船用脫硫塔在不同進(jìn)氣方式下的數(shù)值模擬

夏同友

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院 中國(guó) 上海 200135）

0 引言

海水法煙氣脫硫主要是利用海水中的堿性進(jìn)行脫硫[1]。海水的PH值一般在 7.6-8.3，堿度（CO32-、HCO3-)為 2.0-2.8mg/L。 煙氣中的 SO2被海水吸收而轉(zhuǎn)化為HSO3-和SO32-,在空氣的氧化作用下轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，吸收二氧化硫后的酸性水被碳酸鹽和碳酸氫鹽中和產(chǎn)生碳酸，然后分解產(chǎn)生二氧化碳被空氣趕走[2]。

船用海水脫硫工藝如圖1所示[3]，其中的常用設(shè)備是噴淋脫硫塔即圖示吸收塔。本課題組實(shí)驗(yàn)所用的脫硫塔如圖2所示：海水通過一離心泵送至一定高度的噴淋層，再由噴嘴向下噴淋形成許多分散的小水珠往下掉落，與同時(shí)由底層進(jìn)入的逆流向上的柴油機(jī)煙氣充分接觸，經(jīng)過一段時(shí)間的接觸后，海水吸收煙氣中的二氧化硫。該工藝因海水資源豐富，以及其工藝脫硫效率高，所以用于船舶尾氣脫硫的前景非常廣闊。而該噴淋塔因內(nèi)部構(gòu)件少，不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)，必將成為該工藝的主要塔型。

圖1 海水脫硫工藝

圖2 脫硫塔

影響脫硫塔設(shè)計(jì)和脫硫效率的關(guān)鍵因素是塔內(nèi)復(fù)雜的流場(chǎng)，對(duì)于脫硫塔這一反應(yīng)器，僅靠實(shí)驗(yàn)不僅浪費(fèi)大量的人力和物力，并且難以準(zhǔn)確揭示塔內(nèi)的流場(chǎng)分布規(guī)律，因此數(shù)值模擬為脫硫塔煙氣流動(dòng)規(guī)律的找尋以及塔的設(shè)計(jì)方面提供有力的幫助。

1 脫硫塔的建模

1.1 本課題組實(shí)驗(yàn)所用的脫硫塔的基本參數(shù)如表1。

1.2 煙氣流動(dòng)的數(shù)值模型

1.2.1 基本假設(shè)

表1

（1）柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣，看作不可壓縮牛頓粘性流體，忽略溫度變化對(duì)煙氣密度以及速度的影響。

（2）忽略脫硫噴淋塔內(nèi)噴嘴、管路等阻件對(duì)氣相流場(chǎng)流動(dòng)的影響。

（3）假定整個(gè)脫硫噴淋塔的塔壁為絕熱表面，對(duì)流以及熱交換僅在煙氣和噴淋漿液滴之間發(fā)生。

（4）將收斂精度設(shè)定為1e-6，用于定性的分析是足夠精確的。

（5）模擬三維、定常不可壓縮流動(dòng)，湍流是各項(xiàng)同性。

1.2.2 數(shù)值模型選擇

鑒于脫硫塔內(nèi)的流動(dòng)是三維湍流問題的復(fù)雜性，本文采用的是應(yīng)用比較多的帶旋流修正的k-epsilon（2eqn)模型。湍流動(dòng)能方程k,和擴(kuò)散方程e：

方程中Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，YM由于在可壓縮湍流種，過度的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)，C1、C2、C3是常量，σk和 σe是 k 和 e 方程的湍流 prandl數(shù)，Sk和 Se是用戶定義的。 湍流速度模型中速度ut是由下式確定：μt＝ρCμ，C1e=1.44，C2e=1.92，Cu=0.09，σk=1.0，σe=1.3。

圖3 切向進(jìn)氣迭代示意圖!1938 Solution is converged

圖4 垂直進(jìn)氣迭代示意圖!2921 Solution is converged

2 噴淋塔流場(chǎng)數(shù)值模擬

本文利用先用GAMBIT軟件對(duì)煙氣切向進(jìn)入和垂直進(jìn)入兩種類型的脫硫塔進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件：入口設(shè)為壓力進(jìn)口，表壓設(shè)為691Pa,湍動(dòng)強(qiáng)度設(shè)1%，水力直徑設(shè)0.14米，出口為壓力出口，壓力設(shè)為0Pa,湍動(dòng)強(qiáng)度設(shè)1%，水力直接設(shè)為0.2米。FLUENT軟件對(duì)煙氣切向和垂直兩種方式進(jìn)氣脫硫塔的塔內(nèi)流程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。選擇連續(xù)相模型和顯式差分格式，運(yùn)用SIMPLE算法求解k-ε雙方程模型，模擬脫硫塔內(nèi)的流場(chǎng)分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 迭代計(jì)算比較

從以上（圖3、圖4）計(jì)算結(jié)果比較中，我們發(fā)現(xiàn)：在相同邊界條件設(shè)置下，切向進(jìn)氣1938步收斂，而同樣邊界條件的垂直進(jìn)氣要2921步才收斂，顯然切向進(jìn)氣更容易收斂。

3.2 內(nèi)部速度場(chǎng)比較

圖5 切向進(jìn)氣y=0剖面速度云圖

圖6 垂直進(jìn)氣y=0剖面速度云圖

圖7 切向進(jìn)氣z=0.5剖面速度云圖

圖8 垂直進(jìn)氣z=0.5剖面速度云圖

從以上圖5—圖8的對(duì)比可以看出，切向進(jìn)氣時(shí)，氣體順時(shí)針方向進(jìn)入塔內(nèi)，在水平方向，速度沿著徑向（從中心到塔壁）逐漸增大，在垂直方向，由下到上逐漸增加。廢氣流動(dòng)狀態(tài)的變化趨勢(shì)：由截面水平切向流速大于垂直流速，旋流為主，上升流為輔；變化為垂直流速大于水平切向流速，上升流為主，旋流為輔。塔內(nèi)紊流強(qiáng)度變化趨勢(shì)為：沿著塔高方向逐漸減弱并在塔內(nèi)形成了明顯的紊流強(qiáng)度不同的區(qū)域[4]。垂直進(jìn)氣時(shí)，氣體進(jìn)入塔內(nèi)，迅速穿過進(jìn)氣平面到達(dá)對(duì)面的塔壁，沿塔壁一部分上升，大部分向下流動(dòng)，上部大部分區(qū)域湍流強(qiáng)度很弱。相比較切向進(jìn)氣，顯然這是不利于噴淋時(shí)氣液的摻混。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)中脫硫塔采用煙氣切向進(jìn)入的方式設(shè)計(jì)進(jìn)口。取出塔內(nèi)相關(guān)附件，進(jìn)行空塔運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)氣管中心風(fēng)速32m/s，記平均速度為16m/s,進(jìn)口壓力控制在691Pa，確保實(shí)驗(yàn)和模擬的邊界條件一致。塔內(nèi)風(fēng)速采用德圖風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)口壓力采用testo-350儀器測(cè)定。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，圖9、圖10、圖11分別是如風(fēng)口處、距入風(fēng)口0.4米以及距入風(fēng)口0.8米高斷面上塔內(nèi)氣體流速的測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果的比較，從圖中數(shù)據(jù)可知，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，說明CFD模擬具有較高的準(zhǔn)確性，可以用來進(jìn)行進(jìn)氣方式優(yōu)化選擇[5]。

圖9 z=0.5斷面

圖10 z=0.9斷面

圖11 z=1.3斷面

5 結(jié)論

5.1 脫硫塔煙氣切向進(jìn)入有利于塔內(nèi)氣流場(chǎng)分布，噴淋層設(shè)置有規(guī)律可循，同時(shí)均勻流場(chǎng)為噴淋狀態(tài)下海水液滴于煙氣的充分接觸，以及為脫硫效率的提高創(chuàng)造良好的條件。而垂直進(jìn)氣時(shí)因大部分氣體沿對(duì)面塔壁上升，塔內(nèi)流場(chǎng)分布嚴(yán)重不均，噴淋層不好設(shè)置，氣液也難以充分混合，這必然影響脫硫效率的提高。故切向進(jìn)氣為海水脫硫工藝比較理想的一種進(jìn)氣方式。

5.2 用數(shù)值模擬的方法可以為脫硫塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

［1］張志紅,唐茂平.漳州后石電廠6*600MW超臨界機(jī)組海水脫硫工藝介紹[J].中國(guó)電力,2002(2).

［2］陳偉洪,等.海水法煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)[J].石油化工技術(shù)經(jīng)濟(jì),2007,04-0034-04.

［3］馬義平,許樂平.海水脫硫在船舶硫氧化物排放控制上的應(yīng)用[J].船舶工程.

［4］李國(guó)誠(chéng).船用脫硫塔的數(shù)值模擬研究[D].上海:上海海事大學(xué),2012.

［5］張玉君,等.湍球塔氣流入口方式的CFD模擬[J].廣州化工,2010,38(2):172-173.