涡流增强除雾器的数值模拟研究

论文总字数：27776字

摘 要

目前在电厂中使用最多的脱硫方法是湿法脱硫工艺。在湿法脱硫工艺中，会产生大量10-60μm的雾滴，这些雾滴中不仅含有水分，还溶解有SO2、硫酸以及硫酸盐。如不对其进行处理，会造成风机、热交换器等下行设备以及烟道的腐蚀。不仅如此，排出的尾气会造成大气污染。所以需要除雾器将脱硫后气体中的雾滴消除，使其不影响下行设备的运行和减少电厂废气对大气的影响。

当今使用的主要的除雾器是折流板除雾器，其对粒径为30μm以上的雾滴具有良好的消除效果。然而对于小于30μm的雾滴，由于其良好的跟随性，当今主流广泛运用的工业折流板除雾器不能有效地除去，效率低于30%。而30μm以下的雾滴溶有SO2和硫酸等会对大气造成污染的物质。

因此，本文中设计新型涡流增强除雾器，通过在流道中增加挡板，使得流道中形成涡流，流道流场变得复杂，来解决由于小粒径雾滴良好的跟随性导致的除雾效率低下的问题。

本文建立了涡流增强除雾器的数学模型，运用数值模拟的方法对除雾器内流场及颗粒轨迹进行研究。运用欧拉方法对气相场进行计算，运用拉格朗日方法计算了颗粒的轨迹。得到了在不同入口速度、挡板长度和挡板纵向间距下小雾滴的除雾效率和系统压降，并做了相关分析。入口速度的提高和挡板纵向间距的减小会提高除雾效率和系统压降，挡板长度的减少会降低除雾效率和系统压降。由测试结果得出，新型除雾器的除雾器临界分离粒径接近10μm，远优于传统折流板除雾器。

关键词：除雾器； 数值模拟； 涡流； 流场分布； 除雾效率

A DESIGN OF VORTEX MIST ELIMINATOR AND ITS NUMERICAL SIMULATION

ABSTRACT

The most widely used method for desulfurization is wet process of desulfurization technology. In the process of desulfurization technology, there are a large number of droplets which diameter is between 10μm and 60μm forming in the tower. The droplets contain not only water, but also sulfur dioxide, sulfuric acid and sulfate. If we allow the droplets contained in the gas flow, downstream devices, such as fan and heat exchanger, and flue will be corroded by sulfide. Moreover, off-gases which are discharged into atmosphere will do harm to the environment. For the good running of downstream devices and the environment, we need to eliminate the droplets which are produced by the process of desulfurization by mist eliminators.

The most widely used mist eliminators in the industry is the wave-plate mist eliminator. Wave-plate mist eliminator has an excellent effect on eliminating the droplets which diameter is longer than 30μm. However, for eliminating the droplet which diameter is shorter than 30μm, traditional wave-plate mist eliminators cannot behave as good as for big droplets, because fog droplets can move following gas very well. And separation efficiency is lower than 30%. And fog droplets contain sulfite which can do harm to the environment.

In the passage, there are several new patterns of mist eliminators which are different from traditional wave-plate mist eliminators. By adding several plates, there are several vortexes forming in the flue. Thus, the flow field of mist eliminators get complex, which can solve the problem of low separation efficiency of fog droplets which can move following gas very well.

We build a numerical model of vortexes strengthened mist eliminators and use numerical simulation studying its flow field and the particle tracking. We study gas flow and particle tracking by Eulerian-Lagrangian method. We get separation efficiency and pressure drop of system at different inlet velocity, the length of baffle plate and the longitudinal spacing of baffle plate. By analyzing the results, we found increasing the inlet velocity or shortening the longitudinal spacing of baffle plate can improve separation efficiency and pressure drop of system. And shortening the baffle plate leads to the decline of separation efficiency and pressure drop of system. Another result is the critical separation diameter of new pattern mist eliminator is nearly 10μm. Thus, the performance of new pattern mist eliminator is superior to wave-plate mist eliminator.

KEY WORDS: mist eliminator, numerical simulation, vortex, distribution of flow field, separation efficiency

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 课题的背景及意义 1

1.2 脱硫技术简介 2

1.3 脱硫除雾器的研究概况及遇到的问题 3

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 4

第二章 除雾器综述 6

2.1 引言 6

2.2 除雾器的基本组成 6

2.2.1 除雾器本体 6

2.2.2 除雾器冲洗系统 6

2.3 除雾原理 7

2.3.1 惯性碰撞 7

2.3.2 直接拦截 8

2.3.3 扩散 8

2.4 除雾器类型 9

2.4.1 折流板除雾器 10

2.4.2 旋流板除雾器 11

2.4.3 丝网除雾器 12

2.5 除雾器主要参数 12

2.6 总结 13

第三章 涡流除雾器的设计思想及方案 14

3.1 涡流除雾器的设计思想 14

3.2 涡流增强除雾器的研究方法的确定 16

3.3 模型的简化及数学模型 16

3.3.1 除雾器模型的简化 17

3.3.2 除雾器的数学模型 18

3.4 网格划分 19

3.5 边界条件 20

3.5.1 气流相（连续相） 20

3.5.2 雾滴相（离散相） 21

3.6 计算工况及计算平台 21

第四章 计算结果及其分析 23

4.1 气相流场及分析 23

4.2 雾滴颗粒轨迹分析 26

4.3 除雾效率 27

4.3.1 雾滴粒径对除雾效率的影响 27

4.3.2 入口速度对除雾效率的影响 28

4.3.3 挡板长度对除雾效率的影响 29

4.3.4 挡板间距对除雾效率的影响 30

4.4 系统压降 32

4.4.1 入口速度对系统压降的影响 32

4.4.2 挡板长度对系统压降的影响 33

4.4.3 挡板间距对系统压降的影响 33

4.5 小结 34

第五章 结论与展望 37

5.1 涡流除雾器数值模拟结论 37

5.2 进一步工作展望 38

附 录 40

附录1 涡流增强除雾器数值模拟数据汇总 40

参考文献（References） 42

第一章 绪 论

1.1 课题的背景及意义

在我国今年的电力构成中，火电所占比例由2010年的75%降到2014年的67.3%。然而由于我国水电资源有限，风电资源分布不均且离负荷中心过远，其他光伏发电、核电以及生物质发电所占比例太小，火电仍然会在很长的一段时期内是我国最主要的发电方式。

火力发电是利用、煤、石油、天然气等固体液体燃料燃烧时释放的热能，通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。由于我国煤炭资源丰富，相比于石油和天然气，煤炭价格也较为便宜，所以我国大部分火电厂燃烧的燃料是煤炭。燃煤火电厂在将一次能源煤炭转换为电力的过程中，会产生各种污染物，其中的SO2是大气主要污染物之一。而我国的煤炭质量层次不齐，许多煤炭是高硫煤，经过燃烧前处理后仍然会产生大量的SO2。

臭氧层破坏、温室效应导致的全球变暖和酸雨是目前全球关注的三大环境问题。酸雨的主要前提物质是电厂废气中的硫氧化物和氮氧化物。我国二氧化硫排放量十分巨大。2006年，我国二氧化硫排放量达到峰值，为2588.8万吨，居世界第一。2010年，我国二氧化硫排放量为2300万吨，相比于2006年有所减少，但形势仍然非常严峻。而我国目前燃煤二氧化硫排放量占总排放量的90%以上，是形成酸雨的主要原因。

酸雨无论是对人类的健康、生态环境还是社会的发展都有极大的危害。酸雨对人的健康影响之一是酸雨中的酸性物质会刺激眼睛，使眼睛发炎患病。据统计，酸雨严重的地区患沙眼的人的数量远大于酸雨程度较轻的地区。除此之外，眼角膜对酸雨或酸雾十分敏感，若长时间受其刺激，极容易导致红眼病。另外，酸雾或酸雨对人的呼吸系统刺激很大，影响呼吸功能的正常运行。较轻的情况下会导致声音沙哑或者咳嗽，重者可导致胸痛或者呼吸急促等，甚至可导致肺气肿或肺心病的发生。长期生活在酸雨或酸雾严重的地区还会影响人的循环系统，导致人患上动脉硬化或者心肌梗塞等疾病。特别是抵抗力低下的老年人和儿童，其往往成为酸雨对人的危害最直接的受害者。

酸雨会使水生系统丧失鱼群和一些生物群落，溶解有毒金属，使其流入水中，改变营养物和有毒物的循环，进入食物链，使水生系统的物种减少和生产力下降。动物体内的有毒金属往往不能被代谢消化，只能随着食物链向上累积，处于食物链越顶端的生物体内有毒金属含量越大。而像汞、铅等重金属除了使人患上如水俣病等重金属疾病，还会诱发癌症和老年痴呆。

酸雨对陆地生态系统的危害主要在于抑制有机物的分解和氮的固定，降低土壤的肥沃程度，以及妨碍新生植物的发芽生长等，使得整个生态系统退化。据报道，欧洲每年有6500万公顷森林受害。酸雨还会腐蚀建筑物、机械设备和市政设施，大大增加了维护费用。

因此，降低二氧化硫的排放量已经成为我国一个迫不及待的重要目标之一。而我国二氧化硫主要是由火电厂排放的，因此我国SO2排放总量控制的重点放在火电厂。2003年国家环保总局批准了《火电厂大气污染排放标准》，并于2004年1月1日起正式实施。随着环境污染问题的家中和更严格的环境法规的颁布，需要有更加先进的污染物排放控制技术，满足社会与国家的需求。

1.2 脱硫技术简介

由于上个世纪70年代酸雨问题的日益加重，和人们环保意识的提升，一些已经完成工业化国家的政府制定了严格的法规和和标准，要求火电厂要对其废气进行处理，使其对环境的影响降到最低。因此发展出了许多的废气处理技术。据美国环保局（EPA）于1984年统计世界各国开发、研究、使用的SO2控制技术已达189种，预计目前的数量已超过200种[^[1]]。这些技术大概可分为4种，分别是：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫，燃烧后脱硫和煤的转化运用。目前广泛运用的技术是燃烧后脱硫，也是目前被认为控制二氧化硫排放最好的方法。

（1）燃烧前脱硫技术

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