空氣霧化硫磺噴槍的數(shù)值模擬

楊 紅，肖 臻，周 彥，楊 帆，劉 洋

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074；2.湖北宜化化工股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

當代硫酸工業(yè)主要以硫鐵礦和硫磺為原料制取硫酸.硫磺制酸比硫鐵礦制酸更具有優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：減少工藝，消除污染源、能耗消耗下降、生產(chǎn)場地縮小、為企業(yè)提供了發(fā)展空間，所以硫磺制酸工藝應用較為廣泛［1］.在硫磺制酸工藝中，對原料的利用及節(jié)能降耗有著重大影響的一個關鍵設備就是硫磺噴槍，對液硫的霧化有著直接影響.硫酸工業(yè)大多數(shù)采用的是直流單相噴槍霧化，其霧化效果不是很理想，對液硫的利用率不高.噴槍是一種特殊的噴嘴，相關學者對噴嘴的霧化機理探索多以實驗以及經(jīng)驗理論為主，從直觀的角度獲取噴槍霧化特性參數(shù)，具有較大的局限性［2］.隨著計算機技術(shù)和計算流體力學技術(shù)的發(fā)展，可以利用Fluent軟件對噴嘴外部環(huán)境進行數(shù)值模擬，得出更寬闊更準確霧化特性參數(shù).

噴槍按照硫磺的霧化方式，通常分為機械霧化噴槍和空氣霧化噴槍.機械霧化是利用高液體壓力經(jīng)小孔高速射出而霧化，空氣霧化是利用空氣產(chǎn)生的直流、旋流或者交叉射流沖擊液流束而霧化.本文以機械噴槍外加輔助空氣為研究對象，以工藝參數(shù)為參考對象，利用計算流體力學軟件Fluent對焚硫爐內(nèi)噴槍的外部流場及霧化過程進行數(shù)值模擬分析，為生產(chǎn)實踐提供參考.

1 模擬對象的幾何結(jié)構(gòu)

焚硫爐及噴槍結(jié)構(gòu)如圖1所示（各部分結(jié)構(gòu)未按比例繪制）.以某焚硫爐及配套機械噴槍（SGI）為例，對噴槍結(jié)構(gòu)進行局部改進，在噴嘴四周通入壓縮空氣，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

圖1 焚硫爐Fig.1 Burning sulfur furnace

表1 模擬對象基本尺寸表Table 1 The mock object basic size mm

給定的工藝參數(shù)：該配套裝置硫酸產(chǎn)量為800t／d，計算出噴槍液硫流速為5m／s.其物料的物性參數(shù)如表2所示.

表2 物性參數(shù)表Table 2 Physical property parameter

2 仿真過程

（1）模型建立.利用Gambit創(chuàng)建模擬對象的幾何模型，模型的具體尺寸以實際尺寸為準（見圖1）.該焚硫爐有兩個進口，一個出口.工作過程如下：液態(tài)硫磺經(jīng)過噴槍高速射入焚硫爐內(nèi)，形成機械霧化，噴嘴四周設有空氣進口，輔助液硫霧化.該模型為對稱結(jié)構(gòu)，故采用2d模型求解即可，模型比較單一采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格（即四邊形網(wǎng)格），由于進出口附近流體的流動非常復雜，流體流動的梯度較大，而且是數(shù)值模擬的最重要區(qū)域［3］，所以在這些區(qū)域采用了加密網(wǎng)格的方法，從而細化網(wǎng)格提高計算精度，模型最后的網(wǎng)格總數(shù)目為133 000個.

（2）選擇計算模型.該模擬對象只涉及到液體和氣體的兩相流動，故選用VOF模型，由噴嘴處液硫速度及空氣流速計算出雷諾數(shù)，以及相關學者得出的這類射流流動的經(jīng)驗，選擇k－epsilon湍流模型［4］.

（3）邊界條件設置.焚硫爐內(nèi)氣液邊界條件較為簡單，進口處以液硫、空氣的實際速度為基準，出口處采用壓力出口，且空氣、液流的進口溫度與出口溫度相同，焚硫爐的壁面選用標準無滑移壁面并假設其絕熱.

（4）求解器控制參數(shù)的設置.由相關定義計算后可確定該模擬對象為非定常流動，宜采用壓力－速度耦合方程求解，并選用PISO算法，其計算收斂性較好，結(jié)果較為準確［5］.

3 計算結(jié)果及對比分析

以噴嘴處液硫作為離散相取速度5m／s為定值的參考對象，液硫噴入焚硫爐內(nèi)，其目的是液硫能充分燃燒，故需要一定量的空氣.由相關化學反應方程式可計算出當空氣的速度大于0.07m／s時，即可滿足燃燒要求，其中過量空氣可循環(huán)利用.本文只進行噴槍的霧化數(shù)值模擬，對空氣流速是一個試探性的取值，通過分析對比霧化的速度矢量圖，判斷空氣流速取值的范圍.所以空氣進口的速度分別取0m／s、2m／s、4m／s、6m／s、8m／s、10m／s進行數(shù)值模擬求解.圖2～7所示為采用k－epsilon模型，在液硫速度為5m／s的條件下，不同空氣速度下計算出的噴槍外部流場的速度矢量圖.

圖2 空氣流速v＝0m／s時的速度矢量圖Fig.2 Air velocity v＝0m／s

（1）圖2為沒有改進前（按輸入空氣的速度為0）進行的數(shù)值模擬，由速度矢量圖可以看出：該噴槍的霧化角小，霧化行程較長，而且速度分布不均勻，液滴主要分布在噴嘴附近，此狀況表明該噴槍的霧化效果較差.

（2）圖3～7為改進后（該結(jié)構(gòu)能從噴嘴附近輸入一定速度的空氣）進行的數(shù)值模擬，由速度矢量圖可以看出：當輸入一定速度的空氣之后，噴槍的霧化角、霧化行程變大，液滴較為均勻的分布在整個焚硫爐內(nèi).這是因為當有一定速度的空氣從噴槍周圍輸入時，在焚硫爐的噴槍附近形成一個渦流負壓區(qū)，加速液硫向四周擴算，增大霧化角及霧化行程，這一現(xiàn)象與伴隨射流理論一致［6］，從而使液硫能夠快速霧化.

圖3 空氣流速v＝2m／s時的速度矢量圖Fig.3 Air velocity v＝2m／s

圖4 空氣流速v＝4m／s時的速度矢量圖Fig.4 Air velocity v＝4m／s

圖5 空氣流速v＝6m／s時的速度矢量圖Fig.5 Air velocity v＝6m／s

圖6 空氣流速v＝8m／s時的速度矢量圖Fig.6 Air velocity v＝8m／s

圖7 空氣流速v＝10m／s時的速度矢量圖Fig.7 Air velocity v＝10m／s

（3）由圖6～7的速度矢量圖可以看出：當輸入空氣的速度過大時，導致噴槍附近的渦流強度較大，使液硫霧滴回流，霧滴甩向焚硫爐的壁面，造成硫磺掛壁現(xiàn)象.這種情況不利于霧化，在焚硫爐內(nèi)要避免發(fā)生.

（4）綜合圖2～7可以得出：當噴槍周圍輸入一定速度的空氣后，有利于霧化.在噴槍出口處液硫速度為5m／s，空氣進口速度為4～6m／s時，焚硫爐內(nèi)噴槍的霧化效果較為理想.

4 結(jié) 語

利用fluent軟件對焚硫爐內(nèi)噴槍的霧化情況進行了數(shù)值模擬，通過改進局部結(jié)構(gòu)，在特定的工藝參數(shù)下，進行了多組數(shù)值模擬，得到多組速度場的分布圖，分析霧化角及霧化行程的變化關系，得到了該工藝條件下液硫與空氣速度相關的耦合參數(shù).即在噴槍出口處液硫速度為5m／s，空氣進口速度為4～6m／s時，該工藝中噴槍的霧化效果較好，對生產(chǎn)實踐有一定的指導意義，同時也為以后焚硫爐內(nèi)的燃燒情況的數(shù)值模擬研究奠定了堅實的基礎.

［1］馮曉民.硫磺制硫酸工藝研究［J］.上?；?，2007，8（11）：26－27.FENG Xiao－min.Using sulfur to improve the sulfuric acid technical process ［J］. Shanghai Chemical Industry，2007，8（11）：26－27.（in Chinese）

［2］侯凌云，侯曉春.噴嘴技術(shù)手冊［M］.北京：中國石化出版社，2007：69－72.HOU Ling－yun，HOU Xiao－chun. Handbook for nozzle technology［M］.Beijing：China Petrochemical Press，2007：69－72.（in Chinese）

［3］劉國雄.空氣霧化涂料噴槍涂流場仿真及特性研究［D］.杭州：浙江大學圖書館，2012.LIU Guo－xiong.Simulation study on the spray flow field of air atom paint spray gun［D］.Hangzhou：Zhejiang University Libraries System，2012.

［4］韓占中.FLUENT－流體工程仿真計算實例與分析［M］.北京：北京理工大學出版社，2009：266－271.HAN Zhan－yuan. FLUENT－fluid simulation calculation of engineering examples and analysis［M］.Beijin：Beijing Institute of Technology Press，2009：266－271.（in Chinese）

［5］楊紅，王呈祥，肖臻 .穿流型攪拌器開孔位置的數(shù)值模擬［J］.武漢工程大學學報，2013，35（2）：65－68.YANG Hong，WANG Cheng－xiang，XIAO Zhen.Numerical simulation of the hole position of punchecl impeller ［J］.Journal of Wuhan Institute of Techology，2013，35（2）：65－68.（in Chinese）

［6］董志勇.射流力學［M］.北京：科學出版社，2005：15－31.DONG Zhi－yong.Jet mechanics ［M］.Beijing：Science Press，2005：15－31.（in Chinese）