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1、旋流板式除雾器与折流板除雾器性能对比的数值模拟杜明生; 谷长超; 朱孔浩; 许伟伟; 王建军期刊名称】炼油技术与工程年(卷),期】2018(048)005【总页数】5页(P32-36) 【关键词】 除雾器; 分离效率; 数值模拟; 欧拉液膜模型【作者】 杜明生; 谷长超; 朱孔浩; 许伟伟; 王建军【作者单位】 大唐环境产业集团股份有限公司 北京市100097; 中国石油大学(华东)山东省青岛市 266580【正文语种】 中 文随着炼油厂含硫原油加工量的日益增大，含硫烟气的排放大大增加，与此同时，电 厂含硫烟气的排放也是与日俱增，在国家环保要求日益严苛的大环境下，控制烟气 排放中的硫含量显得愈
2、发重要。在脱硫技术中，湿法烟气脱硫是最成熟、运用最广 泛的脱硫工艺。在湿法烟气脱硫系统中，经过喷淋层的烟气会携带大量以亚硫酸盐 硫酸盐、碳酸盐及灰分为主的酸性液滴，这些液滴若不去除，不但会造成下游烟道 的堵塞、腐蚀等问题，还会导致粉尘排放量的增加1-5。除雾器就是湿法烟气脱 硫系统中去除这些酸性液滴的关键设备。除雾器包括很多类型，但最常见和最具发展潜力的主要是流线型折流板除雾器和旋 流板式除雾器。科研人员对折流板式除雾器研究较多6-10，而对旋流板式除雾器 研究较少11，更少有人对这两种除雾器的性能进行对比研究。 除雾器内部的流动状态十分复杂，影响其性能的因素较多，实验方法成本高，周期 长，因
3、此计算机数值模拟技术应运而生12。下文利用CFD技术对旋流板式除雾 器与折流板除雾器的性能进行对比研究，考察不同进口气速、不同液滴粒径对两种 除雾器的除雾效率和压力降的影响，分析两种除雾器各自的优势和劣势，为这两种 除雾器今后的工程应用和开发提供参考。1 数学模型除雾器内部流动属于强湍流流动，湍流模型选择RNG k-e模型。计算气液两相的多相流模型选用Eulerian模型。以往的大部分科研工作者将气相 当作连续相处理，而将液滴当作离散相处理，采用 DPM 模型计算液滴相13-15 ， 其弊端在于DPM模型不考虑液滴与液滴之间、液滴与气相之间的相互作用，这与 实际情况十分不符，而Eulerian
4、模型更好地考虑了液滴与液滴之间、液滴与气相 之间的相互作用，符合实际情况。再者，DPM模型中假设液滴碰撞壁面即认为被 分离，这一点与实际情况也有较大差别，液滴碰到壁面或者壁面上的液膜会发生溅 射或者反弹，并不一定会被分离下来。分析考虑液滴的实际分离过程中液膜的形成方式与Eulerian wall film模型相符， 并且满足该模型的假设和限制，因此采用Eulerian wall film模型来模拟除雾器内 液膜的形成和发展。2 计算模型及计算条件2.1 计算模型 根据工程实际图纸确定计算模型的结构参数。图1为旋流板式除雾器的计算模型，筒高1 400 mm，筒径500 mm，旋流板导 叶外圆直径
5、470 mm，内圆直径160 mm，叶片数为18，旋流板偏转角为50（即 旋流板法线与竖直方向夹角为40）。图2为流线型折流板除雾器的计算模型，筒高1 400 mm，筒径500 mm，折流 板水平间距为40 mm ，折流板高度为138 mm。图1旋流板式除雾器的计算模型Fig.1 Simulation model of swirl plate demister图2流线型折流板除雾器的计算模型Fig.2 Simulation model of wave-plate mist eliminators2.2 网格划分 旋流板式除雾器沿旋流导叶上下端面将计算区域分为三块，旋流导叶区域采用非结 构网格，
6、其余两区域采用结构网格，网格总数在150万以上，因使用Eulerian wall film 模型和标准壁面函数，因此保证近壁面第一层网格高度处在流体湍流区。流线型折流板除雾器沿折流板上下端面将计算区域划分为三块，折流板区域采用非 结构网格，其余两区域采用结构网格，网格总数在150万以上，因使用Eulerian wall film 模型和标准壁面函数，因此保证近壁面第一层网格高度处在流体湍流区。2.3 计算条件 根据除雾器的实际运行情况确定计算条件。气相：介质为空气，密度为1.225 kg/m3，动力黏度为1.789 4x10-5 kg/(ms), 进口速度依次为3.60，3.75，3.90，4
7、.05，4.20 m/s。液相：介质为水，密度为998.2 kg/m3，动力黏度为0.001 g/(ms),进口速度与 气相相同，液相体积分数为0.000 1。液滴粒径依次为10,40,60,80,100 pm。 壁面条件：标准壁面函数、静止、无滑移、绝热。出口边界条件：压力出口。 进口边界条件：速度进口。根据工程实际图纸确定计算模型的结构参数。3计算结果与分析 衡量除雾器性能好坏的指标主要有两个，即除雾效率和压力降。除雾效率越高，表 明除雾器出口气体携带的液滴含量越低，除雾器性能越好。压力降越大，表明整个 系统需要补充的能量越多，即能耗越大。3.1 不同粒径两除雾器的两相压力降对比5种气速下
8、的结论保持一致，取进口气速为3.9 m/s时的计算结果对比分析。图3为两除雾器的两相压力降随粒径的变化曲线。从图3可以看出，相同液滴粒 径下，旋流板式除雾器的两相压力降比折流板除雾器的两相压力降大，即旋流板式 除雾器的能耗更大。从图3还可以看出，随着粒径的增大，旋流板式除雾器和折 流板除雾器的两相压力降基本无明显变化。这说明，粒径的变化对除雾器两相压力 降的影响不大。3.2 不同气速下两除雾器的两相压力降对比5种粒径下的结论保持一致，取粒径10 pm时的计算结果进行对比分析。图4为两种除雾器的两相压力降随气速的变化曲线。从图4可以看出，相同气速 下，旋流板式除雾器的两相压力降比折流板除雾器的两
9、相压力降大，即相同气速下， 旋流板式除雾器的能耗更大。图3除雾器的两相压力降随粒径的变化曲线Fig.3 Curve of pressure drop oftwo demisters with particle size从图4还可以看出，随着进口气速的增大，旋流板式除雾器和折流板除雾器的两相压力降均不断增大。不同的是，气速增大相同的幅度，旋流板式除雾器的两相压 力降增大的幅度更大，即随气速的增大，旋流板式除雾器的两相压力降增大得更快。 即随着气速的增大，旋流板式除雾器与折流板除雾器的能耗均不断增大，但旋流板 式除雾器的能耗增加得更快。图4除雾器的两相压力降随气速的变化曲线Fig.4 Curve
10、of pressure drop oftwo demisters with gas velocity3.3 不同粒径两除雾器的两相压力降对比5种气速下的结论保持一致，取进口气速为3.9 m/s时的计算结果进行对比分析。 图5 为除雾器的分离效率随粒径的变化曲线。从图5 中可看出，随着粒径的增大， 两种除雾器的分离效率均不断增大，且随着粒径的增大，分离效率的增速逐渐放缓， 粒径增大到100 pm时，两种除雾器的分离效率均接近100%。从图5中还可以看出，旋流板式除雾器对小粒径液滴(10 pm)的分离效率明显高于 折流板式除雾器。据此可推测，对粒径小于10 pm的小粒径液滴，旋流板式除雾 器的分离
11、效率优势会更大。随着粒径的增大，旋流板式除雾器分离效率高的优势逐 渐减小，当粒径增大到80 pm时，两种除雾器的分离效率已十分接近。图5除雾器的除雾效率随粒径的变化曲线Fig.5 Curve of demisting efficiency of two demisters with particle size3.4 不同气速下两除雾器的分离效率对比 工业实践中大粒径的液滴大多能被分离，因此着重对比分析小粒径液滴条件下两种 除雾器的分离效率。取粒径为10 pm时的计算结果进行对比分析。图 6 为两种除雾器的分离效率随气速的变化曲线。从图 6 可以看出，相同气速下， 旋流板式除雾器对10 pm液滴
12、的分离效率远高于折流板式除雾器。从图6中还可以看出，随着气速的增大，旋流板式除雾器对10 pm液滴的分离效 率不断提高，而折流板式除雾器对10 pm液滴的分离效率只有十分细微的提升。 这是因为旋流板式除雾器主要靠离心力的作用分离液滴，气速越大，液滴所受离心 力越大，分离效率随之提高；折流板除雾器主要靠液滴惯性碰撞来实现分离，液滴 质量越大惯性就越大，越容易保持原有运动状态，从而与边壁发生碰撞而被分离出 来,10 pm液滴已经属于亚微观粒子，液滴惯性很小，反之，液滴跟随性很强， 易跟随气流一起流动，不易与壁面发生碰撞而被分离下来。至于折流板除雾器分离 效率的细微提升，原因是折流板有小段弯道区域，
13、在此弯道区域内液滴也会受到一 定的离心力作用，但是10 pm液滴在此处所受的离心力较小，分离效率的提高并 不明显。图6两种除雾器的分离效率随气速的变化曲线Fig.6 Curve of demistingefficiency of two demisters with gas velocity3.5 不同粒径下旋流导叶与折流板液膜厚度分析取速度为3.9 m/s时的计算结果进行分析。图7为不同粒径下旋流导叶迎风侧的液膜厚度云图。从图7可以看出，随着液滴 粒径的增大，旋流导叶迎风侧的液膜厚度越大，且形成液膜的区域面积越大，当液 滴粒径达到100 pm时，可明显看到许多凝结的小液滴（即图7中红色点状区
14、）。这 表明，随着液滴粒径的增大，被分离下来的液滴量不断增大，分离效率不断提高。 从图7中还可以看出，液膜主要分布在旋流导叶的下部和外部的边角区（即图7中 黑色椭圆所圈的区域），这说明这个区域是旋流导叶迎风侧发挥分离作用的主要功 能区。图8为不同粒径下折流板迎风侧的液膜厚度云图。从图8可以看出，随着液滴粒 径的增大，折流板表面液膜厚度不断增大，这说明折流板的分离效率不断增大。 从图8还可以看出，折流板迎风侧弯道下部区域及靠近折流板流道出口的区域（即 图8中黑色方框所圈区域）是主要的液膜分布区，这表明这两个区域是液滴最易碰 撞而被分离下来的区域，是折流板迎风侧发挥分离作用的主要区域。图7不同粒径
15、下旋流导叶迎风侧的液膜厚度云图Fig.7 Film thickness contour of the upwind side of swirl vanes to different particle size图8不同粒径下折流板迎风侧的液膜厚度云图Fig.8 Film thickness contour of the upwind side of wave-plate to different particle size4结论（1）随着液滴粒径的增大，旋流板式除雾器与折流板除雾器的两相压力降均基本无 变化；相同液滴粒径条件下，旋流板式除雾器的两相压力降更大，即旋流板式除雾 器能耗更大。(2)
16、随着气速的增大，旋流板式除雾器和折流板除雾器的两相压力降均不断增大； 相同气速条件下，旋流板式除雾器的两相压力降更大。随气速的增大，旋流板式除 雾器的两相压力降增速更快，且增幅更大。(3) 随着液滴粒径的增大，旋流板式除雾器与折流板除雾器的分离效率均不断提高； 不同的是，旋流板式除雾器对10 pm小粒径液滴的分离效率明显高于折流板式除 雾器，对于大粒径液滴，旋流板式除雾器的分离效率相比于折流板除雾器并无明显 优势。(4) 液滴粒径为10 pm的条件下，随着气速的增大，旋流板式除雾器的分离效率明 显提高，而折流板式除雾器的分离效率只有微小的提升。(5) 折流板迎风侧发挥分离作用的主要部位是弯道下部区域及靠近折流板流道出口 的区域。(6) 从以上得出的结论来看，除雾器提高分离效率的关键是控制液滴的粒径，通过 物理或
