噴嘴角度對(duì)循環(huán)流化床脫硫工藝塔內(nèi)流動(dòng)特性影響的數(shù)值模擬

李少華，馬文娥，王虎

（1中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林132012）

煙氣循環(huán)流化床（circulating fluidized bed，CFB）[1-5]脫硫技術(shù)國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的一種半干法煙氣脫硫技術(shù)。煙氣經(jīng)文丘里管加速后從脫硫塔底部進(jìn)入，在文丘里管附近向塔內(nèi)噴入適量的霧化水及氧化鈣粉末，在煙氣上升過(guò)程中，與煙氣中的硫發(fā)生反應(yīng)，脫除煙氣中的硫。循環(huán)流化床反應(yīng)器中，存在氣-液-固三相流動(dòng)[6-13]，其中包括的物理過(guò)程很復(fù)雜，如固液粒子碰撞、氣液強(qiáng)烈湍流等，脫硫塔內(nèi)氣-液-固三相流動(dòng)的復(fù)雜性一直制約著循環(huán)流化床的發(fā)展。氣-液-固三相流數(shù)值模擬模型主要分為以下三大類[14-17]：擬均相模型、三流體模型和流體-離散顆粒模型。本文在雙流體模型的基礎(chǔ)上建立了擬均相模型，將第三相當(dāng)成雙流體中的第二相來(lái)處理，對(duì)不同噴嘴角度布置下的流場(chǎng)及氧化鈣顆粒的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析計(jì)算，并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了討論。

1 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

1.1 物理模型的建立和網(wǎng)格劃分

以某電廠的脫硫塔為原型，在不影響數(shù)值計(jì)算的情況下對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，脫硫塔簡(jiǎn)化后的尺寸如表1所示。

根據(jù)脫硫塔簡(jiǎn)化后尺寸，利用Gambit建立了該脫硫塔物理模型如圖1所示。

利用Gambit將脫硫塔劃分為兩個(gè)區(qū)域，由于噴嘴尺寸較小，在噴嘴附近劃分一個(gè)區(qū)域，此區(qū)域使用尺寸較小的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為了提高模擬的收斂性和計(jì)算的精度，在此區(qū)域外使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。脫硫塔網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表1 脫硫塔尺寸示意圖

圖1 脫硫塔物理模型

圖2 噴嘴布置角度示意圖

圖3 脫硫塔網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學(xué)模型

利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬過(guò)程中，將煙氣近似為空氣，選擇空氣的各物理參數(shù)作為煙氣的物理參數(shù)。在模擬中，將空氣及霧化水作為連續(xù)介質(zhì)，將脫硫劑固體顆粒作為非連續(xù)介質(zhì)，采用歐拉三相流模型對(duì)脫硫塔內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并將煙氣作為主相，霧化水及固體顆粒作為第二相。其控制方程如式（1）～式（11）。

（1）質(zhì)量守恒方程

式中，ρ為密度；?為體積分?jǐn)?shù)；u為失量速度。

（2）動(dòng)量守恒方程

式中，p為壓力；μeff為有效黏度；g為重力加速度。各項(xiàng)體積分?jǐn)?shù)滿足式（7）。

（3）湍流流動(dòng)k-ε方程

式中，κ為湍動(dòng)能；ε為耗散項(xiàng)。

1.3 邊界條件的確定

在模擬計(jì)算中各流體參數(shù)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)確定：入口邊界都設(shè)為速度入口，氣體速度為 7.788 m/s，霧化水速度為1.025 m/s，脫硫劑顆粒進(jìn)入塔內(nèi)的速度為3.14 m/s；固體壁面采用無(wú)速度滑移、無(wú)質(zhì)量滲透邊界條件；出口邊界條件設(shè)置為充分發(fā)展階段。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同噴嘴布置角度速度分布

如圖4所示為不同噴嘴布置角度在X=0上速度分布圖。由圖4可以看出，煙氣在整個(gè)脫硫塔內(nèi)的速度分布很不均勻，煙氣在脫硫塔底部的速度明顯大于脫硫塔內(nèi)上部煙氣速度，且受噴出的霧化水的影響，向左側(cè)偏斜。圖4(a)為噴嘴角度呈?30°布置時(shí)的速度分布圖，此時(shí)噴嘴與煙氣的來(lái)流方向逆流布置，煙氣經(jīng)文丘里管加速后進(jìn)入脫硫塔內(nèi)，遇到噴出的霧化水速度先減小，然后攜帶霧化水一起向上運(yùn)動(dòng)。圖4(b)為噴嘴與脫硫塔徑向平行布置時(shí)的速度分布圖，煙氣從脫硫塔底部進(jìn)入向上運(yùn)動(dòng)但在擴(kuò)散段出口處遇到水平噴出的霧化水，沖刷左側(cè)壁面。圖4(c)為噴嘴角度呈30°布置時(shí)的速度分布圖，煙氣在文丘里管的上方開(kāi)始向左側(cè)壁面偏斜，且在左側(cè)壁面處速度最大，對(duì)左側(cè)壁面沖刷嚴(yán)重。

圖5為不同噴嘴角度在Y=0的速度分布。從圖5可以看出，煙氣速度隨高度的增加逐漸減小，且噴嘴呈0°和30°布置時(shí)，出口處的速度仍然很大，速度分布很不均勻。噴嘴呈 0°布置時(shí)右側(cè)壁面速度明顯大于左側(cè)壁面，噴嘴呈30°布置時(shí)壁面速度大于脫硫塔中心軸線速度，這兩種布置方式影響了氣液固三相的混合。

圖6(a)～(d)為不同噴嘴布置角度時(shí)不同高度處截面上的速度分布。從圖6可以看出，噴嘴?30°布置時(shí)中心氣流速度明顯高于壁面附近氣流速度，煙氣速度從中心向壁面逐漸降低；噴嘴呈 0°和30°布置時(shí)氣流瘦噴嘴布置角度的影響發(fā)生偏斜，中心氣流速度偏低，壁面速度較高，氣流沖刷壁面現(xiàn)象嚴(yán)重。

以上模擬結(jié)果表明橫/縱向截面氣流均存在顯著的不對(duì)稱性，流場(chǎng)分布的不均勻?qū)⒃斐擅摿騽┰谒?nèi)停留時(shí)間的差異，同一高度橫截面上脫硫負(fù)荷不均勻，不能充分利用塔內(nèi)有效空間，達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。

2.2 不同噴嘴布置角度脫硫劑顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

圖7為X=0截面上不同噴嘴布置角度時(shí)氧化鈣顆粒體積分?jǐn)?shù)分布示意圖。從圖7可以看出，左側(cè)壁面氧化鈣體積分?jǐn)?shù)明顯低于右側(cè)，這是因?yàn)閲娮靽姵龅母咚凫F化水流對(duì)左側(cè)壁面有強(qiáng)烈的沖擊作用，使左側(cè)高速氣流夾帶物料顆粒向上運(yùn)動(dòng)，向上運(yùn)動(dòng)的物料受自身重力作用在筒壁右側(cè)發(fā)生回落，并在右側(cè)壁面匯集，導(dǎo)致右側(cè)壁面體積分?jǐn)?shù)較大而脫硫塔中心軸線處的體積分?jǐn)?shù)較低，在脫硫塔底部形成一個(gè)稀相區(qū)。噴嘴呈?30°布置時(shí)此稀相區(qū)較小，氧化鈣貼壁運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小，混合較均勻。

圖8為Y=0截面氧化鈣顆粒體積分?jǐn)?shù)分布示意圖。如圖8所示，邊壁的顆粒濃度明顯高于中心區(qū)域的顆粒濃度。這是由于在脫硫塔底部擴(kuò)散段，煙氣經(jīng)文丘里管加速后進(jìn)入脫硫塔，物料顆粒被高速氣體夾帶向上運(yùn)動(dòng)，但是物料顆粒受到自身重力作用，到達(dá)一定高度后發(fā)生回落，由于壁面附近顆粒的逆向回流，為塔體內(nèi)表面形成了一層流動(dòng)的顆粒防護(hù)層。另一方面，增加了塔內(nèi)顆粒的濃度，使物料顆粒與煙氣充分混合，有效增加了進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的接觸表面積。

圖9為不同噴嘴布置角度時(shí)氧化鈣固體顆粒體積分?jǐn)?shù)在不同高度截面處的分布示意圖。從圖9可以看出，在Z=10 m高度處，噴嘴呈?30°布置時(shí)氧化鈣顆粒在脫硫塔中心軸線附近分布最密集，噴嘴呈30°布置時(shí)，氧化鈣顆粒貼壁回流現(xiàn)象嚴(yán)重，在塔壁的體積分?jǐn)?shù)大于塔體中心軸線處的體積分?jǐn)?shù)，影響了氣液固三相的混合。隨著高度的增加氧化鈣顆粒的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，且貼壁回流現(xiàn)象隨高度的增加表現(xiàn)的越來(lái)越不明顯，到達(dá)出口處氧化鈣顆粒體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)變得很低，不再表現(xiàn)出貼壁回流現(xiàn)象。

圖4 不同噴嘴角度在X=0速度分布

圖5 不同噴嘴布置角度在Y=0速度分布

3 結(jié) 論

以循環(huán)流化床脫硫塔為研究對(duì)象，改變噴嘴布置角度（?30°、0°、30°），并對(duì) 3種模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)計(jì)算脫硫塔內(nèi)氣液固三相流場(chǎng)及物料顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布情況，分析塔內(nèi)部氣液固三相混合情況，得到以下結(jié)論。

（1）噴嘴布置角度為0°和30°布置時(shí)，速度分布很不均勻，速度場(chǎng)變化劇烈，脫硫塔內(nèi)煙氣向塔筒左側(cè)產(chǎn)生較大的偏斜，對(duì)左側(cè)壁面沖刷速度場(chǎng)變化劇烈，影響氣液固三相的混合；噴嘴呈 0°布置時(shí)脫硫塔內(nèi)氧化鈣顆粒體積分?jǐn)?shù)較低且分布很不均勻，中心軸線處的體積分?jǐn)?shù)明顯小于壁面附近氧化鈣顆粒的體積分?jǐn)?shù)，表現(xiàn)出壁面回流現(xiàn)象。噴嘴呈30°布置時(shí)，脫硫塔內(nèi)在脫硫塔底部形成很大的脫硫劑的稀相區(qū)，影響脫硫塔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

（2）?30°布置時(shí)脫硫塔內(nèi)煙氣速度分布較均勻，可以減小對(duì)壁面的沖刷作用，能夠有效地保護(hù)脫硫塔壁面，且此時(shí)氧化鈣顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布較為均勻，貼壁回流現(xiàn)象明顯減弱，有利于氣液固三相的混合，有利于脫硫塔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

圖6 不同噴嘴布置角度在不同高度處截面上的速度分布

圖7 不同噴嘴布置角度在X=0脫硫劑顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

圖8 不同噴嘴布置角度在Y=0脫硫劑顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

圖9 不同噴嘴布置角度在不同高度截面處脫硫劑顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

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