湿法烟气脱硫中应用响应曲面法的波纹板除雾器钩片尺寸优化

北极星环保网讯:摘要：基于计算流体方法,采用二维、不可压缩、非稳态流动模型,对湿法烟气脱硫塔中带钩波纹板除雾器内的气液两相流场进行数值模拟,比较了除雾器性能的模拟值和实验值。利用计算结果,基于响应曲面法并使用Design-Expert软件研究了钩片直段长度（H）、钩片圆弧段转折角度（β）及钩片圆弧段转折半径（r）对除雾器性能的影响,得到了除雾器性能的二次多项式预测模型。

研究结果表明,除雾器性能的模拟值与实验值吻合较好,验证了数值计算结果的可靠性;在上述多个影响因素中,H、β、r、H平方项及H和β的交互作用对除雾器性能的影响最为显著;在所研究的尺寸范围内,当H=15.51mm、β=35.96°、r=25.78mm时,除雾器性能达到最优。所得结论有助于进一步改善除雾器的结构优化设计。

关键词:除雾器;钩片尺寸;气液两相流;数值模拟;响应曲面法

带钩波纹板型除雾器作为一种高效的除雾器形式,广泛应用于化工、石油、压力容器等行业中的气液分离装置中[1,2],加装钩片促使除雾器叶片间通道气流发生剧烈偏转,从而增加了雾滴的拦截几率,在可接受的压降范围内具有较高的效率。目前,国内针对带钩波纹板除雾器钩片尺寸的研究成果报道不多。

本文应用响应曲面法[3],建立Box-Behnken数学模型[4],通过计算流体动力学计算软件Fluent进行多工况数值模拟,考察了钩片结构参数对除雾器性能的影响,在此基础上建立了相应的预测模型,确定了钩片的最优参数,为带钩波纹板除雾器的研究提供了有益的尝试。

1除雾器模型

1.1模拟对象

本次数值试验以典型带钩波纹板除雾器为模拟对象[5,6],除雾器的结构如图1所示,结构参数如表1所示。文中涉及的变量及单位如下：β为钩片圆弧段转折角度,（°）;r为钩片圆弧段转折半径,mm;H为钩片直段长度,mm;η为除雾效率,%;Δp为除雾器压损,Pa;v为烟气流速,m/s。

图1带钩波纹板除雾器结构示意

表1带钩波纹板除雾器的几何尺寸

1.2物理模型的假设与简化

除雾器数值计算方法的假设与简化[7]如下。

（1）用实测烟气参数设置连续相介质,因为除雾器流场内流速不高,烟气流速远小于当地声速的0.1倍,压力损失基本小于200Pa,所以把连续相介质设置为不可压缩的流体。

（2）除雾器在y方向上的高度与z方向的宽度相差很大,且z为常数的任意流动截面的流场都相同,因此只需计算z=0的二维平面流场。

（3）以水滴代替浆液雾滴进行计算,液滴的平均粒径小于30μm,在数值计算中浆液滴采用硬质球形,不考虑浆液滴的蒸发、液膜的撕裂等。

（4）浆液滴轨迹的计算是遇到除雾器壁面即终止,并记为捕集。

（5）浆液滴在实际的迭代过程中只考虑了重力、烟气对液滴的曳力和saffman力作用。

1.3模型的边界条件

烟气视为连续相介质,密度ρg为1.1kg/m3,动力粘度μg为1.954×10-5（N˙s）/m2。额定工况下进口烟气流速为4m/s。边界条件：入口设置为速度入口,烟气流速方向与除雾器进口垂直,且在整个进口上均匀分布。出口绝对压强为101325Pa。连续相壁面边界条件：无渗透,无滑移,绝热[8]。

液滴的密度ρp为1200kg/m3,动力粘度μp为5.49×10-5（N˙s）/m2。液滴的粒径服从Rosin-Rammler分布,按照电厂实测数据输入[9],其中最小粒径为10μm,最大粒径为40μm,平均粒径为21μm,分布指数为3.77[10,11]。

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