矩形截面噴淋塔的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計

洪文鵬，裴彩鋒，劉廣林

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

近年來，我國火力發(fā)電廠建設(shè)得到迅猛發(fā)展，隨著我國煤炭等能源資源緊缺，人們節(jié)能降耗意識的日益增強.國家政策對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高。目前，我國發(fā)電能源構(gòu)成中還是以煤為主(占80%)，雖然今后將大力開發(fā)西部水電資源，但預(yù)測在本世紀(jì)30-40年內(nèi)以煤為主的結(jié)構(gòu)還不會改變。到2020年全國總裝機容量將達(dá)到9.5億千瓦左右，發(fā)電量將達(dá)到42000億千瓦時左右，其中火電裝機比重仍然占70%?；痣姍C組在為人們提供電和熱的同時，產(chǎn)生了大量的廢棄物，嚴(yán)重污染環(huán)境。氨法脫硫技術(shù)是以氨作為吸收劑脫除燃煤煙氣中的二氧化硫，具有脫硫成本隨煤的含硫量增加而下降、裝置阻力小、工藝節(jié)能優(yōu)化、脫硫裝置可靠、裝置配備設(shè)備少、既脫硫又脫硝等優(yōu)勢，在電廠脫硫行業(yè)中逐漸開始應(yīng)用［1-2］。

噴淋塔是氨法脫硫設(shè)備的主體，塔內(nèi)流場的優(yōu)劣直接影響脫硫效率與運行成本［3］。目前，我國尚無噴淋塔設(shè)計與制造標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的研究主要是針對截面為圓形的噴淋塔，截面為矩形的噴淋塔少見研究與應(yīng)用。由于矩形截面的噴淋在外部結(jié)構(gòu)建造及內(nèi)部設(shè)備吊運安裝上比較簡便，矩形截面的脫硫塔在國外的大機組上已有應(yīng)用。本文利用流體計算軟件(CFD)Fluent對幾種長寬比不同的矩形截面噴淋塔內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，以其為矩形截面噴淋塔的優(yōu)化設(shè)計作出研究。

1 模擬對象及基本參數(shù)

1.1 模擬對象

由當(dāng)前研究成果得知，煙氣進(jìn)入噴淋塔內(nèi)主要受進(jìn)氣口對面及兩側(cè)的墻壁限制，噴淋塔截面的形狀對煙氣流場有直接影響［4］;因此，本文以某電廠圓柱形噴淋塔為參照對象，建立截面積、高度相同，截面長寬比不同的矩形截面噴淋塔。噴淋塔采用氨水立式噴淋，煙氣入口垂直于塔體，無導(dǎo)流板等優(yōu)化措施，煙氣從下部進(jìn)氣口進(jìn)入，經(jīng)過噴淋后從上部流出的方式。針對相同負(fù)荷下、噴淋層雙開的方式，考查截面長寬比不同的噴淋塔的煙氣流場。噴淋塔漿液池液面以上部分見圖1［5］。

圖1 三種噴淋塔模型

1.2 噴淋塔的基本參數(shù)

表1 噴淋塔的基本參數(shù)

2 模型簡化與數(shù)值模擬方法

2.1 模型簡化與假設(shè)

(1)將煙氣視為不可壓縮牛頓流體;

(2)假設(shè)漿液滴為球形，不考慮漿液滴的碰撞、破碎及聚并;

(3)不考慮煙氣與液滴之間的傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng);

(4)不考慮煙氣中的硫化物與氨水液滴之間的化學(xué)反應(yīng)。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 基本控制方程

采用歐拉法將煙氣處理為連續(xù)相對其進(jìn)行描述。基于上述假設(shè)與簡化，不可壓煙氣流場的連續(xù)控制方程可表示為［6］:

3.2 動量守恒方程

式(2)-式(4)中p為靜壓，ρ為煙氣密度，V為煙氣的速度，F(xiàn)x、Fy、Fz為漿液滴對煙氣流場的反作用力。采用時均方法可將式(2)-式(4)處理為雷諾平均的Navier-Stokes方程。

3.3 液滴顆粒運動方程

采用拉格朗日法來描述液滴的運動，即選用Discrete Phase Models(DPM)模型來跟蹤液滴運動。吸收塔內(nèi)的漿液液滴受到諸如重力、曳力、浮力等力的作用，本文主要考慮重力和曳力對液滴的作用，液滴顆粒的運動方程可表示為:

式中:FD(ug-up)為顆粒受煙氣的單位質(zhì)量曳力;ρp為液滴密度;g為重力加速度;ug、up分別為煙氣和液滴速度;FD為曳力系數(shù)。

3.4 液滴粒徑分布

采用Rosin-Rammler模型來描述液滴的粒徑分布:

3.5 煙氣與液滴間的作用

在DPM模型中煙氣(連續(xù)相)與液滴(離散相)之間的作用可表示為:

式中:Fo為其它作用力;mp為顆粒質(zhì)量。

4 數(shù)值模擬方法

計算體為漿液面以上部分，運用Gambit建立三維模型，采用分塊劃分生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;運用fluent6.3軟件，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-e方程，紊流邊界條件選用水力直徑與紊流強度，壓力采用SIMPLE算法，近壁面處采用壁面函數(shù)修正。

5 模擬結(jié)果與討論

為比較幾種模型的流場，主要考察有無噴淋時三維模型內(nèi)煙氣跡線、煙氣速度、塔內(nèi)壓強的指標(biāo)［7］。

圖2 無噴淋時煙氣跡線

圖3 雙層噴淋時煙氣跡線

由圖2中可以看出，在模型Ⅱ中旋流最大，模型Ⅲ中旋流最小，這是由于模型Ⅱ中截面邊長長(Y)大于邊寬(X)，截面寬度與進(jìn)氣口寬度相近，煙氣進(jìn)入塔內(nèi)無法向兩側(cè)擴散，直接沖擊入口對面墻壁，煙氣產(chǎn)生向上及向下的速度，因此在上、下方向產(chǎn)生的旋流較大，在模型Ⅲ中，截面邊長(Y)小于邊寬(X)，煙氣可向兩側(cè)擴散，沖壁現(xiàn)象較弱，由此產(chǎn)生的旋流較小。

雙層噴淋時，由于液滴的重力及粘性作用，煙氣流場受到壓制，液滴的噴淋對煙氣的分布起到重新分配的作用，由圖3可以看出三種模型中旋流區(qū)域均變小。為考察塔內(nèi)煙氣流速，在兩層噴淋層上、下及Z軸17.5米及20.5米處建立截面觀察煙氣速度分布。

圖4 雙層噴淋時煙氣速度分布

由圖4可以看出，由于液滴的噴淋作用，煙氣的動能得到消耗，速度隨著高度的增加而減少，在速度分布方面，模型Ⅰ、Ⅲ中速度梯度較少，速度分布較均勻，延長了煙氣與液滴接觸時間，提高了反應(yīng)效率;但模型Ⅲ中煙氣入口側(cè)墻壁附近煙氣速度較低，壓強較大。由圖5中可以看出，模型Ⅲ中壓強較高，阻力較大，因此會增大循環(huán)水泵與增壓風(fēng)機電耗，增加運行成本，模型Ⅰ、Ⅱ中壓強相差較小。

圖5 雙層噴淋時塔內(nèi)壓強分布

6 結(jié) 論

(1)在同等負(fù)荷下，截面積相同的三種模型中，截面邊長小于邊寬(Ⅲ)或邊長等于邊寬(Ⅰ)的模型在流場的均勻性及塔內(nèi)煙氣速度的分布方面要優(yōu)于截面長大于寬(Ⅱ)的模型;

(2)模型Ⅲ的流場較模型Ⅰ均勻，但進(jìn)氣口墻壁側(cè)速度較低，壓強較高，致使阻力增大，增加了運行電耗，但具體的經(jīng)濟(jì)性，還需考慮考慮建材造價、運行成本等指標(biāo);

(3)對比分析模擬結(jié)果，截面邊長小于邊寬或邊長等于邊寬的模型經(jīng)濟(jì)性較好，模擬結(jié)果可作為矩形截面噴淋塔的工程設(shè)計及運行優(yōu)化的依據(jù)。

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