循環(huán)流化床煙氣脫硫塔內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)數(shù)值模擬

李少華，羅坤，王虎

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝大多為引進(jìn)技術(shù)［1－4］，但是存在諸多問(wèn)題，因此對(duì)煙氣循環(huán)流化床脫硫技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究有重要的意義。影響循環(huán)流化床脫硫率的最大因素之一就是氣液固三相是否能夠有效均勻的混合反應(yīng)［5－7］。本文是以某熱電有限公司所使用的循環(huán)流化床脫硫塔為研究對(duì)象，采用FLUENT軟件來(lái)模擬脫硫塔內(nèi)部流場(chǎng)的變化情況，主要是關(guān)注于氣液兩相流，不考慮固體脫硫劑的噴入情況，只考慮被處理煙氣與霧化水混合的流場(chǎng)情況，即不帶化學(xué)反應(yīng)的氣液兩相流動(dòng)［8－10］。分析其工作原理以及過(guò)程，對(duì)脫硫塔內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究。

1 數(shù)學(xué)模擬平臺(tái)的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

為了更好地研究氣液兩相的流場(chǎng)，省略了固體脫硫劑的加入。為了計(jì)算方便，對(duì)模擬段進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，如圖1所示。

圖1為模擬時(shí)所用的模型，以某熱電有限公司脫硫塔為原型進(jìn)行簡(jiǎn)化，煙氣入口為文丘里擴(kuò)充段，假設(shè)煙氣在文丘里段已經(jīng)流動(dòng)均勻?；緟?shù)如下:

圖1 脫硫塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 脫硫塔簡(jiǎn)化后尺寸

1.2 邊界條件

本文在模擬過(guò)程中對(duì)邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，入口氣流為空氣，壁面采用無(wú)滑移壁面邊界條件，主流采用空氣。

(1)脫硫塔入口邊界條件:采用速度入口邊界條件，入口邊界上的氣速、水速根據(jù)運(yùn)行參數(shù)確定。氣體速度為8.2 m/s，霧化水的速度為0.035 m/s。

(2)脫硫塔出口邊界條件:出口邊界條件取為壓力出口條件。

(3)脫硫塔壁面邊界條件:固體壁面采用無(wú)速度滑移、無(wú)質(zhì)量滲透邊界條件。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 脫硫塔縱向速度分布

圖2(a)為脫硫塔內(nèi)部Y=0面上速度變化示意圖。從圖中可以看出速度隨著高度的上升，有逐漸降低的趨勢(shì)，到達(dá)30 m處速度降到最低。因?yàn)楫?dāng)熱煙氣進(jìn)入脫硫塔的時(shí)候，在文丘里擴(kuò)充段遇到了帶有速度的霧化水，此時(shí)噴嘴的布置方式是45度角，即順流布置，來(lái)流煙氣與霧化水同方向向上運(yùn)動(dòng)，所以速度有所上升，在10 m左右速度有一個(gè)較高值，但是隨著高度的增加，速度逐漸下降，到脫硫塔出口處回到最小值。如圖2(b)所示，為X=0面上的速度變化示意圖，從圖中可以看出在X=0面上，速度分布也很不均勻，偏向X軸負(fù)方向。因?yàn)檫M(jìn)入脫硫塔的煙氣在X=0這個(gè)中心面上遇到噴出的霧化水，氣流受到擾動(dòng)偏向了X軸負(fù)方向。

圖2 (a)Y=0的速度變化等值線圖

圖2 (b)X=0的速度變化等值線圖

2.2 脫硫塔橫向速度分布

圖3 (a)Z=0時(shí)速度分布等值線圖

圖3 (b)Z=15時(shí)速度分布等值線圖

圖3 (c)Z=20時(shí)速度分布等值線圖

圖3 (d)Z=30時(shí)速度分布等值線圖

圖3(a)到圖3(d)為模擬松花江熱電有限公司的脫硫塔所得到的結(jié)果，分別是不同橫截面上的速度分布。從圖中我們可以看出，不同橫截面速度會(huì)有不一樣的分布。Z=0 m時(shí)左側(cè)速度較右側(cè)大，那是因?yàn)閬?lái)流氣體遇到霧化水，霧化水的噴出方向?yàn)?5度，霧化水的噴出改變了氣體的流動(dòng)方向，對(duì)左側(cè)沖刷較嚴(yán)重，所以左側(cè)速度較大。隨著高度的增加，氣體與噴出的霧化水逐漸混合，分布趨于均勻，到達(dá)Z=30 m處，即脫硫塔出口處，出口兩側(cè)速度大致相同。

從圖4中更容易看出不同橫截面上在中心處的速度分布以及隨著高度變化的趨勢(shì)。Z=0 m的時(shí)候，速度正處于最高值，左側(cè)壁面由于噴嘴布置角度原因速度比右側(cè)壁面速度大。到達(dá)Z=15 m的時(shí)候速度有了明顯的降低，靠近左側(cè)壁面的速度高峰慢慢有向右側(cè)偏移的趨勢(shì)。到達(dá)Z=20 m的時(shí)候速度波動(dòng)比較明顯，那是因?yàn)闅饬鞣较蛟诖颂幱邢蛴覀?cè)偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，可以明顯的看到右側(cè)壁面的速度高于左側(cè)壁面。到達(dá)Z=30 m的時(shí)候速度波動(dòng)就不那么明顯，逐漸趨于平和與一致。

圖4 不同橫截面上中心速度分布圖

2.2 脫硫塔縱向溫度分布

從圖中可以看出，塔內(nèi)溫度場(chǎng)變化不劇烈，溫差也不大，噴嘴的加入對(duì)氣流溫度影響也不太大，只是在脫硫塔中部有少許變化，即降低了少許溫度。從圖中可以明顯的看出脫硫塔進(jìn)出口溫差不大，脫硫塔出口溫度為100℃，有關(guān)研究表明出口煙溫越高，絕熱飽和溫差越大，則煙氣中含濕量越小，越不易于脫硫化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行;出口煙溫越低，絕熱飽和溫差越小，越有益于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，但容易粘壁腐蝕。在設(shè)計(jì)脫硫塔，布置噴嘴的時(shí)候應(yīng)該同時(shí)考慮易于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行以及避免粘壁腐蝕。

圖5 (a)Y=0的溫度變化等值線圖

圖5 (b)X=0的溫度變化等值線圖

2.3 脫硫塔橫向溫度分布

圖6(a)和圖6(d)為當(dāng)Z=0以及Z=15時(shí)的橫截面上溫度分布。從圖中可以看出在Z=0面上，右側(cè)的溫度有些許降低，這是因?yàn)槌仂F化水與熱的氣體混合，霧化水的噴出方向是沖著左側(cè)的，所以右側(cè)水量較充足，隨著霧化水的噴出，受到熱煙氣的蒸發(fā)作用，所以左側(cè)溫度會(huì)比右側(cè)溫度稍高。高溫?zé)煔鈹y帶者常溫的霧化水在塔內(nèi)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)Z=15 m處，左側(cè)壁面溫度稍微有所降低。

從圖6(a)到圖6(d)中可以看出，隨著高度的增加，溫度變化始終不明顯且塔體左側(cè)溫度較右側(cè)較高。噴嘴45度角布置不能很好的使得高溫?zé)煔庥兴禍囟覍?duì)左側(cè)壁面的沖刷比右側(cè)壁面嚴(yán)重。

圖6 溫度分布等值線圖

3 脫硫塔數(shù)值模擬的可行性分析

本文選取了三個(gè)工作日內(nèi)同一時(shí)間上的溫差壓差與模擬值相對(duì)比。三個(gè)工作日內(nèi)，13時(shí)的處理煙氣量與噴水量如表2所示，模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)比的表如表3所示。從表中可以看出，實(shí)測(cè)值與模擬值的溫差相差不多，這是因?yàn)殪F化水本身就有降低煙溫的作用，同時(shí)氣固兩相以及液固兩相的相關(guān)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱量不大。但是由于沒(méi)有固體脫硫劑的加入，壓降有了明顯的降低。所以本文所用模型可以較好的模擬出脫硫塔內(nèi)部流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的變化情況。

表2 工作日內(nèi)測(cè)量值

表3 實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比

3 結(jié)論

(1)通過(guò)采用數(shù)值模擬的方法分析了實(shí)際運(yùn)行的脫硫塔內(nèi)部速度場(chǎng)分布、溫度場(chǎng)分布以及湍流強(qiáng)度，模擬值和實(shí)測(cè)值吻合較好，為脫硫塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

(2)噴嘴角度為45度，對(duì)來(lái)流氣體有向左側(cè)沖擊的趨勢(shì)，進(jìn)入塔體的氣流受到噴入水的影響，向左側(cè)偏移，且對(duì)左側(cè)壁面沖刷腐蝕較為嚴(yán)重;脫硫塔進(jìn)出口煙氣溫差不太理想;左側(cè)壁面的湍流強(qiáng)度高于右側(cè)壁面，湍流強(qiáng)度變化不規(guī)律。

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