湿法烟气脱硫塔内折形板除雾器优化的数值模拟

1.2简化条件

除雾器叶片间形成的流动通道内为复杂的两相流，包含烟气流动、液滴自身破碎与液滴间碰撞、液滴与壁面碰撞引起的沉积与飞溅等复杂的物理过程，本文在误差允许范围内对两相流模型作如下简化:

(1)除雾器通道内烟气视为理想流动，且烟气马赫数小于0.1，故模拟的烟气为不可压缩流体[13];

(2)在脱硫塔等工业设备中除雾器叶片Z轴方向长度远大于其余两个维度，烟气流速在Z轴方向趋近于0，流场具有空间重复性[8，14]，故将烟气流动视为二维平面流动;

(3)烟气经过喷淋层后为恒温饱和状态[15]，因此忽略流动过程的热质传递;

(4)将烟气夹带的浆液液滴视为球形颗粒，并且忽略液滴的碰撞与破碎;

(5)根据文献[7-9]的实验数据，图1中所示的折形板除雾器发生液滴二次夹带的临界流速为6～7m/s，而本文采用的入口气速vin为3～6m/s，因此忽略烟气二次夹带的影响;

(6)液滴与除雾器叶片碰撞即视为被捕集，忽略因碰撞引起的液滴飞溅。

1.3气液两相流动的数学模型

本文采用欧拉-拉格朗日方法描述除雾器通道内气液两相的流体力学行为，其中烟气为连续流体，湍流模型选用SSTk-ω模型;液滴为离散项流体，模拟采用随机轨道模型。

对于连续相流动，视为粘性不可压缩定常流动。选取叶片间距D=26mm作为特征长度，各工况流动模型Re为5340至10680，低于Lauder与Spalding提出的临界雷诺数2×104，属于低雷诺数流动。连续相控制方程形式如下:

连续性方程

在湍流模型选取方面，Wang等[17]认为低雷诺数湍流模型相比STDk-ε模型可以更好地预测除雾器内的气液流动;Zamora等[11]、Galletti等[18]发现SST模型可更精确地模拟烟气的分离流动与二次流。

此外，上述文献研究结果均表明，准确模拟连续相流动对除雾器性能的预测具有重要意义。鉴于本文模拟的折形板加装构件后产生的分离流动现象更为明显，为了更准确地模拟烟气在除雾器内的低雷诺数流动以及因负压梯度引起的涡流，湍流模型选用SSTk-ω模型。

SSTk-ω湍流模型利用关于湍动能k与湍流频率ω的输运方程封闭雷诺时均处理的N-S方程组，对于定常流动其方程形式为:

对于液滴，模拟计算采用的液滴粒径为10～30μm，Saffman浮升力作用较明显[4]，而液滴密度远高于烟气密度，可忽略附加质量力及Basset力等[17]，本文仅考虑曳力、重力及浮力、Saffman浮升力与惯性力的平衡关系，液滴满足牛顿第二定律的控制方程为:

模拟液滴在流场中的运动采用随机轨道模型，考虑连续相湍流脉动引起的颗粒扩散效应，根据连续相的速度场分布，通过对方程(5)按一定时间步积分得到液滴在除雾器通道内的运动轨迹。

延伸阅读：

湿法脱硫除雾器减缓结垢的方法研究

双除雾器技术或是火电厂除霾必然选择

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

湿法脱硫系统中除雾器的选型、设计、安装和维护等