基于正交设计的旋流管式除雾器性能的数值分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220655

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (6): 89-96.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220655

所属专题： 2023年能源、动力与电气工程

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基于正交设计的旋流管式除雾器性能的数值分析

刘定平张向阳陈爱桦王海何文浩

华南理工大学电力学院/广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东广州 510640

收稿日期:2022-10-11 出版日期:2023-06-25 发布日期:2023-01-16
通信作者: 刘定平（1965-），男，博士，教授，主要从事能源清洁与转化研究。 E-mail:liudingping@126.com
作者简介:刘定平（1965-），男，博士，教授，主要从事能源清洁与转化研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51676072)

Numerical Analysis of Performance of Cyclone-Tube Demister Based on Orthogonal Design

LIU Dingping ZHANG Xiangyang CHEN Aihua WANG Hai HE Wenhao

School of Electric Power Engineering/Key Laboratory of Efficient and Clean Utilization of Guangdong Province，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China

Received:2022-10-11 Online:2023-06-25 Published:2023-01-16
Contact: 刘定平（1965-），男，博士，教授，主要从事能源清洁与转化研究。 E-mail:liudingping@126.com
About author:刘定平（1965-），男，博士，教授，主要从事能源清洁与转化研究。
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51676072)

摘要/Abstract

摘要：

随着国家工业烟气排放要求日益严格，针对折流板除雾器对粒径小于20 μm的微细雾滴去除效率低的问题，设计了一种新型旋流管式除雾器。采用欧拉-拉格朗日的方法，对旋流管式除雾器内烟气的流动进行数值模拟，使用刚性球形水滴代替雾滴，采用RNG k-ε模型和离散相模型（DPM）模型进行连续相和离散相的交替耦合计算；研究了不同流速下旋流管式除雾器性能的变化；并在基于正交设计的模拟实验下研究旋流管式除雾器结构参数对除雾性能的影响。对基础结构旋流管式除雾器的模拟结果表明：在3~7 m/s的流速下对直径大于20 μm的雾滴去除效率在99%以上；对直径在10~20 μm的雾滴去除效率在86.5%以上；对直径在2~10 μm的雾滴去除效率在51.3%以上；压降61.4~321.3 Pa，对微细雾滴的去除效率有显著提升。通过分析正交模拟试验结果，得到扭转角度（a）的增大和单管直径（d）的减小有利于提高雾滴的去除效率；随着a的增大、d的增大、H的减小会加大烟气流过除雾器的压降；得出了参数范围内以2~10 μm除雾效率为指标的最佳结构d=100 mm，H=2 000 mm，a=900°；以10~20 μm除雾效率为指标的最佳结构d=100 mm，H=1 600 mm，a=900°；以除雾器进出口压降为指标的最佳结构d=100 mm，H=2 400 mm，a=540°。本研究所提出的旋流管式除雾器能够显著提升微细雾滴的去除效率，对工业烟气的超洁净排放有着重要意义。

关键词: 旋流管式除雾器, 除雾性能, 气液两相流, 数值模拟, 正交实验

Abstract:

Facing the increasingly strict requirements of industrial flue gas emission in China, this paper designed a new type of cyclone-tube demister to overcome the low removal efficiency of fine droplets that particle size less than 20 μm by wave-plate demister. The flow of flue gas in the cyclone tube demister was numerically simulated by using Euler-Lagrangian method, using rigid spherical water drops instead of fog drops. And the RNG k-ε model and DPM model were used for the alternating coupling calculation of continuous phase and discrete phase. The performance changes of the cyclone-tube demister under different flow velocities were studied. Based on the simulation experiment of orthogonal design, the influence of the structural parameters of the cyclone-tube demister on the demisting performance was studied. The simulation results of basic structure cyclone-tube demister show that, under the flow rate of 3~7 m/s, the removal efficiency of droplets with diameter greater than 20 μm is more than 99%; the removal efficiency of droplets with a diameter of 10~20 μm is above 86.5%; the removal efficiency of droplets with a diameter of 2~10 μm is above 51.3%; when the pressure drop is 61.4~321.3 Pa, it can significantly improve the removal efficiency of fine droplets. By analyzing the results of orthogonal simulation test, it is found that the increase of a and the decrease of d are beneficial to improve the removal efficiency of droplets. With the increase of a, d and H, the pressure drop of flue gas flowing through the demister will be increased. The optimum structure with demister efficiency of 2~10 μm as index is d=100 mm, H=2 000 mm, a=900°, the optimum structure with demister efficiency of 10~20 μm as index is d=100 mm, H=1 600 mm, a=900°, the optimum structure with the pressure drop as index d=100 mm, H=2 400 mm, a=540° are obtained. The cyclone-tube demister proposed in this study can significantly improve the removal efficiency of fine droplets, which is of great significance to the ultra clean emissions of coal-fired power plants.

Key words: cyclone-tube demister, demisting performance, gas-liquid flow, numerical simulation, orthogonal test

中图分类号:

TQ028.8

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图/表 10

图1

表1

图2

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图5

表2

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表5

参考文献 29

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结构参数	取值		取值
L₁	200 mm	D	500 mm
L₂	200 mm	x	0.75d
H	2 000 mm	a	720°
d	200 mm

试验号	影响因素				模拟结果
试验号	d/mm	H/mm	a/（°）	Ω	η_2~10/%	η_10~20/%	压降/Pa
1	100	2 000	720	5	64.86	95.06	96.13
2	100	1 800	630	3	59.40	93.93	93.37
3	150	2 000	540	4	57.07	91.80	94.42
4	200	1 600	630	4	46.42	91.52	183.76
5	250	2 000	630	2	55.81	92.71	186.84
6	200	2 400	540	2	53.62	88.34	98.99
7	200	2 000	810	3	54.93	94.91	207.00
8	250	2 200	720	4	57.93	95.37	202.12
9	300	2 200	540	3	48.46	85.18	178.90
10	150	2 200	630	1	51.44	90.51	99.45
11	200	2 200	900	5	57.11	95.47	213.36
12	250	1 600	900	3	58.45	97.97	481.45
13	300	1 800	810	4	57.30	97.14	438.05
14	300	2 000	900	1	60.35	97.65	441.09
15	150	2 400	720	3	52.78	92.27	107.45
16	300	2 400	630	5	52.71	90.19	186.72
17	100	2 200	810	2	66.54	95.94	102.84
18	100	2 400	900	4	70.70	96.28	108.75
19	100	1 600	540	1	53.90	91.98	85.27
20	250	2 400	810	1	60.44	96.15	223.14
21	300	1 600	720	2	53.85	96.02	439.58
22	150	1 800	900	2	63.20	97.54	195.35
23	200	1 800	720	1	61.14	97.13	196.36
24	250	1 800	540	5	40.51	84.10	178.04
25	150	1 800	810	5	58.57	96.65	192.15

分析参数	d	H	a	Ω
κ₁	315.40	271.19	253.56	287.27
κ₂	283.06	281.55	265.78	293.02
κ₃	273.22	293.02	290.56	274.02
κ₄	273.14	281.48	297.78	289.42
κ₅	272.67	290.25	309.81	273.76
z₁	63.080	54.238	50.712	57.454
z₂	56.612	56.310	53.156	58.604
z₃	54.644	58.604	58.112	54.804
z₄	54.628	56.296	59.556	57.884
z₅	54.534	58.050	61.962	54.752
R	42.73	21.83	56.25	19.26
排秩	2	3	1	4

分析参数	d	H	a	Ω
κ₁	473.19	474.15	441.40	473.42
κ₂	468.78	469.85	458.86	470.57
κ₃	467.37	472.13	475.86	464.26
κ₄	466.30	462.47	480.79	472.11
κ₅	466.19	463.23	484.920	461.47
z₁	94.638	94.830	88.280	94.684
z₂	93.756	93.970	91.772	94.114
z₃	93.474	94.426	95.172	92.852
z₄	93.260	92.494	96.158	94.422
z₅	93.238	92.646	96.984	92.294
R	7.00	11.68	43.52	11.95
排秩	4	3	1	2

分析参数	d	H	a	Ω
κ₁	486.36	1 382.21	635.62	1 045.31
κ₂	688.82	1 101.17	750.14	1 023.60
κ₃	899.47	1 025.48	1 041.64	1 068.17
κ₄	1 271.59	796.67	1 163.18	1 027.10
κ₅	1 684.34	725.05	1 440.00	866.40
z₁	97.272	276.442	127.124	209.062
z₂	137.764	220.234	150.028	204.720
z₃	179.894	205.096	208.328	213.634
z₄	254.318	159.334	232.636	205.420
z₅	336.868	145.010	288.000	173.280
R	1 197.98	657.16	804.38	201.77
排秩	1	3	2	4

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Numerical Analysis of Performance of Cyclone-Tube Demister Based on Orthogonal Design

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