一種船用旋流反應(yīng)脫硫塔設(shè)計的數(shù)值模擬

翟亞軍，張懷宇，周 密，陳 寧

（1. 中遠(yuǎn)海運重工有限公司，上海 200120；2. 江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

為了有效地控制船舶硫氧化物的排放，1997年 9月在海上環(huán)境保護委員會（MEPC）第40屆會議上通過了國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）73/781997年議定書（包括MARPOL附則Ⅵ—防止船舶造成空氣污染規(guī)則）及8個決議案。MARPOL附則Ⅵ第14條嚴(yán)格規(guī)定了船舶燃油含硫量標(biāo)準(zhǔn)和強制執(zhí)行的時間節(jié)點[1]。自2003年MEPC 50屆會議至2013年MEPC 65屆會議，10年共16屆環(huán)保會議上制定和修改了國際海事組織（IMO）的MARPOL附則Ⅵ，在全球范圍內(nèi)確定了一些特殊區(qū)域和特別敏感海區(qū)，設(shè)為船舶廢氣排放控制區(qū)（ECA）[2]。因此，脫硫塔作為船用煙氣脫硫系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備正廣泛應(yīng)用于船舶上。但由于船舶上空間有限，傳統(tǒng)噴淋脫硫塔體積過于龐大，使得脫硫塔在船舶上的安裝運行受到很大限制[3-5]。因此，本文提出一種利用旋風(fēng)分離器原理的新型脫硫塔，塔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流不僅增大了湍流強度使得氣液混合更充分、反應(yīng)更快速徹底，而且大大增加了煙氣在塔內(nèi)的行程，使得煙氣在有限尺寸的脫硫塔內(nèi)依然有足夠的反應(yīng)時間。

1 旋流脫硫塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

旋流脫硫塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：塔徑D、煙氣進口尺寸W×L、煙氣出口直徑D0、底流口直徑Du、柱段長度H、煙氣出口插入深度H0、錐角θ，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，具體數(shù)值如表1所示。

圖1 旋流脫硫塔結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1 旋流脫硫塔結(jié)構(gòu)尺寸

2 氣-液兩相流的數(shù)值模擬

2.1 湍流模型

旋流脫硫塔內(nèi)的流場是一種高雷諾數(shù)、強旋流的流動，Bernardo研究發(fā)現(xiàn)各相同性標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型已不能準(zhǔn)確描述強旋流流場特征。Erdal采用雷諾應(yīng)力模型準(zhǔn)確預(yù)測了旋流器內(nèi)的流場分布。本文采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）模擬旋流脫硫塔內(nèi)的強旋湍流流場。雷諾應(yīng)力模型所對應(yīng)的方程包括：

1）連續(xù)性方程

2）運動方程

式中：Ui為時均速度；gi為重力加速度分量；P為介質(zhì)壓力；u′為脈動速度；xi為笛卡爾坐標(biāo)分量；ρ為介質(zhì)密度；μ為介質(zhì)黏度。

3）雷諾應(yīng)力運輸方程

4）湍動能方程

5）湍動能耗散方程

2.2 組分傳輸模型

FLUENT軟件提供了通用有限速度模型、非預(yù)混和燃燒模型、預(yù)混和燃燒模型、部分預(yù)混和燃燒模型4種模擬反應(yīng)的方法。本文采用的通用有限速度模型是基于組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輸運方程解，可以根據(jù)定義的化學(xué)反應(yīng)機制，對化學(xué)反應(yīng)進行模擬。這種模型的應(yīng)用十分廣泛，可包含預(yù)混、部分預(yù)混、非預(yù)混以及燃燒等，主要用于模擬化學(xué)組分混合、輸運和反應(yīng)的問題。

2.3 三維模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)旋流脫硫塔的結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)用PROE軟件建立旋流脫硫塔三維結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示，再將模型導(dǎo)入ICEM軟件中劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖3所示。

圖2 幾何模型

圖3 網(wǎng)格圖

2.4 初始條件和邊界條件設(shè)置

1）模擬的初始條件

采用RSM湍流模型求解瞬態(tài)的雷諾應(yīng)力方程，計算塔內(nèi)強旋流場；采用能量模型和組分傳輸模型模擬強旋流場內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。煙氣溫度為373 K，其中SO2的體積分?jǐn)?shù)為0.12%。CaCO3溶液在進口處被霧化成微小液滴，按照與SO2氣體摩爾比4∶1的比例和煙氣混合進入脫硫塔內(nèi)。

2）模擬的邊界條件

入口邊界條件：入口邊界類型選擇速度進口（velocity inlet），煙氣流量Q=28.49 kg/s，計算入口流速為25 m/s。

出口邊界條件：出口邊界類型選擇流動出口（outflow）。

壁面邊界條件：計算壁面的邊界條件采用無滑移邊界。

3 結(jié)果與分析

3.1 旋流脫硫塔內(nèi)的速度場模擬

在旋流反應(yīng)器的速度場中，切向速度占據(jù)著一個重要的地位，這不僅因為切向速度在數(shù)值上遠(yuǎn)大于其他兩個方向的速度，而且因為切向速度是離心力產(chǎn)生的前提。

為了利于觀察不同截面的切向速度分布，在旋流脫硫塔柱段和錐段分別取2個截面進行分析，即y1=2 m，y2=0.6 m，y3=?1.4 m，y4=?3.4 m，其分布示意圖如圖4所示。

圖4 旋流脫硫塔截面分布示意圖

圖5 中，a）、b）、c）、d）分別為y1、y2、y3、y4旋流脫硫橫截面的切向速度分布圖。由圖5可知：塔內(nèi)流場的切向速度分布基本呈軸對稱，速度由中心處沿徑向方向隨著半徑的增大而不斷增大，到達最大值以后又逐漸減小，在塔壁附近降至較低，由此可以看出塔壁處和中心軸線處為切向速度低速區(qū)，旋渦在這兩處形成，塔壁處為自由渦，中心軸線處為強制渦，雙渦交匯處切向速度最大，約在r=0.5 m處取得。

3.2 旋流脫硫塔內(nèi)的壓力場模擬

圖6為z=0 m、y=3 m處的截面靜壓分布云圖。從圖6中z=0 m處的剖面可以看出：靜壓沿軸向由塔頂向塔底，壓力沒有明顯的變化，等壓的位置幾乎與中心軸線平行，所以可以得出軸向位置對壓力的影響很??；從圖6中y=3 m處的截面可以看出，壓力沿著徑向方向隨半徑的減小而減小，塔壁處壓力最高，中心軸線處壓力最低，這一現(xiàn)象與理論上旋流器中心軸線處易形成低壓氣柱相吻合。低壓區(qū)使得煙氣能夠沿著中心軸線處上升直至塔頂處的煙氣出口排出。

圖5 不同旋流脫硫橫截面的切向速度分布圖

圖6 z=0 m、y=3 m處靜壓分布云圖

3.3 旋流脫硫塔內(nèi)的濃度場模擬

3.3.1 旋流脫硫塔內(nèi)SO2濃度分布

圖7為z=0 m、y=3 m處SO2濃度分布云圖。從圖7中z=0 m處的剖面可以看出：塔內(nèi)柱段SO2濃度變化明顯，從上到下、從塔壁到中心處，SO2濃度急劇減小，說明堿液與SO2氣體充分接觸并反應(yīng)，錐段處SO2濃度穩(wěn)定在一個極低的范圍內(nèi)；從圖7中y=3 m處的截面可以看出：煙氣由進口切向進入沿塔壁環(huán)流后濃度急劇減少，其變化的趨勢呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)渦流的形態(tài)，其間，SO2幾乎全部被霧化的堿液吸收，脫除效率達到了99.5%以上。

圖7 z=0 m、y=3 m處SO2濃度分布云圖

3.3.2 旋流脫硫塔內(nèi)堿液濃度分布

圖8為z=0 m和y=3 m處堿液濃度分布云圖。從圖8中可以看出：塔內(nèi)堿液濃度與SO2濃度變化趨勢一致。由進口切向進入塔內(nèi)后沿塔壁環(huán)流后濃度快速減少，變化趨勢為旋轉(zhuǎn)渦流的形態(tài)。

圖8 z=0 m、y=3 m處堿液濃度分布云圖

4 結(jié)論

為了更好地滿足IMO關(guān)于船舶硫氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)，本文提出一種利用旋風(fēng)分離器原理的新型脫硫塔，并利用FLUENT軟件，采用雷諾應(yīng)力模型和組分傳輸模型對塔內(nèi)的強旋流場和化學(xué)反應(yīng)進行三維數(shù)值模擬，基于模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1）塔內(nèi)流場的切向速度分布基本符合蘭金組合渦特征。塔中塔壁處和中心軸線處切向速度較小，在這兩處形成了旋渦，塔壁處為自由渦，中心軸線處為強制渦，雙渦交匯處切向速度最大，大約是在r=0.5 m處。

2）軸向位置對壓力的影響很小，塔壁處壓力最高，中心軸線處壓力最低，這一現(xiàn)象與理論上旋流器中心軸線處易形成低壓氣柱相吻合。

3）SO2和堿液經(jīng)進口切向進入塔內(nèi)以后，濃度沿塔壁進行環(huán)流的過程中快速減少，其變化的趨勢呈渦流狀；SO2在塔內(nèi)與堿液充分接觸并幾乎被全部吸收，其脫出效率達到了99.5%以上。

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