噴淋速度對脫硫噴淋塔內(nèi)流場影響研究

摘要：濕法脫硫噴淋塔內(nèi)流場的分布對脫硫效果有著較大的影響，本文采用數(shù)值模擬的方法，對采用不同噴淋速度時(shí)脫硫塔內(nèi)流場分布狀況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，對于同一塔型，采用較大的噴淋速度，可以提高脫硫塔內(nèi)流場分布的均勻性。

關(guān)鍵詞：濕法脫硫；脫硫噴淋塔；噴淋速度

Abstract： Flow field in the wet desulfurization spray tower has a great influence on the desulfurization efficiency， this paper analysis the flow field in the tower by numerical simulation . Results showed that to the same type， adopt larger spray speed， can improve the uniformity of the distribution of flow field in the desulfurization tower.

Key words：wet desulphurization；desulfurization of spray tower；spray speed

濕法脫硫噴淋塔的設(shè)計(jì)以及脫硫效率受到脫硫塔內(nèi)氣液兩相流動的直接影響[12]。對脫硫噴淋塔進(jìn)行數(shù)值模擬，能更有效地分析其內(nèi)部的流場及溫度場[35]。唐志永等[6]對某型脫硫噴淋塔空塔進(jìn)行二維模擬，指出塔體形狀對流場影響較大。劉定平等[7]對某型切圓式噴淋塔流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明噴嘴數(shù)量及其位置分布會影響塔內(nèi)的氣流分布狀況。

目前脫硫塔數(shù)值模擬研究中，針對噴淋速度對塔內(nèi)流場的影響研究較少，而循環(huán)漿液的噴淋速度對于塔內(nèi)流場分布有著較大的影響。本文通過數(shù)值模擬的方法研究了采用不同噴淋速度時(shí)塔內(nèi)的流場分布狀況。

1 物理模型

脫硫塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。煙氣沿圖中所示彎頭進(jìn)入塔體，避免了煙氣由進(jìn)口直沖向?qū)ο虮诿妫S后上行依次通過旋流板，到達(dá)主要噴淋吸收區(qū)域。脫硫噴淋漿液由環(huán)形布置于噴淋層的噴嘴噴出，與上行煙氣逆向混合。

2 數(shù)學(xué)模型

噴淋塔內(nèi)噴淋漿液以小液滴的形式離散分布在煙氣中，這種流形的求解適宜采用歐拉—拉格朗日方法。在計(jì)算中對煙氣用歐拉方法，漿液的處理則用拉格朗日方法。

2.1 連續(xù)相模型

脫硫塔內(nèi)煙氣流速較低，壓力變化較小，隨流動產(chǎn)生的密度變化較小，模擬過程中將煙氣視為不可壓縮流體，定常流動對應(yīng)的方程如下。

連續(xù)性方程：

漿液噴射進(jìn)入塔內(nèi)后與煙氣發(fā)生混合，在湍流旺盛區(qū)域采用Realizable kε模型，其方程如下：

對近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程求解，以節(jié)省運(yùn)算資源。

2.2 離散相模型

采用DPM模型對噴淋漿液進(jìn)行拉格朗日計(jì)算，將噴淋液滴視為離散相，其在拉格朗日坐標(biāo)系下的運(yùn)動方程：

式中：Fd為液滴的曳力，F(xiàn)x為其他作用力，u為煙氣速度，up為液滴速度。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

煙氣出口位于脫硫塔上方，采用壓力出口設(shè)置。噴淋漿液作為離散相處理，位置設(shè)置為噴嘴在塔內(nèi)空間分布的實(shí)際尺寸，噴嘴類型采用錐形噴嘴類型。壁面對液滴作用選用吸收類型，即漿液附著于壁面后部分蒸發(fā)，其余部分沿壁面向下流動。模擬過程中考慮漿液中水分的蒸發(fā)。由于所計(jì)算流場區(qū)域基本均勻且在對網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化以后網(wǎng)格寬徑比較小，故采用SIMPLE算法，單精度計(jì)算[8]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文研究過程中分別對噴淋速度為10m/s、15m/s、20m/s的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果如下：

圖2所示是加入噴淋后，噴淋速度不同時(shí)噴淋塔內(nèi)煙氣流線圖。由圖可以看出，講野噴淋速度不同時(shí)，噴淋塔內(nèi)的煙氣流動狀態(tài)不同。由圖2（a）可以看出，噴淋速度為10m/s時(shí)，在噴淋層下方區(qū)域，煙氣流動已經(jīng)開始發(fā)生變化，兩側(cè)高速向上流動的煙氣擴(kuò)散過程受到擾動，在噴淋層下方主要吸收區(qū)域出現(xiàn)小的渦旋，煙氣到達(dá)該區(qū)域后速度方向發(fā)生改變，煙氣由直接向上沖出塔體變?yōu)樵谠搮^(qū)域有一定的回流現(xiàn)象出現(xiàn)；由圖2（b）（c），噴淋速度分別增大到15m/s和20m/s時(shí)，噴淋層下方主要吸收區(qū)域渦旋區(qū)域逐漸增大，擴(kuò)散至該區(qū)域的煙氣受到的擾動狀況更加明顯。

圖3是噴淋速度不同時(shí)塔體中心截面上煙氣速度分布云圖。如圖3（a）所示，噴淋速度為10m/s時(shí)，煙氣進(jìn)口側(cè)塔壁處煙氣流速最高達(dá)到10.5m/s左右，主要吸收區(qū)域壁面處煙氣速度最高達(dá)到5m/s；噴淋塔中心區(qū)域流速則在1m/s到2m/s之間；如圖3（b）所示，噴淋速度增大到15m/s時(shí)，在主要吸收區(qū)域煙氣速度大小從兩側(cè)塔壁到中心位置逐漸降低，且在該區(qū)域內(nèi)煙氣速度大部分在1m/s到2m/s之間，漿液噴淋速度增大至20m/s時(shí)，如圖3（c）所示，噴淋塔中心位置附近較大區(qū)域的煙氣速度在1m/s到3m/s之間。煙氣流動速度在1m/s到4m/s之間時(shí)，有助于提高煙氣與漿液液滴的作用時(shí)間有利于吸收反應(yīng)更充分的進(jìn)行，由圖3可以看出，在主要吸收區(qū)域增大噴淋速度可以使處于該速度區(qū)間的空間比例變大且溫度分布趨于均勻，這樣有利于吸收反應(yīng)的進(jìn)行。

4 結(jié)論

通過調(diào)節(jié)漿液噴淋速度可以在一定程度上起到整流均布的目的，使在主要吸收區(qū)域處于較合理流速的煙氣比例增大。在運(yùn)行工況允許的情況下，脫硫噴淋塔應(yīng)該采用較大的噴淋速度以提高塔內(nèi)流場分布的均勻性。

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作者簡介：劉仲然（1990-），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊煔饷摿蚣夹g(shù)。