船用脫硫塔塔內(nèi)氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究

李國誠，鄭 高

（公安海警學(xué)院機(jī)電管理系，浙江寧波 315801）

0 引言

《國際防止船舶造成污染公約》附則VI《技術(shù)規(guī)則修正案》已經(jīng)正式生效，附則規(guī)定到2020全球硫化物排放上限降低到0.50%，而在排放控制區(qū)域則必須降到0.10%。所以，對(duì)船舶硫化物排放的控制十分迫切，以滿足IMO的新標(biāo)準(zhǔn)。

海水脫硫法是目前控制船舶硫化物排放的主要方法之一，具有成本低、經(jīng)濟(jì)性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且不產(chǎn)生二次污染，因而被廣泛地應(yīng)用于陸上電廠、化工等行業(yè)。前人對(duì)陸基脫硫塔進(jìn)行了大量的研究，包括對(duì)脫硫塔的經(jīng)濟(jì)性、脫硫效率、性能、脫硫后對(duì)海水水質(zhì)的影響以及其設(shè)計(jì)等，取得了大量成果。許樂平教授采用冷態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)比湍球塔和噴淋塔的海水脫硫效率，重點(diǎn)研究海水參數(shù)和煙氣對(duì)湍球塔和噴淋塔脫硫的影響[1]。文獻(xiàn)[2]運(yùn)用Aspen Plus V7.2軟件模擬了海水脫硫過程，著重研究了海Fluent軟件，對(duì)300MW機(jī)組濕法煙氣脫硫系統(tǒng)噴淋塔內(nèi)阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重研究了不同塔水脫硫過程中各個(gè)參數(shù)對(duì)脫硫效率和脫硫后海水pH值的影響。李祝等人著重研究海水脫硫技術(shù)在電廠的應(yīng)用實(shí)踐，建議對(duì)脫硫設(shè)備的氣-氣換熱器壓差以及抗腐蝕性能、進(jìn)行進(jìn)一步研究[3,4]。林永明利用徑、不同噴淋間隙等運(yùn)行工況下噴淋塔內(nèi)的阻力特性[5]。陳紹敏通過分析海水脫硫的經(jīng)濟(jì)性，指出海水脫硫技術(shù)具有系統(tǒng)運(yùn)行可靠、工藝流程簡(jiǎn)單、脫硫效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[6]。粱川通過數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，對(duì)Flakt-Hydro海水脫硫工藝進(jìn)行研究，指出海水脫硫工藝對(duì)周邊水質(zhì)產(chǎn)生的影響小，但不會(huì)危害對(duì)海洋微生物群[7]。沿海煤電廠的實(shí)際運(yùn)行實(shí)踐和各種理論研究都表明：在預(yù)防二次污染、脫硫效率、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面，海水脫硫工藝符合船舶尾氣脫硫的要求，因此其在船舶上也有較好的應(yīng)用前景。

船用脫硫塔的設(shè)計(jì)決定了塔內(nèi)流場(chǎng)的分布，塔內(nèi)流場(chǎng)的分布和噴淋方式的布置直接影響到脫硫效率?，F(xiàn)有的脫硫塔數(shù)值模擬研究對(duì)象大多面向化工，電廠化工行業(yè)。電廠化工行業(yè)以是煤炭作為主要燃料，而海船船舶是以燃料油為主；電廠化工的產(chǎn)生煙氣脈動(dòng)率很小，幾乎為零，而船用柴油機(jī)排氣是不斷脈動(dòng)的；使用燃料的不同，煙氣脈動(dòng)率不同，燃燒后硫化物占廢氣中的比也不同。此外，陸地脫硫塔大多高達(dá)幾十米，占地面積大，在船舶上安裝使用脫硫塔，受船舶空間限制，船用脫硫塔必須小型化。因此，以現(xiàn)有陸基脫硫的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于船用脫硫塔是不可行的，陸基脫硫的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)只能作為船上應(yīng)用的參考。至今關(guān)于對(duì)船用脫硫塔塔內(nèi)流場(chǎng)的研究報(bào)道不多。這表明很有必要對(duì)船用脫硫塔塔內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行理論研究，以探究脫硫塔內(nèi)噴淋方式的合理布置。本文以試驗(yàn)船用脫硫塔為研究對(duì)象，探討切向進(jìn)氣脫硫塔塔內(nèi)流速的分布和湍流強(qiáng)度變化趨勢(shì)，為船用脫硫塔的設(shè)計(jì)提供參考，為船用脫硫塔噴淋方式的布置提供理論支持，為進(jìn)一步確定脫硫塔內(nèi)湍流球的數(shù)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 主要試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

1）船用脫硫塔

根據(jù)實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)的額定工況下廢氣排放量，基于雷諾數(shù)相等原則，上海海事大學(xué)設(shè)計(jì)建造了試驗(yàn)用船用脫硫塔，如圖1所示，其基本參數(shù)列在表1中；

2）船用柴油機(jī)，型號(hào)G128ZC，上海柴油機(jī)廠制造；

3）德圖350側(cè)量儀器，德圖儀器國際貿(mào)易(上海)有限公司生產(chǎn)。

圖1 船用脫硫塔

表1 試驗(yàn)船用脫硫塔主要基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 海水脫硫工藝在船上應(yīng)用的流程

主機(jī)排出的尾氣，在廢氣鍋爐中被吸收余熱，溫度降低，進(jìn)行進(jìn)一步降溫和除塵后，進(jìn)入船用脫硫塔脫硫，充分脫硫后，排入大氣。用于脫硫的海水從脫硫塔排出后，經(jīng)過充分稀釋和曝氣后，排入大海。工藝流程如圖2所示[8]。

圖2 船用脫硫塔脫硫工藝流程

1.2.2 試驗(yàn)裝置及參數(shù)測(cè)取

試驗(yàn)在空塔運(yùn)行（無海水噴淋，不添加湍流球）以及柴油機(jī)額定工況下進(jìn)行，在脫硫塔上選取了四個(gè)測(cè)量位置，即1、2、3、4號(hào)孔，測(cè)量位置如圖3所示。在1、2、3、4號(hào)孔測(cè)量沿塔半徑不同深度的流速。取塔的底部為Z=0截面，1號(hào)測(cè)量孔位置為Z=0.5截面，2號(hào)測(cè)量孔為Z=0.9截面，3號(hào)測(cè)量孔為Z=1.3截面，4號(hào)測(cè)量孔為Z=1.5截面；試驗(yàn)船用脫硫塔塔內(nèi)半徑為47.5cm，在每一個(gè)測(cè)量截面取6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量深度分別距離塔壁面2cm（貼近塔壁面）、11cm、20cm、29cm、38cm、47cm（接近塔心），編號(hào)分別為1、2、3、4、5、6，每個(gè)點(diǎn)測(cè)取三次取平均值為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 脫硫塔試驗(yàn)測(cè)量位置簡(jiǎn)陋圖

2 數(shù)值模擬方法與求解

2.1 船用脫硫塔模型和控制方程

2.1.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)試驗(yàn)船用脫硫塔進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，在Gambit軟件中，對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格圖

2.1.2 塔內(nèi)控制方程

基于計(jì)算量、計(jì)算速度、和計(jì)算機(jī)硬件條件，脫硫塔進(jìn)氣方式等條件。當(dāng)脫硫塔內(nèi)廢氣已完全處于湍流，雷諾數(shù)(Re)足夠大時(shí)，忽略塔壁面的邊界層層流的影響，通過雷諾時(shí)均 N_S方程組、采用RNG k-e湍流模型對(duì)塔內(nèi)的煙氣進(jìn)行計(jì)算。RNG k-e湍流模型方程如式(1)和式(2)所示。

式中：YM為在可壓縮湍流中過渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；c1、c2、c3是常量；Se、Sk是用戶自定義常量值；k?、e?是k方程和e方程的 Prantl 數(shù)；C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，δk=1.0，δg=1.3；GK為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，如式(3)所示。

式中：μt為湍流粘度，如式(4)所示。

2.2 塔內(nèi)過程控制方程

2.2.1 邊界條件

試驗(yàn)主要研究脫硫塔空塔運(yùn)行時(shí)的湍流強(qiáng)度變化趨勢(shì)和塔內(nèi)氣流分布。即在試驗(yàn)柴油機(jī)額定工況下，無噴淋、不加湍流球時(shí)候，以速度為邊界條件?；趉-e(RNG)模型，采用以速度為原始變量，采用二階精度，選用SIMPLE算法、在Fluent軟件中對(duì)脫硫塔塔內(nèi)氣流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。脫硫塔進(jìn)口處廢氣平均流速V的計(jì)算公式如下所示：

式中：Q為額定工況下柴油機(jī)廢氣量，m3/h；V為廢氣平均流速，m/h；D為脫硫塔進(jìn)氣口直徑，m2。

2.2.2 基本假設(shè)

1）船用柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣，看作牛頓粘性流體，忽略船用脫硫塔內(nèi)噴嘴、管路等阻件對(duì)廢氣流動(dòng)的影響；

2）用空氣代替柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣，對(duì)塔內(nèi)氣流進(jìn)行模擬；

3）基于定性分析和計(jì)算機(jī)硬件限制,將收斂條件定為10-6；

4）實(shí)物圖中是圓形管道進(jìn)氣，切向角度為83°，為了方便進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到更精確的網(wǎng)格，基于流量守恒，本文的幾何模型為采用正方形管道進(jìn)氣。切向角度為90°。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 塔內(nèi)速度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖5 Z=0.5截面速度大小云圖

圖5表明，在截面煙氣以較高的流速進(jìn)入塔內(nèi)后，廢氣流速迅速下降，廢氣貼近塔壁旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。越靠近進(jìn)口，越貼近塔壁，廢氣速度越大，而靠近塔中心處煙氣速度最小。原因是廢氣切向進(jìn)入塔內(nèi)后，體積突然增大，速度能轉(zhuǎn)化為壓力能。

圖6表明,在脫硫塔內(nèi)廢氣入口面以下（Z=0.2與Z=0.4截面之間）形成了一個(gè)半徑較小的漩渦，在脫硫塔煙氣進(jìn)口以上（Z=0.6與Z=0.9截面之間）形成一個(gè)半徑較大的漩渦。原因是，廢氣進(jìn)口位于Z=0.5截面，廢氣進(jìn)入脫硫塔后同時(shí)向上下迅速擴(kuò)散，向下擴(kuò)散的廢氣因塔底限制而回流，回流遇到新的向下流動(dòng)的廢氣，在進(jìn)口截面下形成了小漩渦；回流遇到新的向上流動(dòng)的廢氣，在塔內(nèi)進(jìn)口截面以上的較大空間形成了較大的漩渦。兩個(gè)漩渦的形成，有利于廢氣在塔內(nèi)充分混合，增大了煙氣在塔內(nèi)停留時(shí)間，可以延長氣液接觸時(shí)間，提高船用脫硫塔的脫硫效率。

圖6 塔內(nèi)氣流流速沿塔高分布圖

圖7 Z=0.7截面流動(dòng)速度向量圖

圖8 Z=1.5截面流動(dòng)速度向量圖

圖6、7、8表明煙氣在塔內(nèi)各個(gè)截面總體的流動(dòng)趨勢(shì)是，廢氣整體以旋流的方式往上流動(dòng)，越靠近壁面廢氣流速越大，越靠經(jīng)塔中廢氣流速越小，廢氣沿著塔高的方向，切向流速不斷降低，而在Z=1.5截面以后，塔內(nèi)旋流明顯減弱。

3.2 塔內(nèi)湍流強(qiáng)度模擬結(jié)果分析

1）圖7中的Z=0.5截面（進(jìn)口截面）湍流強(qiáng)度云圖表明，在入塔口處廢氣湍流強(qiáng)度最大。這是因?yàn)樗M(jìn)氣方式為切向進(jìn)氣，廢氣進(jìn)入塔內(nèi)，受到了靠近塔內(nèi)進(jìn)口一段圓弧塔壁的阻擋。廢氣沿著塔壁繞行一周后，湍流強(qiáng)度明顯減少。

圖9 Z=0.5截面（進(jìn)口截面）湍流強(qiáng)度云圖

圖10 Z=0.7截面湍流強(qiáng)度云圖

圖11 Z=1.1截面湍流強(qiáng)度云圖

圖12 Z=1.5截面湍流強(qiáng)度云圖

2）根據(jù)圖7、8、9、10觀察各個(gè)截面的湍流強(qiáng)度沿塔高的變化情況，可知塔內(nèi)進(jìn)口截面的湍流強(qiáng)度最大，越靠近廢氣進(jìn)口截面湍流強(qiáng)度越大；塔內(nèi)湍流強(qiáng)度沿著塔高逐漸減弱，越高位置的截面，塔內(nèi)氣流的湍流強(qiáng)度越小，在高度Z=1.5截面后，各個(gè)截面的湍流強(qiáng)度很小，湍流強(qiáng)度基本不變。表明塔內(nèi)的廢氣在塔內(nèi)高度大于1.5米處的流動(dòng)比較穩(wěn)定。

通過對(duì)塔內(nèi)廢氣流速和湍流度的定性分析可知，塔內(nèi)廢氣流動(dòng)的趨勢(shì)為旋轉(zhuǎn)上升。在Z=1.5截面以下，氣流以旋流為主、上升流為輔，水平切向流速大于垂直流速，在Z=1.5截面以上，垂直流速大于水平切向流速，以上升流為主、旋流為輔。

根據(jù)塔內(nèi)流場(chǎng)分布和湍流強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，在高湍流強(qiáng)度區(qū)，噴淋方式可采取水平切向噴淋為主、垂直噴淋為輔的布置，根據(jù)各個(gè)截面內(nèi)廢氣矢量流速設(shè)計(jì)噴嘴噴淋角度，使得廢氣與海水在水平方向上對(duì)流；在低紊流強(qiáng)度區(qū)，可采取垂直噴淋為主、水平切向噴淋為輔的布置，廢氣與海水在垂直方向上對(duì)流時(shí)，應(yīng)使得噴淋半徑大于或等于塔徑，防止廢氣短流。

4 誤差分析

基于德圖350煙氣測(cè)量儀對(duì)流速測(cè)量精準(zhǔn)，著重對(duì)比分析幾個(gè)典型截面內(nèi)廢氣的實(shí)測(cè)流速與模擬流速，如圖13、14、15所示。

圖13、14、15表明，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的差值不大，但變化趨勢(shì)相同，這說明所采用的模擬方法是可取的。模擬數(shù)值偏大是由于在模擬計(jì)算的過程中，忽略了塔內(nèi)附件對(duì)氣流的影響，把廢氣當(dāng)成了理想氣體來處理，并認(rèn)為塔是絕熱的，沒有能量散耗。

圖13 Z=0.5截面實(shí)測(cè)流速與模擬流速對(duì)

圖14 Z=0.9截面實(shí)測(cè)流速與模擬流速對(duì)

圖15 Z=1.3截面實(shí)測(cè)流速與模擬流速對(duì)比

5 結(jié)論

基于對(duì)船用脫硫塔進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，在 Gambit軟件中對(duì)簡(jiǎn)化后脫硫塔模型進(jìn)行合適的網(wǎng)格劃分，以速度為邊界條件，基于Fluent軟件，采用RNG k-e湍流模型計(jì)算塔內(nèi)流速和湍流強(qiáng)度。通過數(shù)值模擬的定性分析與仿真、試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論。

1）采用RNG湍流模型模擬切向進(jìn)氣船用脫硫塔脫數(shù)值，誤差較小，具有良好的可行性，這是因?yàn)槟Ｐ椭饕槍?duì)旋流設(shè)定，而切向進(jìn)氣脫硫塔內(nèi)氣流湍流方式以旋流為主；

2）實(shí)際脫硫塔填充有湍流球，湍流層的作用使其流場(chǎng)與空塔有很大的不同，湍流球在提高脫硫效率的同時(shí)也會(huì)增加柴油機(jī)背壓，所以脫硫球的數(shù)量必須控制在合適的范圍之內(nèi)。用空塔進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果，可用于指導(dǎo)空塔運(yùn)行時(shí)噴頭的布置，進(jìn)而進(jìn)行空塔運(yùn)行時(shí)脫硫效率的計(jì)算，并將其作為無湍流球時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與加湍流球后脫硫效率對(duì)比，即可探討湍流球的數(shù)量與脫硫效率的關(guān)系；

3）下一步要做的工作是結(jié)合塔內(nèi)氣流和湍流分布的特點(diǎn)，在塔內(nèi)加入湍流球，并綜合考慮湍流球的作用，通過仿真和實(shí)驗(yàn)確認(rèn)塔內(nèi)最優(yōu)的噴淋方式；

4）雖然船用脫流塔流場(chǎng)分布復(fù)雜，但隨著傳統(tǒng)技術(shù)的逐步改進(jìn)與新方法的不斷引入，對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的仿真與計(jì)算的精度會(huì)有不斷的提高。

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