利用涡流增强除雾的数值模拟与实验研究

摘要

在燃煤电厂中得到广泛使用的湿法脱硫技术，会增加电厂烟气中的雾滴含量，而这会最终导致燃煤电厂排放的PM25增多，以及“石膏雨”现象。为了解决这个问题，燃煤电厂中都装有除雾器，通过除雾器来减少烟气中雾滴含量。目前广泛使用的折流板除雾器对大粒径雾滴具有良好的脱除效果，但对于小粒径雾滴的脱除效果比较差。为了解决这个问题，本文尝试提出一种新型涡流除雾器，通过涡来增加除雾器对小粒径雾滴的脱除效果。首先通过数值模拟的方法对涡流除雾器和折流板除雾器进行了研究，并进行了对比。为了验证数值模拟的准确性，搭建了实验平台，进行了实验。最后本文通过数值模拟研究了板间距、挡板长度、挡板夹角和缺口长度对涡流除雾器性能的影响。本文主要研究内容如下:
　　(1)本文主要采用数值模拟方法对涡流除雾器进行了研究。对气相场和雾滴分别采用欧拉方法和拉格朗日进行研究。通过编程来模拟除雾器内雾滴的运动，并且在模拟雾滴运动时，考虑雾滴间的碰撞。采用直接模拟模特卡罗法，根据概率来确定雾滴间是否发生碰撞，若两个雾滴发生碰撞，则采用硬球模型，不考虑碰撞过程。碰撞后，两个雾滴合并为一个雾滴。在模拟过程中，不考虑二次夹带，假设温度不发生变化。
　　(2)为了验证数值模拟的准确性，本文搭建了实验平台。通过实验测量了涡流除雾器和折流板除雾器的总除雾效率和分级除雾效率，并与模拟结果进行了对比。由实验结果可知，对于涡流除雾器，总除雾效率的数值模拟结果比实验结果要大，差值为3-4.8％，而对于折流板除雾器，差值最大为2.8％。整体来看，折流板除雾器的数值模拟结果比涡流除雾器的数值模拟结果更符合实验结果。当气速为3m/s和4m/s时，实验得到的涡流除雾器分级除雾效率也要比模拟结果要低。整体来看，实验结果与模拟结果能较好的吻合，验证了模型的准确性。
　　(3)通过数值模拟对涡流除雾器进行了研究。由速度云图和流线图可以发现，在挡板后面，都会存在涡，而且涡流除雾器内部的流场很复杂。由涡流除雾器内的雾滴分布图可知，当气速为5m/s时，大部分的雾滴会在除雾器前半段被脱除，只有少量最后能逃逸。为了对比，也对折流板除雾器进行了研究。由模拟结果可知，涡流除雾器的总除雾效率和压降都大于折流板除雾器。将涡流除雾器和折流板除雾器的模拟结果对比，可以发现涡流除雾器对于小粒径雾滴的脱除效果要优于折流板除雾器对小粒径雾滴的脱除效果，如对于10μm雾滴，涡流除雾器的效率比折流板除雾器高17.8-28.2％。
　　(4)通过数值模拟研究了板间距、挡板长度、挡板夹角和缺口长度等结构因素对涡流除雾器性能的影响。当板间距从35mm降低到25mm时，涡流除雾器的总除雾效率、压降和分级除雾效率都会增加;当挡板与壁面的夹角从46°增加到56°时，总除雾效率会增加，而当夹角从56°增加到66°时，总除雾效率的变化幅度不大。而压降和分级除雾效率都会一直随着夹角的增加而增加;而当挡板长度从15mm增加到21mm时，涡流除雾器的总除雾效率、压降和分级除雾效率都会提高;当流道之间的缺口长度从8mm增加到12mm时，涡流除雾器的总除雾效率和压降都会有少量的增加，而分级除雾效率的变化也不是非常大。但总体来看，分级除雾效率是随着缺口长度的增加而增加。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 燃烧后脱硫技术

1．3 除雾器综述

1．3．1 除雾器的结构和种类

1．3．2 除雾器布置形式

1．3．3 除雾器主要性能参数

1．3．4 折流板除雾器的研究现状

1．4 本文主要内容

第二章 除雾器内气液两相流数学模型

2．1 除雾器内气液两相流动分析

2．2 涡流除雾器和折流板除雾器物理模型

2．3 除雾器内气液两相流数学模型

2．3．1 气相流场控制方程

2．3．2 离散液滴控制方程

2．3．3 液滴碰撞数学模型

2．4 气液两相流数学模型求解

2．5 数学模型的边界条件

2．6 本章小结

第三章 实验平台的搭建

3．1 实验平台的设计

3．1．1 实验平台主体

3．1．2 供风系统

3．1．3 雾滴产生装置

3．2 测量仪器简介

3．3 测量方法和步骤

3．3．1 总除雾效率测量方法

3．3．2 分级除雾效率测量方法

3．3．3 测量步骤

3．4 本章小结

第四章 涡流除雾器与折流板除雾器的性能对比以及数学模型验证

4．1 计算条件

4．2 涡流除雾器模拟结果

4．3 折流板除雾器模拟结果

4．4 涡流除雾器与折流板除雾器的模拟结果对比

4．4．1 除雾器气相场对比

4．4．2 最大速度对比

4．4．3 总除雾效率和压降对比

4．4．4 分级除雾效率

4．5 数学模型验证

4．6 本章小结

第五章 不同参数对涡流除雾器性能的影响

5．1 计算工况

5．2 板间距对涡流除雾器性能的影响

5．2．1 板间距对流场的影响

5．2．2 板间距对总除雾效率和压降的影响

5．2．3 板间距对分级除雾效率的影响

5．3 挡板夹角对涡流除雾器性能的影响

5．3．1 挡板夹角对流场的影响

5．3．2 挡板夹角对总除雾效率和压降的影响

5．3．3 挡板夹角对分级除雾效率的影响

5．4 挡板长度对涡流除雾器性能的影响

5．4．1 挡板长度对流场的影响

5．4．2 挡板长度对总除雾效率和压降的影响

5．4．3 挡板长度对分级除雾效率的影响

5．5 缺口长度对涡流除雾器性能的影响

5．5．1 缺口长度对流场的影响

5．5．2 缺口长度对总除雾效率和压降的影响

5．5．3 缺口长度对分级除雾效率的影响

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

作者在校期间发表论文