導(dǎo)流板改善反應(yīng)器流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究

吳義連安恩科*周洪權(quán)孫向軍宋堯季華文

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

近年來(lái)興起的固體廢棄物焚燒發(fā)電技術(shù)，具有無(wú)害化、減量化、資源化等優(yōu)勢(shì)，先后在許多國(guó)家推廣使用，成為了近年來(lái)城市生活垃圾處理的研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)[1]。我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電廠的運(yùn)行數(shù)目已由2000年以前的2座快速增加到2016年底的249座[2]。對(duì)于垃圾焚燒發(fā)電中產(chǎn)生的酸性氣體，目前的去除方法主要有濕法、半干法、干法三種。我國(guó)現(xiàn)已投運(yùn)的垃圾焚燒發(fā)電廠大多采用“半干法+布袋除塵”以及“半干法+干法+布袋除塵” 的脫酸工藝。碳酸氫鈉干法因其系統(tǒng)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，在保證排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下，必將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

本文利用 Fluent 軟件，采用 Realizablek-ε湍流模型及離散相模型，對(duì)一種碳酸氫鈉干式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了導(dǎo)流板數(shù)對(duì)碳酸氫鈉顆粒分布均勻性、彎管處最大速度、反應(yīng)器壓損的影響，并選取了合適的導(dǎo)流板數(shù)目，為反應(yīng)器的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和研究依據(jù)。

1 物理模型

本文的研究對(duì)象是一套簡(jiǎn)化的干式煙氣凈化設(shè)備，主體是兩段直管和一段彎管，煙氣和碳酸氫鈉顆粒從左側(cè)直管進(jìn)入，從右上方流出。建立物理模型，并導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于沒(méi)有導(dǎo)流板的模型（如圖1所示），采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)為3623572個(gè)。對(duì)于有導(dǎo)流板的模型（共8個(gè)模型，圖2展示了導(dǎo)流板數(shù)量為5的模型），采用六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格結(jié)合使用的方法進(jìn)行劃分，彎管導(dǎo)流板處采用四面體網(wǎng)格，其余部分采用六面體網(wǎng)格，交界處采用interface，不同導(dǎo)流板數(shù)模型的網(wǎng)格劃分情況如表1所示。不同模型結(jié)構(gòu)相似，選取有5個(gè)導(dǎo)流板的模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，最終選擇各個(gè)模型網(wǎng)格數(shù)均在350萬(wàn)左右，能夠保證計(jì)算精度。設(shè)備參數(shù)如表2所示。

圖1 無(wú)導(dǎo)流板模型

圖2 五導(dǎo)流板模型

表1 不同模型網(wǎng)格劃分情況

表2 設(shè)備參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 連續(xù)相控制方程

煙氣在本文中被認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)，其 控制方程包括連續(xù)性方程，能 量方程，動(dòng) 量方程，組 分方程以及k-ε湍流方程[3]，通 用表達(dá)式為

式中：φ為通用變量，分 別代表常數(shù) 1，氣 體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速度，氣 體焓，湍 動(dòng)能耗散率和湍動(dòng)能。Γφ為 輸運(yùn)系數(shù)。Sφ為 源項(xiàng)，包 括氣相作用源項(xiàng)和氣相與顆粒相間作用源項(xiàng)。

2.2 顆粒相控制方程

將碳酸氫鈉顆粒視為離散相。使用顆粒軌道模型模擬碳酸氫鈉顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。假設(shè)碳酸氫鈉為球形顆粒，僅 考慮煙氣對(duì)顆粒的曳力和顆粒自身的重力，忽略作用在顆粒上的其它力[4]。顆粒作用力平衡方程為：

式中：為氣相平均速度，m /s；up為顆粒速度，m /s；ρp為顆粒密度，kg/m3；FD(-up)是碳酸氫鈉顆粒受煙氣的單位質(zhì)量曳力，其 中：

式中：μ是流體的動(dòng)力粘度，kg/(m·s)；dp為顆粒直徑，m；R e為相對(duì)雷諾數(shù)；CD為阻力系數(shù)，它 的表達(dá)式為：

3 計(jì)算方法

3.1 基本假設(shè)

1）假設(shè)整個(gè)反應(yīng)器的壁面均勻絕熱，對(duì)流及換熱僅在煙氣與碳酸氫鈉顆粒間進(jìn)行。

2）碳酸氫鈉顆粒初始速度在入口截面圓周上均勻分布，忽略顆粒間的相互摩擦和碰撞。

3）煙氣被視為不可壓縮黏性流體，不考慮溫度對(duì)煙氣密度的影響。將碳酸氫鈉顆粒視為離散相，且顆粒是相同粒徑的球體，不考慮顆粒間的相互作用力。

3.2 邊界條件

3.2.1 連續(xù)相初始邊界條件

煙氣入口為速度入口，速 度大小為15m/s，在 入口截面上均勻分布，方 向垂直于入口截面，煙 氣溫度為463.15 K。出口為壓力出口，出 口壓力為零。其余壁面均為絕熱邊界條件。操作壓力為101325Pa，重 力大小為9.8m/s2，方 向沿豎直段管道軸線向下。煙氣組分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：H2O（0.1601325），O（20.05457662），N O2（0.000292516），C O2（0.1566809），SO2（0.000420227），HCL（0.000622707）。

3.2.2 離散相初始邊界條件

顆粒從入口截面均勻進(jìn)入反應(yīng)器。顆粒直徑為均一粒徑，0.0003 m，溫度為300K，速度大小為 15m/s，方向與入口截面垂直，質(zhì)量流量為0.08 kg/s。開(kāi)啟隨機(jī)軌道模型。顆粒密度為2159 kg/m3，比熱容為1219.63 J/(kg·K)。進(jìn)出口的DPM邊界條件為escape，其余壁面的DPM邊界條件為reflect。

3.3 方程求解

在歐拉坐標(biāo)系下采用 Realizablek-ε雙方程模型求解氣相連續(xù)，動(dòng)量，能量和組分方程。在拉格朗日坐標(biāo)系下采用離散相模型和顆粒軌道模型追蹤碳酸氫鈉顆粒的運(yùn)動(dòng)。先計(jì)算得到氣相場(chǎng)的收斂解，隨后耦合顆粒相進(jìn)行計(jì)算，在氣相和顆粒相之間進(jìn)行反復(fù)耦合迭代求解，直至得到收斂解。其中壓力-速度耦合，采用 SIMPLE算法，壓力采用standard離散格式，其余項(xiàng)均為二階迎風(fēng)格式。

4 模擬結(jié)果與分析

對(duì)于不同模型的計(jì)算結(jié)果，采用不同截面上顆粒濃度的標(biāo)準(zhǔn)差與平均濃度的比值（顆粒濃度不均勻系數(shù)）來(lái) 判斷模型的顆粒濃度均勻性是否滿足要求[5]：

式中：σc為顆粒濃度標(biāo)準(zhǔn)差；n為相應(yīng)截面上導(dǎo)出數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)；ci為i數(shù)據(jù)點(diǎn)的顆粒濃度；為截面上顆粒的平均濃度；xc為顆粒濃度不均勻系數(shù)。xc值越小，表明顆粒分布越均勻。

每個(gè)模型的分析截面，均為以反應(yīng)器主管段中軸線為法線的圓截面，各個(gè)截面的具體位置如其名稱所示。不同模型分析截面的顆粒濃度不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同模型分析截面的顆粒濃度不均勻系數(shù)

先從表3可以看出，對(duì)于不加導(dǎo)流板的模型，除了入口水平段外，各個(gè)分析截面上的顆粒濃度不均勻系數(shù)都在 150%以上，最高甚至超過(guò)了 600%，說(shuō)明此模型中碳酸氫鈉顆粒的分布很不均勻，需要對(duì)此做出改善。圖3為無(wú)導(dǎo)流板模型的顆粒軌跡圖，從中也可以看出顆粒在豎直段的分布很不均勻。

圖3 無(wú)導(dǎo)流板模型的顆粒軌跡圖

其次，比較表3中無(wú)導(dǎo)流板模型和具有不同數(shù)量導(dǎo)流板模型的平均顆粒濃度不均勻系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)可以明顯改善反應(yīng)器顆粒分布的均勻性，對(duì)于導(dǎo)流板數(shù)量不低于3的模型，分析截面上平均顆粒濃度不均勻系數(shù)均從無(wú)導(dǎo)流板模型的237.42%減小到了90%以下，圖4是有5塊導(dǎo)流板模型的顆粒軌跡圖，與圖3對(duì)比，可以明顯看出顆粒分布變得更均勻。

圖4 五導(dǎo)流板模型的顆粒軌跡圖

另外，比較分析不同數(shù)量導(dǎo)流板模型的平均顆粒濃度不均勻系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著導(dǎo)流板數(shù)量的增加，平均顆粒濃度不均勻系數(shù)一直在減小，而在最開(kāi)始，平均顆粒濃度不均勻系數(shù)的降幅比較大。導(dǎo)流板數(shù)從1增加到2時(shí)，平均顆粒濃度不均勻系數(shù)減小了38.5%。導(dǎo)流板數(shù)從2增加到3時(shí)，平均顆粒濃度不均勻系數(shù)減小了9.7%。導(dǎo)流板數(shù)從3增大到4時(shí)，平均顆粒濃度不均勻系數(shù)減小了11.16%。導(dǎo)流板數(shù)從4增加到5時(shí)，平均顆粒濃度不均勻系數(shù)減小了4.89%。導(dǎo)流板數(shù)從5增加到6時(shí)，平均顆粒濃度不均勻系數(shù)只減小了2.33%。圖5是平均顆粒濃度不均勻系數(shù)與導(dǎo)流板數(shù)的關(guān)系曲線，從圖5中可直觀地看出上述規(guī)律。

圖5 平均顆粒濃度不均勻系數(shù)與導(dǎo)流板數(shù)的關(guān)系曲線

下面是對(duì)導(dǎo)流板改善速度場(chǎng)的分析，圖6和圖7分別是過(guò)無(wú)導(dǎo)流板模型和三導(dǎo)流板模型彎管部分中軸線中點(diǎn)所作的分析截面的速度云圖，圖8是各個(gè)模型在此截面上速度最大值的情況。從圖6和圖7可以看出，相比于無(wú)導(dǎo)流板模型，三導(dǎo)流板模型的速度分布均勻性沒(méi)有明顯地改善。從圖8可以看出，分析截面上的速度最大值總體上是隨著導(dǎo)流板數(shù)量的增加而減小的，僅在導(dǎo)流板數(shù)量為5和7時(shí)，速度最大值略有增加，選取合適數(shù)量的導(dǎo)流板，可以減小彎管部分的最大速度，減輕對(duì)該區(qū)域管壁的磨損。

圖6 無(wú)導(dǎo)流板模型分析截面速度云圖

圖7 三導(dǎo)流板模型分析截面速度云圖

圖8 各個(gè)模型分析截面上的速度最大值

圖9 各個(gè)模型壓力損失情況

圖9是各個(gè)模型的壓力損失情況，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量從0增加到2時(shí)，壓力損失值有明顯增加，從121.41Pa增加到了136.25Pa。當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量從2增加到4時(shí)，壓力損失從136.25Pa減小到了123.37Pa。當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量從4增加到8時(shí)，壓力損失的變化沒(méi)有明顯規(guī)律，在導(dǎo)流板數(shù)量為6時(shí)，壓力損失的值最小，為122.52Pa。以上分析可以看出，有導(dǎo)流板的模型相比于無(wú)導(dǎo)流板模型，壓力損失是增大的，但導(dǎo)流板數(shù)量越多，模型的壓力損失不一定會(huì)越大，合適數(shù)量的導(dǎo)流板會(huì)使模型的壓力損失減小。

5 結(jié)論

本文使用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，對(duì)一種碳酸氫鈉脫酸反應(yīng)器流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，研究了導(dǎo)流板數(shù)量對(duì)反應(yīng)器流場(chǎng)的影響。計(jì)算結(jié)果表明：導(dǎo)流板可以改善模型中顆粒分布的均勻性，當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量較少時(shí)，其數(shù)量的增加可以明顯改善顆粒分布均勻性，當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量超過(guò)5時(shí)，其數(shù)量的增加對(duì)顆粒分布均勻性的改善不是很明顯。導(dǎo)流板對(duì)彎管部分速度分布的均勻性沒(méi)有明顯改善，但減小了最大速度值，可以減輕對(duì)該區(qū)域管壁的磨損，速度最大值基本上隨著導(dǎo)流板數(shù)量的增加而減小，僅在導(dǎo)流板數(shù)量為 5 和7時(shí)略有增加。有導(dǎo)流板模型相比于無(wú)導(dǎo)流板模型，壓力損失是增大的，但壓力損失的大小與導(dǎo)流板數(shù)量的關(guān)系沒(méi)有明顯規(guī)律，對(duì)于本文研究的模型，6 塊導(dǎo)流板的壓力損失最小。綜合考慮顆粒分布均勻性、彎管處最大速度值以及壓力損失，對(duì)本文研究的模型，建議使用6塊導(dǎo)流板，可以明顯改善顆粒分布的均勻性、減小彎管處最大速度值，壓力損失相比無(wú)導(dǎo)流板模型只增加了1.11Pa。

[1]Nie Y F.Development and prospects of municipal solid waste (MSW)incineration in China[J].Front.Environ.Sci.Engin., 2008,2(1):1-7

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.2016年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)[EB/OL].http://www.mohurd.gov.cn/xytj/tjzljsxytjgb/tjxxtjgb/ 201708/t20170818_232983.html

[3]解海衛(wèi),張于峰,張艷.垃圾焚燒電廠煙氣脫酸數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(5):17-22.

[4]紀(jì)辛,黃碧純,黃昕.垃圾焚燒煙氣噴霧干燥脫酸塔流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2010,27(4):340-345

[5]周強(qiáng)強(qiáng).SCR脫硝系統(tǒng)煙道氣動(dòng)流場(chǎng)數(shù)值研究[D].大連:大連海事大學(xué),2015