速，所以当风速波动较大时，除雾效果会明显降低[1417]。基于此，本文提出一种新型自旋转叶轮除雾器，叶轮由气流的流动带动旋转，从而增强除雾效果，且不需要其他额外动力。通过Solidworks建立新型除雾器的单元管三维模型，选取适当的数学模型及恰当的运行参数，对除雾器单元管内气液两相流动、液颗粒的碰撞、粘附以及液滴的团聚等进行数值模拟，并对其气液分离性能进行初步预测。该研究为优化除雾器结构提供了理论依据。

　　1 除雾器物理模型的建立

　　采用Solidworks软件，建立叶轮除雾器单元管的三维模型，尺寸设计参照离心式除雾器的类比设计。叶片为被动式旋转。叶片的扇形与中心线成一定角度，该夹角即为叶片夹角，新型除雾器单元管的物理模型如图1所示。

　　该模型直径200 mm，长300 mm，内部进水管直径20 mm。在除雾器的每个单元管中，叶片数量m=18，叶片与水平夹角，即仰角为20°。以上几何参数的选择主要考虑如下几点：

　　1) 叶片形状为平板扇形，叶片的扭曲角为0°，这是考虑在实际过程中，制造、加工及建模的方便[18]。

　　2) 叶片仰角的经验值为20°～ 30°，由于该除雾器为被动旋转，所以取仰角为最小值20°，以提高叶轮转速。

　　3) 叶片数量，在旋流板除雾器设计中，根据气液负荷与开孔面积，通常取24片或18片，考虑携带液滴量不太大，所以取18片，以减小气液穿过时的流动阻力。

　　4) 叶片的径向角度取零，有利于旋流强度的增加及气液分离。

　　2 除雾器单元管内液滴团聚与气液分离的模拟

　　2.1 除雾器单元管内流场的简化与假设

　　除雾器性能受内部流动规律和液滴分离规律的制约。在除雾器中，由于携带液滴的烟气叶片间的流动较为复杂，为了提高计算效率，可在允许的误差范围内对模型进行简化。

　　1) 本文的模拟以空气代替烟气，进入除雾器的烟气流速较小，一般为3～8 m/s，可把气体视为理想气体。

　　2) 在理想情况下，烟气的流动参数不随時间变化，故流动可视为定常流动。

　　3) 模拟计算以水滴代替浆液滴，除雾器内液滴占烟气体积分数较小，粒径较小(液滴的直径为微米级)，但由于要考虑细小液滴因气流携带，通过叶片时发生旋转而团聚成较大液滴，使液滴的直径发生变化，因此液滴间的相互作用不可忽略。

　　4) 在分析过程中，考虑气体流动对颗粒的粘性作用，忽略其反作用。

　　2.2 数学模型的选取

　　已有的对旋流的计算，多是在固定容器内发生简单的旋风分离。本文模拟的是混合气流沿管道进入除雾器，受到叶片的阻力而推动叶片转动，同时叶片带动气流由平行流动变为旋流，使液滴在垂直于轴线的方向上做离心运动，从而产生离心力将液滴甩向壁面，在重力作用下沿壁面缓慢流下来;并且强烈的湍流运动使液滴与液滴、叶片之间发生剧烈的撞击，由于分子间的相互作用力，使液滴团聚在一起，变为较大颗粒，更容易甩到壁面，从而脱除雾滴。为了更好地模拟实际流动，需要选择准确的湍流模型。

　　2.2.1 标准kε模型

　　目前，湍流模型主要包括标准kε模型、RNG模型、标准kω模型、雷诺应力模型、SpalartAlmaras模型等。为了适应复杂多变的模拟环境，本文选用标准kε模型，模拟液滴颗粒因剧烈旋转而产生的团聚作用。

　　2.2.2 群体平衡模型(PBM)

　　在考虑粒径分布的两相体系中，气体和液滴的粒径分布会随着两相体系的反应和传递现象的发生而变化。因此，不仅要考虑能量、动量和质量守恒，还需要添加一个可以描述粒子平衡的方程，即群体平衡模型。离散法中的非均一离散法可以应用于多个离散粒子群，调用不同的相速度，将颗粒群的粒径范围离散为有限的粒径间隔。本文采用非均一离散法，模拟计算各相的粒径分布。

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文章名称： 被动式除雾器内液滴团聚气液分离的数值模拟

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