摘要： 針對脫硫塔后煙氣中攜帶著大量水汽問題，本文采用數值模擬的方法，對除霧器內部流場流動及液體分布與團聚情況進行研究。采用Solidworks軟件，建立葉輪除霧器單元管的三維模型，對新型的被動式葉輪除霧器一個單元管的三維模型進行兩相流數值模擬。同時，為了更好地模擬實際流動，選用準確的湍流模型kε模型、群體平衡模型(population banlance model，PBM)和6DOF模型，并選擇SAMPLE算法。模擬結果表明，煙氣經過除霧器時，葉片區域存在強烈湍流耗散，液滴被旋轉氣流拋向壁面，從而實現液滴團聚和氣液分離;除霧器內對流體切向速度、液滴顆粒的團聚等作用都優于固定式葉片，且液滴粒徑較小時更易團聚，除霧器單元管內除霧效率隨流速增加而提高。該研究為優化除霧器結構提供了理論依據。

　　關鍵詞： 被動旋轉; 葉片除霧器; 液滴團聚; 數值模擬; 除霧效率

　　《工程與試驗》(季刊)創刊于1961年，由中國儀器儀表學會試驗機分會、長春試驗機所主辦。本刊秉承“宣傳貫徹科學技術是第一生產力的思想。

　　近年來，在電力行業中濕法煙氣脫硫系統得到廣泛應用，濕法脫硫可以有效的控制SO2等氣態污染物排放，但是在脫除SO2的同時，煙氣中會夾帶大量飽和水汽，除少量從煙囪底部凝結排出，大部分液滴隨煙氣從煙囪頂部排出。液滴的排放會造成其溶解攜帶的PM2.5等粒子污染物增加，同時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小液滴非常必要[17]。目前，國內常用的電廠除霧設備主要有折流板型、離心式型及正在推廣使用的濕式電除塵。

　　根據霧滴的碰撞和粘附等原理，攜帶液滴的煙氣經過密集的折流板時，煙氣在彎曲管道內流動產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，經重力作用緩慢流到集液槽中，從而實現氣液分離[810]，但是這種板式除霧器對小于5 μm，甚至更小的細霧無法有效地去除。為保證除霧效率，對攜帶液滴煙氣的速度有一定限制，當超過臨界氣速時，因為二次夾帶使脫霧效率降低[1113]。

　　離心式除霧器在洗滌器內部設置葉片使氣流旋轉，一種是葉片固定，氣流從葉片縫隙穿過，形成旋流;另一種是葉片不固定，通過電機驅動使葉片旋轉。由于電驅動式阻力小，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風速同步調節葉輪轉速，所以當風速波動較大時，除霧效果會明顯降低[1417]?；诖?，本文提出一種新型自旋轉葉輪除霧器，葉輪由氣流的流動帶動旋轉，從而增強除霧效果，且不需要其他額外動力。通過Solidworks建立新型除霧器的單元管三維模型，選取適當的數學模型及恰當的運行參數，對除霧器單元管內氣液兩相流動、液顆粒的碰撞、粘附以及液滴的團聚等進行數值模擬，并對其氣液分離性能進行初步預測。該研究為優化除霧器結構提供了理論依據。

　　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，尺寸設計參照離心式除霧器的類比設計。葉片為被動式旋轉。葉片的扇形與中心線成一定角度，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300 mm，內部進水管直徑20 mm。在除霧器的每個單元管中，葉片數量m=18，葉片與水平夾角，即仰角為20°。以上幾何參數的選擇主要考慮如下幾點：

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

　　2) 葉片仰角的經驗值為20°～ 30°，由于該除霧器為被動旋轉，所以取仰角為最小值20°，以提高葉輪轉速。

　　3) 葉片數量，在旋流板除霧器設計中，根據氣液負荷與開孔面積，通常取24片或18片，考慮攜帶液滴量不太大，所以取18片，以減小氣液穿過時的流動阻力。

　　4) 葉片的徑向角度取零，有利于旋流強度的增加及氣液分離。

　　2 除霧器單元管內液滴團聚與氣液分離的模擬

　　2.1 除霧器單元管內流場的簡化與假設

　　除霧器性能受內部流動規律和液滴分離規律的制約。在除霧器中，由于攜帶液滴的煙氣葉片間的流動較為復雜，為了提高計算效率，可在允許的誤差范圍內對模型進行簡化。

　　1) 本文的模擬以空氣代替煙氣，進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，煙氣的流動參數不隨時間變化，故流動可視為定常流動。

　　3) 模擬計算以水滴代替漿液滴，除霧器內液滴占煙氣體積分數較小，粒徑較小(液滴的直徑為微米級)，但由于要考慮細小液滴因氣流攜帶，通過葉片時發生旋轉而團聚成較大液滴，使液滴的直徑發生變化，因此液滴間的相互作用不可忽略。

　　4) 在分析過程中，考慮氣體流動對顆粒的粘性作用，忽略其反作用。

　　2.2 數學模型的選取

　　已有的對旋流的計算，多是在固定容器內發生簡單的旋風分離。本文模擬的是混合氣流沿管道進入除霧器，受到葉片的阻力而推動葉片轉動，同時葉片帶動氣流由平行流動變為旋流，使液滴在垂直于軸線的方向上做離心運動，從而產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;并且強烈的湍流運動使液滴與液滴、葉片之間發生劇烈的撞擊，由于分子間的相互作用力，使液滴團聚在一起，變為較大顆粒，更容易甩到壁面，從而脫除霧滴。為了更好地模擬實際流動，需要選擇準確的湍流模型。

　　2.2.1 標準kε模型

　　目前，湍流模型主要包括標準kε模型、RNG模型、標準kω模型、雷諾應力模型、SpalartAlmaras模型等。為了適應復雜多變的模擬環境，本文選用標準kε模型，模擬液滴顆粒因劇烈旋轉而產生的團聚作用。

　　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隨著兩相體系的反應和傳遞現象的發生而變化。因此，不僅要考慮能量、動量和質量守恒，還需要添加一個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用于多個離散粒子群，調用不同的相速度，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，模擬計算各相的粒徑分布。