在国家政策的要求下，为了实现烟气超洁净排放，电厂、水泥厂和陶瓷厂均对烟气净化装置进行升级改造．除雾器作为烟气净化的最后一道防线，其性能的好坏直接影响整个净化系统的成败[1-3]．如何提高除雾器的除雾性能，特别是对于超细雾滴的脱除成为当前研究的热点问题[4-5]．目前主要通过优化折流板来提升除雾性能．许多学者[6-11]通过不断优化折流板结构参数及添加扰流元件来提升除雾效率，但是对粒径小于20 μm的超细雾滴的脱除效果依然不够理想，对粒径为7.5~22.5 μm的雾滴去除效率只有30%左右[12]．除尘领域中利用离心作用来去除微细颗粒有着成熟的应用[13-15]．在除雾领域只有部分关于旋流板的研究中有所提及，结果表明在超细雾滴的脱除方面有显著效果，但是能耗较高[16-18]．数值模拟以节省时间、人力、物力和结果可靠等优点被广泛使用．有学者[19-21]研究了不同的数学模型对除雾器除雾性能仿真结果的影响，发现在欧拉-拉格朗日方法中，RSTM湍流模型配合增强壁面函数可以精准预测高流速下雾滴的除雾效率，特别是细雾滴，但是对于低流速下除雾效率预测偏差较大；而在一阶离散格式下k-ε湍流模型相比RSTM模型能够更加准确地预测不同流速下雾滴的除雾效率；使用discrete random walk(DRW)模型来修正湍流扩散能够精确预测雾滴的运动特性，特别是超细雾滴．针对现有折流板除雾器对超细雾滴(20 μm)的脱除效率低下，提出一种新型螺旋管式除雾器．采用欧拉-拉格朗日方法对螺旋管式除雾器内气液两相流动进行数值模拟．研究了高径比、翅片间隙和螺旋升角在不同流速下对雾滴分离特性的影响；同时将整个除雾器进行分区，分析了雾滴在各区域内的运动特性．1 物理模型1.1　研究对象根据实际工程中脱硫塔的常规尺寸，设计新型螺旋管式除雾器(见图1)，结构参数为：L1=200 mm，L2=200 mm，P=360 mm，H=700 mm，d=100 mm，D=350 mm．对单个除雾器内气液两相流动进行三维数值模拟．由内筒、外筒及导流翅片三部分组成，其中内筒为实体，且高度低于外筒．含液气体从入口进入，经过导流翅片形成旋流，并且在后续管道得到充分发展．在流动过程中，一方面雾滴直接撞击导流翅片被捕捉；另一方面，雾滴受到离心作用撞向外筒壁面而被捕捉．10.13245/j.hust.238545.F001图1螺旋管式除雾器结构为了研究除雾器中雾滴的运动和分离特性，将整个结构分为入口段、旋流产生段、旋流发展段、旋流充分发展段4个区域；内管壁面按照所在区域分为a，b，c；外管壁面分为A，B，C，E；翅片所有表面均为fin．1.2　网格无关性验证模型采用Fluent meshing进行网格划分，网格基本单元为多面体结构，近壁面网格均进行加密处理．选用总网格数分别为2.3×105，4.3×105，7.0×105，1.34×106和2.09×106进行独立性验证．当网格数从2.3×105增加到2.09×106时，压降一开始有0.07%的降低，随后一直呈上升趋势，且上升程度逐渐降低至0.19%；除雾效率则呈现先上升后下降，最后出现0.05%的上升．综合考虑计算精度和效率，最终本研究所涉及的所有模型选用总网格数为1.34×106进行网格划分．2 数学模型2.1　模型假设受数值计算条件的限制，在允许的误差范围内根据实际情况对模型作如下假设：除雾器内烟气流速非常低(≤6 m/s)，烟气视为不可压缩气体；考虑理想状况下气体流动参数与时间无关，视为定常流动；忽略烟气与雾滴的换热[23]；雾滴直径非常小，视为刚性均匀硬质球体，并用水滴代替，只考虑雾滴的重力与Saffman升力；不考虑雾滴与雾滴[30]、雾滴与壁面间相互作用[16]；雾滴碰到壁面即视为捕捉，从出口离开即视为逃逸．2.2　控制方程由于忽略了除雾器内烟气与雾滴的换热，因此无能量方程．连续性方程和N-S方程为∇V=0；ρ∂V∂t+(V∙∇)V=F-∇p+μ∇2V，式中：V为烟气速度矢量；F为质量力矢量；p为流体静压力；µ为烟气动力黏度；t为时间．对N-S方程进行雷诺平均求解，采用k-ε两方程模型对方程组进行封闭．湍流脉动动能k及湍流脉动动能耗散率ε方程为        ∂∂xj(ρkuj)=∂∂xjμ+μtσk∂k∂xj+μ∂ui∂xj∂ui∂xj+∂uj∂xi-ρε;       ∂∂xkρεuk=∂∂xkμ+μtσε∂ε∂xk+c1εkμ∂ui∂xj∂ui∂xj+∂uj∂xi-c2ρε2k,式中：u和x分别为速度和位置，下标i，j，k为哑标，符合爱因斯坦求和约定；c1和c2为常数，分别为1.44和1.92；σk和σε分别为对应于k和ε的湍流普朗特数，经验值分别为1.0和1.3；ρ为气体密度．基于拉格朗日坐标系下，雾滴的运动方程为dupdt=18μρpg2CDRe24(u+up)+gx(ρp+ρ)ρp+Fx，式中：u为气体流速；up为雾滴速度；ρp为雾滴密度；g为雾滴直径；CD为雾滴曳力系数；gx为重力加速度；Re为液滴相对烟气运动的相对雷诺数；Fx为作用在雾滴上的附加力，由于ρp/ρ1，因此仅考虑Saffman力[18]．2.3　边界条件与计算方法采用SimpleC算法进行求解压力与速度的耦合，动量方程、烟气湍流动能和湍流耗散率均采用二阶迎风格式离散．对连续相与离散相进行双向耦合计算，即考虑连续相与离散相之间的相互作用，更加符合实际流动情况．连续相参数设置如下：采用Realizable k-ε模型模拟烟气的湍流流动；烟气采用密度为1.093 kg/m3，黏度为1.795×10-5 kg/(m∙s)的不可压缩空气代替；烟气入口采用速度进口边界条件，为2~6 m/s，折算体积流量为0.176 7~0.530 1 m3/s，垂直于入口面进入除雾器；烟气出口采用压力出口边界条件，出口表压取0 Pa(操作压力为101 325 Pa)．离散相参数设置如下：采用DPM模型计算雾滴运动；雾滴采用密度为998.2 kg/m3的水滴代替；流速与烟气相同，采用surface喷射方式垂直于进口面喷入；质量流量为0.05 kg/s，折算体积流量为5.01×10-5 m3/s，因此雾滴体积分数9.45×10-5~2.84×10-4，符合DPM模型使用所要求的离散相体积分数低于10%；雾滴尺寸分布遵循Rosin-Rammler分布函数，粒径范围为2~80 µm，平均粒径为39.35 µm，分布系数为2.8；采用DRW模型修正湍流对雾滴运动的影响．2.4　除雾器性能指标以除雾器压降和除雾效率作为除雾器性能的评价指标．压降取除雾器进出口静压差，除雾效率η=min-moutmin，式中：min为入口雾滴质量流量；mout为出口雾滴质量流量．2.5　模型验证目前关于螺旋管式除雾器的实验研究较少．为了确保数值模拟中所使用的数学模型的正确性，选用流动特征相似的旋风分离器实验建立相同尺寸模型从压降和除雾效率两个指标进行模型验证[19]．数值模拟结果与实验结果对比如图2所示，∆p为压降．从图2可以看出：模拟结果的压降与实验结果符合，最大相对误差为6.09%，平均相对偏差为2.084%．当g3 µm时，模拟结果的除雾效率与实验结果误差较小；当g4 µm时，模拟结果的除雾效率整体低于实验结果．主要是由于实验中采用的雾滴为矿物油，可被除雾器所有壁面捕集；而数值模拟只将分离器底部沉降面设为捕捉面，因此模拟得到的效率会整体低于实验值．总体来说，模拟结果与实验结果比较符合，尤其是对于压降的预测十分准确，说明所使用的数学模型是可行的．10.13245/j.hust.238545.F002图2数值模拟结果与实验结果对比3 雾滴分离特性模拟结果分析分别对螺旋管式除雾器的高径比θ(θ=H/D)、翅片间隙δ、螺旋升角α(α=2P/[π(D+d-2δ)])3个结构参数进行单一变量研究．将雾滴粒径分为[2，10)，[10，20)，[20，30)，[30，50)，[50，80] μm共5个区间，得到不同结构参数下的分级除雾效率、总除雾效率与除雾器压降．3.1　高径比对除雾性能的影响图3列出了θ=1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，烟气流速U=2 m/s时的分级除雾效率，其中δ=25 mm，α=30°．10.13245/j.hust.238545.F003图3U=2 m/s时不同θ下的分级除雾效率从图3可以看出：随着θ的增加，各级除雾效率均有所提升，特别是对粒径低于20 μm的超细雾滴提升效果显著．当θ=3时，[2，10) μm的雾滴的除雾效率可提升至40.48%，[10，20) μm雾滴的除雾效率可提升至70.15%，对粒径高于50 μm的大雾滴的除雾效率可达到100%．当U从2 m/s增加到6 m/s时，[2，10) μm雾滴的除雾效率从38.32%增加到39.44%；[10，20) μm雾滴的除雾效率从54.65%增加到70.15%；[20，30) μm雾滴的除雾效率从71.42%增加到92.38%；[30，50) μm雾滴的除雾效率从88.32%增加到98.91%．在其他高径比下各粒径雾滴的效率增幅与此基本一致．由此可见：烟气流速对粒径高于10 μm的雾滴的除雾效率有显著提升，而对粒径低于10 μm的雾滴影响较小．这主要是因为粒径小的雾滴斯托克斯数小，对气流的跟随性较好，其在除雾器内的运动特性随流速的提升变化较小．图4给出了螺旋管式除雾器的总除雾效率(ηz)和压降(Δpz)随高径比和流速变化的规律．从图4可以看出：θ从1增加到2时，除雾器的总除雾效率在各流速下均有10%以上的提升；θ继续从2增加到3后最大提升只有3.64%．在θ从1变到3过程中，除雾器压降随流速降低了15.22%~38.69%．除雾效率提升是由于高径比增加，捕集段相对延长；同时直径相对降低，雾滴与壁面之间的碰撞行程缩短，更容易被捕集．而随高径比的增加增幅变缓主要是由于高径比较低时，中等粒径雾滴的除雾效率不高，因此提升高径比后，大量的中等粒径雾滴被捕集，从而大幅提升除雾效率．继续增加高径比对粒径较小的超细雾滴的捕集影响较小，总除雾效率增幅较小．由于流通面积减少，烟气流程缩短，沿程阻力降低，因此压降降低．10.13245/j.hust.238545.F004图4总除雾效率和压降随高径比和流速变化综上，θ=2.5可以获得相对最佳的除雾性能．此时，除雾效率可达91.04%，压降为70.19 Pa．3.2　翅片间隙对除雾性能的影响图5列出了δ=15，20，25，30，35 mm，U=2 m/s时雾滴的分级除雾效率，其中θ=2，α=30°．10.13245/j.hust.238545.F005图5U=2 m/s时不同δ下雾滴的分级除雾效率从图5可以看出：δ=15 mm时，各级除雾效率在不同流速下均达到最大值．粒径为[10，20)μm的超细雾滴在流速为6 m/s下的除雾效率高达73.04%；而[20，30)，[30，50) μm雾滴的除雾效率分别为96.58%和99.85%；[50，80] μm雾滴在流速为2 m/s下的除雾效率可达到100%．但是δ对粒径低于10 μm的超细雾滴的除雾效率影响较小，在33.98%~39.82%之间变化．这主要是因为翅片间隙减小后，经翅片产生旋流的烟气量增大，整体旋流强度增加，同时雾滴碰撞行程缩短，增加了雾滴与翅片和雾滴与壁面的碰撞几率，因此自身惯性较大的大粒径雾滴更容易被捕集；但粒径低于10 μm的超细雾滴惯性较小，惯性作用较弱，因此其效率无明显提升．图6给出了螺旋管式除雾器总除雾效率和压降随翅片间隙的变化规律．从图6可以看出：U=2~6 m/s，δ=35 mm时，总除雾效率最低为66.94%，最高为83.34%；当δ=15 mm时，总除雾效率最低为83.7%，最高可达94.25%，相对提升了25.04%和13.09%．当U=2m/s时，δ从35 mm减小到15 mm，相应地压降从9.43 Pa增加到15.64 Pa；当U=6 m/s时，压降由56.27 Pa增加到108.09 Pa，分别增加了65.85%和92.09%．减小翅片间隙可以有效提高除雾效率，但同时阻力损失也会剧增，特别是在高流速下增加近一倍．10.13245/j.hust.238545.F006图6总除雾效率和压降随翅片间隙的变化综上，δ=20 mm可获得相对最佳的除雾性能．此时，除雾效率可达92.54%，压降为91.85 Pa．3.3　螺旋升角对除雾性能的影响图7为α=25°，30°，35°，40°，45°，U=2 m/s时雾滴的分级除雾效率．其中θ=2，δ=25 mm．10.13245/j.hust.238545.F007图7U=2 m/s时不同α下雾滴的分级除雾效率从图7可以看出：g≤10 μm超细雾滴的除雾效率随螺旋升角从45°减小到25°最大提升只有1.44%；对于g≥50 μm的大雾滴的提升则可达4.23%．前者主要是因为螺旋升角在所选范围内变化对于旋流强度的影响较小，很难破坏雾滴对烟气的强跟随性．后者则是由于大粒径雾滴主要依靠惯性碰撞捕集，而螺旋升角的改变主要影响的是离心作用，因此对其捕集效率的提升不大．在低流速下(≤4 m/s)，螺旋升角对30~50 μm的雾滴捕集效率可增加6.75%；在高流速下(4 m/s)，则只提升0.75%．初步分析是由于在低流速下，离心作用对中等粒径雾滴运动轨迹的影响强于惯性作用，离心作用的增加可给除雾效率带来明显提升；而在高流速下，雾滴的惯性作用占主导地位，离心作用的改变对除雾效率影响较小．图8给出了不同的螺旋升角对螺旋管式除雾器总除雾效率和压降的影响．从图8中可以看出：在各流速下，α=25°与α=30°的总除雾效率基本相同，而压降从12.05~77.77 Pa增加至14.31~97.5 Pa，相对增加了18.76%~25.37%．α=45°时除雾效率最低，为69.6%~85.74%，相对α=25°降低了3.8%~7.96%；α=45°时的压降为7.93~39.02 Pa，相对α=25°降低了44.58%~59.98%．除雾器设计选型时应注重螺旋升角的选择，综合考虑经济性和效率．10.13245/j.hust.238545.F008图8不同的螺旋升角对总除雾效率和压降的影响综上，α=35°可以获得相对最佳的除雾性能．此时，除雾效率可达88.98%，压降为61.41 Pa．3.4　性能对比分析根据郝雅洁等[9]对折流板除雾性能的研究结果进行比较分析，发现：在相同工况下，折流板除雾器对粒径为10和16.3 μm的超细雾滴的除雾效率最高，分别为8%和20.3%；而新型螺旋管式除雾器对于[2，10) μm和[10，20) μm范围内超细雾滴的除雾效率最高，分别为40.48%和73.04%，提升了约32%和53%．由此可见：该新型螺旋管式除雾器对超细雾滴的脱除性能远高于折流板除雾器．4 雾滴运动特性模拟结果分析将所捕获的雾滴按粒径分为[2，10)，[10，20)，[20，30)，[30，50)和[50，80] μm，分析基础型螺旋管式除雾器内雾滴在各区域的运动特性．流速为4 m/s时，A，B，C，E，a，b，c和fin区域所捕集的雾滴数量占进口雾滴总数量的比例分别为2.99%，29.1%，18.17%，18.55%，0.73%，0.19%，0.28%和11.82%．内管壁面a，b，c区域内雾滴的数量份额远小于其他区域，因此将整个内管壁面合并成一个区域in．图9展示了基础型螺旋管式除雾器6个壁面区域对不同粒径范围雾滴的捕集效率．从图9可以看出：B，C，E为雾滴的主要捕集壁面，对于[2，10) μm的雾滴，3个区域所捕集效率达25.56%，[10，20) μm的雾滴为49.25%；20 μm的雾滴达70%以上．因为在B区域之前，烟气流动平滑，无径向速度；进入B区域后，烟气经翅片导流产生径向速度，轴向速度也得到提升，增强了超细雾滴的随机运动能力和大粒径雾滴的惯性碰撞能力，所以这3个区域对各粒径范围的雾滴的捕集能力均远强于其他区域．10.13245/j.hust.238545.F009图96个壁面区域对不同粒径范围雾滴的捕集效率E区域对粒径低于30 μm的雾滴捕集效果要强于B区域．这主要是由于粒径较小的雾滴气流跟随性较好，需要较大的离心作用才能分离．B区域为旋流产生区域，E区域为旋流充分发展区域，E区域离心作用高于B区域，更容易捕捉细雾滴．大粒径雾滴则主要依靠惯性作用捕集，因此在B区域经翅片导流改变烟气流动方向后，惯性撞击壁面而被大量捕集．翅片fin区域主要捕集50 μm以上的雾滴，螺旋管入口段A区域和内管in区域对2~80 μm雾滴的捕集效果均不佳．这是因为入口段烟气无扰动，进入旋流段后，离心作用将雾滴推向外管壁面，导致入口段和内管除雾效果差．5 结论a．提高流速对粒径高于20 μm的雾滴的脱除能力有明显提升，但对粒径低于20 μm的超细雾滴的脱除影响较小．b．增加高径比和减小翅片间隙均能显著提高除雾效率，超细雾滴(20 μm)的除雾效率最高可达73.04%；螺旋升角对除雾效率影响较小，但压降对其较为敏感．c．螺旋管式除雾器的核心捕集区域为旋流段的外管壁面．细雾滴的捕集则主要依靠旋流产生区域和旋流充分发展区域．d．雾滴的脱除主要依靠惯性作用和离心作用，两者所起作用随雾滴粒径有所区别．对超细雾滴(20 μm)，离心作用占据主导地位；对于中等粒径([20，50) μm)的雾滴，低流速下离心作用占据主导地位，高流速下惯性作用占据主导地位；对于大雾滴(≥50 μm)，惯性作用占据主导地位．