基于CFD的煙氣脫硫數(shù)值模擬研究

孫晶

摘 要：論文通過(guò)簡(jiǎn)述活性炭的化學(xué)性質(zhì)及基本原理，得出活性炭表面有很多官能團(tuán)可以吸附含硫化合物，應(yīng)用CDF軟件建立活性炭脫硫數(shù)值模型，可得煙氣入口速度、SO2入口濃度、吸附溫度對(duì)活性炭脫硫效果的影響，并通過(guò)與實(shí)際試驗(yàn)效果進(jìn)行對(duì)比，探究出最適合實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：CDF；煙氣脫硫；數(shù)值模擬；活性炭

一、活性炭的脫硫原理

通常氣體吸附在固體上有兩種：物理吸附、化學(xué)吸附。物理吸附是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間作用力即作范德華力引起的，該結(jié)合力較弱，在吸附過(guò)程中沒(méi)有電子轉(zhuǎn)移、化學(xué)的斷裂和生成及原子重排等，物理吸附一般在20℃-80℃就可發(fā)生且不需要活化能，被吸附物質(zhì)也較易被解吸出來(lái)，因此該過(guò)程是可逆的。化學(xué)吸附是吸附質(zhì)分子與固體表面原子或分子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移、交換或共用，該過(guò)程一般需要活化能，對(duì)溫度也有要求，中溫（80℃-160℃）以化學(xué)吸附為主，活性炭脫硫的化學(xué)反應(yīng)主要是其表面的SO2和O2發(fā)生催化反應(yīng)，生成SO3并與水生成H2SO4，當(dāng)溫度超過(guò)250℃時(shí)幾乎全部為化學(xué)吸附。活性炭的脫硫原理如下：

O2→2O*，SO2→SO2*，H2O→H2O* （1）

SO2*+O*→SO3* （2）

SO3*+H2O*→H2SO4*，H2SO4*+nH2O→（H2SO4·nH2O） （3）

其中：*—表示吸附于活性炭表面的分子，反應(yīng)（2）是控制步驟。

二、CFD簡(jiǎn)述

對(duì)于流體的分析研究，傳統(tǒng)的方法是理論分析法和實(shí)驗(yàn)測(cè)量法。理論分析方法是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的計(jì)算方法的基礎(chǔ)，要求先對(duì)計(jì)算對(duì)象抽象化和簡(jiǎn)單化。實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法所得到的結(jié)果真實(shí)可信，但實(shí)驗(yàn)常常受到工藝尺寸、人身安全和測(cè)量精度的限制，有時(shí)可能很難通過(guò)試驗(yàn)方法得到結(jié)果。該方法通過(guò)虛擬數(shù)值試驗(yàn)，可以對(duì)流體性能進(jìn)行精準(zhǔn)的驗(yàn)證和預(yù)測(cè)，可以對(duì)復(fù)雜的流體流動(dòng)及傳熱現(xiàn)象進(jìn)行精確地計(jì)算和分析，減少試驗(yàn)成本。將該方法與理論分析方法、實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法結(jié)合，組成了研究流體流動(dòng)問(wèn)題的完整“3D”體系。

三、基于CFD活性炭脫硫數(shù)值模型的建立

（一）建立數(shù)學(xué)模型。使用CFD軟件進(jìn)行計(jì)算，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型，空間區(qū)域離散選擇外節(jié)點(diǎn)法劃分網(wǎng)格，對(duì)壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法求解，流體運(yùn)動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。

1、質(zhì)量守恒方程

式中u、v、w分別為x、y、z坐標(biāo)上的速度。

2、動(dòng)量方程

式中，為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為源項(xiàng)，為耗散系數(shù)。

3、能量方程

式中，為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，為流體的內(nèi)熱源，為表面力對(duì)流體微元體所做的功，一般可以忽略。

（二）活性炭脫硫模擬結(jié)果分析

1、煙氣入口速率。煙氣入口速度在提高的同時(shí)分子在床內(nèi)的停留時(shí)間會(huì)縮短，煙道中部分未及時(shí)反應(yīng)的氣體被帶走，使反應(yīng)器脫硫效率降低，反之脫硫效果就會(huì)提高。如圖1在SO2出口濃度隨脫硫時(shí)間的變化情況。

2、初始SO2濃度。當(dāng)煙氣中的SO2含量較高時(shí)，活性炭與SO2間的濃度梯度增大，氣體擴(kuò)散的推動(dòng)力增大，使更多的SO2氣體通過(guò)活性炭的微孔深入到顆粒內(nèi)部發(fā)生物理吸附與化學(xué)反應(yīng)，煙氣中SO2濃度增加會(huì)與更多O2分子發(fā)生反應(yīng)。此外，溫度對(duì)多孔介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)影響非常大，60℃下活化能較小，化學(xué)反應(yīng)不劇烈，即使增加初始SO2濃度也不會(huì)對(duì)脫硫效果有較大的影響。

3、吸附溫度。吸附床層溫度增加多孔介質(zhì)區(qū)濃度也增加，該模擬過(guò)程只考慮化學(xué)吸附過(guò)程，當(dāng)入口煙氣溫度增大時(shí)，煙氣中的分子運(yùn)動(dòng)會(huì)更加劇烈，與反應(yīng)器內(nèi)分子的接觸會(huì)更充分，使氧化反應(yīng)速度加快，活性炭孔內(nèi)濃度升高，可知反應(yīng)的活化能與溫度成正相關(guān)，參與反應(yīng)的物質(zhì)越多，反應(yīng)速率就越快。在40℃和60℃時(shí)，多孔介質(zhì)中濃度很低，說(shuō)明只有很少的一部分SO2轉(zhuǎn)化為S03。當(dāng)溫度升到時(shí)，大量的反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行，使得不斷生成和積累，最高含量達(dá)。

四、結(jié)語(yǔ)

總而言之，煙氣中含硫化合物排放到大氣中會(huì)污染大氣環(huán)境，還會(huì)形成酸雨，因此，研究活性炭煙氣脫硫?qū)τ跍p少含硫化合物的排放具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而建立CDF活性炭脫硫數(shù)值模型可以為相關(guān)人員提供更具科學(xué)性的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王盼.活性炭煙氣脫硫工藝的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題[J].江西建材，

2016，05：275-276.endprint