管束式除雾器结构优化数值模拟及高效除雾器研制

片数变化会对除雾效率和压降造成较大影响。在此基础上，进一步提出了 3 种高效管束式除雾器型式并经
冷态试验台验证，其中 1 种优选构型已在某电厂 300 MW 机组除雾器改造中应用。运行结果表明，该除雾
器各项性能指标良好，在机组 50%~100% 的宽负荷范围内，烟尘排放质量浓度均小于 5 mg/m3（标态，干
对于流体相，质量连续方程为
∂ρ ∂t
+
∂ ∂xi
(ρui)
=
0
（1）
式中：t 为流动时间；ρ 和 u 分别为流体相的密度
和速度；ui 为 t 时刻速度 u 在 xi 方向的分量。 流体相动量守恒方程，即 Navier-Stokes 方程为
∂∂∂∂tx(jρ[uµi)(+∂∂xu∂ij∂x+j (∂∂ρuuxiiju−j)23=δi−j ∂∂∂∂uxxpiii
第 51 卷 第 5 期 2018 年 5 月
中国电力
ELECTRIC POWER
Vol. 51, No. 5 May 2018
管束式除雾器结构优化数值模拟及高效除雾器研制
邱桂芝，张志刚，宋寅，郭婷婷，王海刚，贾嘉，王鹤麒
(中国大唐集团科学技术研究院 火力发电技术研究所，北京 100040)
摘 要：为配合烟尘超低排放改造，基于流体动力学计算方法，对湿法烟气脱硫系统中管束式除雾器内的
除雾器是湿法脱硫协同除尘的关键设备，其 性能直接关系到烟尘排放是否达标。常规的折流 板除雾器对粒径大于 20 μm 的液滴脱除效果显 著，而对于 20 μm 以下的小液滴脱除效率不佳[5-10]。 随着环保力度的加大，如何高效脱除细小液滴， 同时保证运行成本的可持续性，成为亟待解决的 难 题 [11]。
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和工作参数变化时的除雾性能，分析参数对除雾 效率和压降的影响规律，在此基础上研发了具备 自主知识产权的高效除雾器。
1 数值计算方法
1.1 简化假设条件
本文以单个除雾器内的流动为研究对象，在 误 差 允 许 范 围 内 对 模 型 作 了 简 化 [12-15]： （ 1） 除 雾 器内气体流动视为不可压缩流体定常流动； （ 2） 除 雾 器 内 流 动 不 考 虑 温 度 变 化 的 影 响 ； （ 3） 浆 液 液 滴 在 计 算 中 当 作 球 体 来 处 理 ， 不 考 虑 液 滴 的 聚 并 、 破 碎 和 蒸 发 ； （ 4） 不 考 虑 气 液 两相之间的能量交换。 1.2 连续相控制方程
初 始 速 度 与 烟 气 速 度 相 等 [18]。 烟 气 夹 带 液 滴 在 除
雾器内流动，液滴碰到除雾器壁面即为被捕集，
液滴到达除雾器出口的为逃逸。所得除雾效率为
η
=
Nt Nt + Ne
（4）
式中：Nt 为被壁面捕集的液滴颗粒数；Ne 为出口 逃逸的液滴颗粒数。
2 除雾器模型及边界条件
2.1 除雾器模型 以管束式除雾器为研究对象，单级单筒式
基，6% O2），机组满负荷时除雾器最大阻力小于 300 Pa。
关键词：管束式除雾器；数值模拟；烟气脱硫；除雾效率；烟尘超低排放
中 图 分 类 号 ： X511； TM621.9
文献标志码：A
DOI： 10.11930/j.issn.1004-9649.201706151
0 引言
目前，燃煤电厂代表性烟尘超低排放技术路 线有 2 种：（1）低低温/（电）布袋除尘器+湿法 脱 硫 协 同 除 尘 ； （ 2） 除 尘 器 +湿 法 脱 硫 协 同 除 尘+湿式电除尘器[1-3]。第 1 种烟尘协同脱除技术 因投资和占地少、维护费用低、无额外污染等优 势 ， 成 为 烟 尘 控 制 的 主 流 技 术 之 一 [3-4]。
gx(ρp − ρ) ρp
+ Fx
（3）
式中：up 为液滴速度；t 为运动时间；u 为流体速
度 ； FD(u − up)为 液 滴 受 到 的 曳 力 ； ρ p 为 颗 粒 密
度
； gx
为重
力加速度
；
gx
(ρp−ρ) ρp
考
虑
了
液
滴所受的
重力和浮力；Fx 考虑了液滴所受的其他作用力。+ )]
+
∂ ∂x
j
() ρu′i u′j
（2）
第 5期
邱桂芝等：管束式除雾器结构优化数值模拟及高效除雾器研制
式中：ui 和 uj 分别为流体速度 u 在 xi 和 xj 方向的 分 量 ； p 为 压 力 ； μ 为 流 体 分 子 粘 性 ； u′i 和u′j 分 别 为 ui 和 uj 的脉动值；ρu′i u′j 为雷诺应力。
由于雷诺应力项ρu′i u′j的存在，方程（2）是不
闭 合 的 ， 采 用 雷 诺 应 力 模 型 （ RSM） 来 封 闭 方 程
组 [16]。
1.3 离散相控制方程
对离散相采用拉格朗日坐标系下的 DPM 模型
进 行 计 算 [15, 17]。 颗 粒 运 动 方 程 为
dup dt
=
FD(u − up) +
气液两相流流场进行了数值模拟，同时将双筒结构引入管束式除雾器，通过改变筒体结构和叶片结构参
数，分析得到了管束式除雾器对不同粒径液滴的脱除效率和除雾器压损的变化规律。研究结果表明，双筒
结 构 +多 级 串 联 是 提 高 除 雾 效 率 ， 特 别 是 提 高 小 液 滴 脱 除 效 率 的 有 效 方 法 ； 曲 线 型 叶 片 出 口 角 、 叶 长 和 叶
管束式除雾器以其对细小液滴脱除效率高、 阻力小的优势，逐渐得到推广应用。目前管束式 除雾器的研究主要集中在工程实践阶段，理论和 实验方面的研究鲜有报道。本研究根据气液两相 流体力学的基本理论，对管束式除雾器流场、除 雾效率和压降进行模拟，研究除雾器的结构参数
收稿日期：2017-06-26； 修回日期：2017-12-18。 基金项目：中国大唐集团多污染物协同脱除与均衡控制关 键技术研究与示范项目 (CDT1-17-02)。
（以下简称为基本结构）管束式除雾器如图 1 所 示，外筒直径为 300 mm，筒高 1 m，叶片为 8 片 直板型，叶片结构如图 1 b) 和 c)。
运行中携带浆液的含尘烟气自下而上进入除
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图 1 管束式除雾器模型示意 Fig. 1 The basic structure of tube bundle demister