自激式除塵脫硫裝置流場的數(shù)值模擬

孔祥超， 程 凱， 高云鵬

（長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

我國是世界上燃煤污染物排放大國，SO2和粉塵顆粒已成為主要污染物，近幾年我國SO2年排放量連年超2 000萬噸，列世界第一位［1］，燃煤所造成的酸雨污染和粉塵顆粒污染已成為制約我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素。我國對(duì)于大型鍋爐煙氣除塵脫硫技術(shù)成熟，除塵脫硫的設(shè)計(jì)有相關(guān)的技術(shù)方法、原則和規(guī)范可供參考，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高，煙氣SO2和顆粒物排放能嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)而言，中小型燃煤鍋爐煙氣除塵脫硫技術(shù)還有待提高。雖然經(jīng)過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，國家削減了相當(dāng)數(shù)量的中小型燃煤鍋爐，但由于中小型燃煤鍋爐數(shù)量多，分布廣且負(fù)荷變化大，燃煤煤質(zhì)差異，除塵脫硫成本投入不夠等原因，粉塵顆粒排放和SO2總量也不容小視。我國針對(duì)中小型燃煤鍋爐特點(diǎn)，已開發(fā)了一批簡易煙氣除塵脫硫技術(shù)。目前已形成沖激式旋風(fēng)除塵脫硫、濕式旋風(fēng)除塵脫硫、麻石水膜除塵脫硫、脈沖供電除塵脫硫、多管噴霧除塵脫硫、噴射鼓池除塵脫硫、旋流板除塵脫硫等簡易濕法除塵脫硫技術(shù)［2］。

文中以SXJ－Ⅱ-L-6T除塵脫硫裝置為研究對(duì)象，該裝置內(nèi)氣、液、固三相流動(dòng)較為復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)中許多參數(shù)測(cè)量非常困難，如霧滴大小、運(yùn)動(dòng)軌跡、碰壁和蒸發(fā)的情況，煙氣中粉塵顆粒在流場中的運(yùn)動(dòng)軌跡，粉塵顆粒與霧滴的黏合情況等。近年來隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)除塵脫硫裝置的內(nèi)部流場數(shù)值模擬及計(jì)算越來越受到研究學(xué)者的重視。

文中重點(diǎn)關(guān)注的是裝置內(nèi)氣固二相流動(dòng)［3］：速度場、壓力場、粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡等分布情況。通過對(duì)該除塵脫硫裝置內(nèi)部流場進(jìn)行氣固二相流的數(shù)值模擬分析，為該裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和研究經(jīng)驗(yàn)。

1 自激式除塵脫硫概述

自激式除塵脫硫?qū)儆跐袷匠龎m脫硫的一種［4］，它依靠含粉塵顆粒和SO2的氣流沖擊含堿液的液膜或自由液面形成大量液滴或水幕來捕集粉塵顆粒，同時(shí)，煙氣中SO2與液滴中堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，從而達(dá)到脫硫作用。自激式除塵脫硫設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)簡單，洗滌液在裝置內(nèi)部自然循環(huán)，無外界動(dòng)力，這樣既保證了洗滌液能夠被多次利用，提高洗滌液的使用效率，又減少了除塵脫硫的動(dòng)力消耗，降低了運(yùn)行成本［5］。

文中所用的SXJ－Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 SXJ-Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置結(jié)構(gòu)簡圖

其工作原理是：含有粉塵顆粒和SO2的氣體從進(jìn)煙口進(jìn)入，通過進(jìn)口管道改變氣流方向引入接觸室沖擊洗滌液，較大的粉塵顆粒在慣性力和離心力的作用下脫離氣流方向，被洗滌液捕獲，同時(shí)部分含有SO2的氣體與洗滌液發(fā)生中和反應(yīng)；較小的灰塵和未被中和掉的SO2氣體則隨氣流上升，與激起的霧狀小液滴混合，塵粒在過程中凝聚長大，在慣性碰撞、攔截以及擴(kuò)散的作用下被捕獲，而氣體中的SO2會(huì)與小液滴中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)。這些混合物在隨氣流的上升過程中由于自身重力作用沉積到裝置下部，最終由排污口排出，清潔氣體由出煙口排出，從而達(dá)到除塵脫硫的作用［6－7］。

2 數(shù)學(xué)模型

文中流動(dòng)計(jì)算根據(jù)研究對(duì)象的流動(dòng)特點(diǎn)作如下基本假定［8］：

1）將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；固相的體積濃度（Av）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，忽略顆粒間的相互作用。

2）不考慮裝置內(nèi)液相對(duì)流場的影響；

3）假設(shè)粉塵顆粒為球形；

4）暫不考慮氣相與顆粒相之間的傳質(zhì)、傳熱。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［9］

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。它是在湍動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上引入一個(gè)湍動(dòng)耗散率ε的方程，形成了標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。該模型于1972年由Launder和Spalding提出。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型中湍動(dòng)能k的輸運(yùn)方程：

標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型中湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程

其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，即

Gb是由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，即

YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響，即

Mt為湍動(dòng)馬赫數(shù)，即

β為熱膨脹系數(shù)，即

a為聲速，即

μt為湍動(dòng)粘度，即

ε為耗散率，即

其它，C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，F(xiàn)luent中默認(rèn)值為C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝0.09；σk，σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，F(xiàn)luent中默認(rèn)值為σk＝1.0，σε＝1.3；Prt為湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)，默認(rèn)取Prt＝0.85；gi為重力加速度在i方向上的分量。

2.2 離散相模型（DPM）［10］

DPM是將流體視為連續(xù)相，而將顆粒、氣泡、液滴等分散相看作是離散相，DPM模型假設(shè)顆粒的體積不能過大，而且大體上均勻分布于連續(xù)相中，即顆粒的局部體積濃度比要小于10%。然后建立單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)方程，與氣相N-S方程耦合求解，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可根據(jù)求得的顆粒速度和設(shè)定的時(shí)間步長積分求得，將大量的顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，可以獲得顆粒相的流場。文中的連續(xù)相為空氣，離散相為粉塵顆粒。

根據(jù)顆粒的作用力平衡方程：

FD（u－up）為顆粒的單位質(zhì)量曳力，其中：

Rer為相對(duì)雷諾數(shù)，即

曳力系數(shù)CD，即

對(duì)于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，上式中的a1，a2，a3為常數(shù)。其它，u為流體相速度，up為顆粒速度，μ為流體動(dòng)力粘度，ρ為流體密度，ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑，g為重力加速度。

3 幾何模型及網(wǎng)格劃分

3.1 內(nèi)部流道模型的建立

內(nèi)部流道模型的建立和網(wǎng)格劃分在流動(dòng)問題數(shù)值模擬過程中屬于前處理過程，也是影響計(jì)算精度和收斂性的一個(gè)重要方面。尤其對(duì)復(fù)雜流道的流場，網(wǎng)格劃分的合理性就顯得至關(guān)重要。

SXJ-Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置三維幾何模型如圖2所示。

圖2 SXJ-Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置三維幾何模型

根據(jù)三維幾何模型，運(yùn)用Pro／ENGINEER軟件對(duì)文中SXJ－Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置內(nèi)部流道模型進(jìn)行建立，如圖3所示。

圖3 SXJ-Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置內(nèi)部流道模型

3.2 網(wǎng)格劃分

將建好的內(nèi)流道模型導(dǎo)入Gambit軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格形式采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的混合網(wǎng)格，將整體進(jìn)行分層分塊網(wǎng)格劃分，這樣劃分網(wǎng)格使網(wǎng)格質(zhì)量有了很大的改善，加速了求解的收斂，提高了解的精確度。

4 數(shù)值模擬及分析

4.1 邊界條件設(shè)定

根據(jù)該裝置實(shí)際的工藝運(yùn)行條件設(shè)置邊界條件。

4.1.1 連續(xù)相

氣體采用速度入口和壓力出口進(jìn)行定義，入口氣速為10 m／s，出口壓力為－3 000 Pa（引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓）。湍動(dòng)方式采用湍流強(qiáng)度和水力直徑對(duì)出入口湍流進(jìn)行定義，其中出入口湍流強(qiáng)度均為5%，出入口水力直徑均為0.7 m。

4.1.2 離散相（DPM）

顆粒分布形式采用R-R分布，設(shè)定最大直徑為125μm，最小直徑為25μm，中位直徑為60μm，分布指數(shù)為3.5，粉塵顆粒密度為1 511 kg／m3，進(jìn)口質(zhì)量流量為0.005 5 kg／s。

4.2 氣固二相模擬結(jié)果與分析

本次數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［11］，應(yīng)用SIMPLEC壓力－速度耦合算法進(jìn)行求解［12－13］，離散相模型（DPM），注入類型選擇面注入，顆粒類型為惰性顆粒。

x＝0截面的速度矢量圖和速度云圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 x＝0截面速度矢量圖

圖6 x＝0截面速度云圖

從圖5中可以看出，煙氣進(jìn)入裝置后，在經(jīng)管道向下沖擊，受阻后改變運(yùn)動(dòng)方向向上運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)雙層交錯(cuò)擋板時(shí)，氣流再次改變流向，而后繼續(xù)向上，經(jīng)出口管到達(dá)出口截面。由于雙層交錯(cuò)式擋板對(duì)氣流的阻礙作用，使得氣流在雙層擋板下方、中間以及上方產(chǎn)生了不同程度的渦旋，而且可以看出中間渦旋明顯小于下方和上方的渦旋。結(jié)合圖6速度云圖認(rèn)為，之所以裝置內(nèi)上層和下層渦旋大、中間層渦旋小是由于裝置中間層氣流速度小，而上層和下層氣流速度大造成的。渦旋的存在延長了氣體的停留時(shí)間，增加了各相的接觸機(jī)會(huì)，有利于各相間凝聚增大，從而提高凈化率。

x＝0截面的壓強(qiáng)云圖如圖7所示。

圖7 x＝0截面的壓強(qiáng)云圖

圖中反映了裝置內(nèi)部壓強(qiáng)的變化情況。氣體流經(jīng)雙層交錯(cuò)擋板時(shí)，由于黏性作用擋板對(duì)煙氣產(chǎn)生摩擦阻力，同時(shí)在擋板兩面產(chǎn)生渦漩，渦漩的運(yùn)動(dòng)不斷地消耗煙氣的機(jī)械能，因此，流經(jīng)雙層擋板后煙氣的壓強(qiáng)下降非常明顯，模擬計(jì)算結(jié)果顯示壓強(qiáng)差約為910 Pa，工程實(shí)測(cè)壓強(qiáng)差為1 000 Pa。結(jié)果表明此次模擬具有可行性。

顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤圖如圖8所示。

圖中不同的顏色表示不同粒徑的顆粒，反應(yīng)了粉塵顆粒在不同時(shí)間段經(jīng)過的軌跡以及顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從圖中可以看出，粉塵顆粒進(jìn)入裝置后在入口段分布均勻，因慣性的作用繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，碰到壁面后隨氣流折轉(zhuǎn)向上，直徑較粗的顆粒在重力的作用下沉降下來，直徑較細(xì)的顆粒隨氣流繼續(xù)向上擴(kuò)散，后在雙層交錯(cuò)式擋板的攔截、碰撞下，一部分直徑細(xì)顆粒子沉淀分離出來，而未沉淀的其它顆粒會(huì)隨氣流流出裝置。

圖8 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤圖

5 結(jié) 語

利用Fluent軟件對(duì)SXJ－Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過分析裝置內(nèi)氣固二相的速度分布、壓力分布以及顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡等參數(shù)的分布，得出以下結(jié)論：

1）將標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型與DPM模型用于除塵脫硫裝置內(nèi)部流場的數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果能較好地符合工程實(shí)際，可用于該類裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行。

2）兩層交錯(cuò)式擋板是產(chǎn)生壓降的主要原因，在不影響凈化效果的前提下對(duì)擋板結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將有效地降低整個(gè)設(shè)備壓力損失，從而降低運(yùn)行成本。

3）該型除塵脫硫一體化裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)方便、成本較低，處理煙氣量適用于中小型供熱鍋爐的除塵脫硫。

4）文中僅對(duì)裝置中氣相以及氣固兩相進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，未考慮液相對(duì)顆粒的捕集作用，這一點(diǎn)將在后續(xù)研究中做進(jìn)一步探討。

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