脫硫塔流場的數(shù)值模擬

馬昕霞, 李永光, 周世清, 張麗華

(1.上海電力學(xué)院, 上?！?00090; 2.上海三卿環(huán)保科技有限公司, 上?！?00120)

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脫硫塔流場的數(shù)值模擬

馬昕霞1, 李永光1, 周世清2, 張麗華1

(1.上海電力學(xué)院, 上海200090; 2.上海三卿環(huán)?？萍加邢薰? 上海200120)

摘要:以濕法脫硫塔為研究對象,以紊流模型及顆粒軌道模型為理論基礎(chǔ),利用FLUENT軟件計算了脫硫塔內(nèi)的三維流場.從計算結(jié)果來看,脫硫塔塔形、煙氣進口形式、脫硫?qū)硬贾眯问降葘γ摿蛩?nèi)的流場都有較大的影響.

關(guān)鍵詞：煙氣脫硫; 脫硫塔; 數(shù)值模擬; 流場

我國是一個以煤炭為主要能源的國家,煤炭一直占我國能源生產(chǎn)和消耗的70%以上,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,煤炭消耗量不斷增長,二氧化硫的排放量也隨之增大.二氧化硫是引起大氣污染的主要氣態(tài)污染物,其數(shù)量大、影響面廣,治理難度也最大.目前,濕法煙氣脫硫工藝是我國和世界各國煙氣脫硫的首選工藝,其核心裝置為脫硫吸收塔.然而,脫硫塔設(shè)計的合理與否將直接影響脫硫效果,因此成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點.李蔭堂等人[1]提出在煙氣脫硫噴淋塔煙氣進口設(shè)置導(dǎo)流板或采用切向進口,塔體為圓柱形.王青寧等人[2]采用氧化鋅作為脫硫劑,進行了脫除硫化氫的實驗研究.KIKKAWA Hirofumi[3]在噴淋塔內(nèi)使用粒狀石灰石做脫硫劑進行了試驗研究.楊忠國等人[4]利用CFD軟件對移動床內(nèi)的SO3濃度場、煙氣速度場和壓力場進行了模擬計算,研究了煙氣入口速度、煙氣入口SO2濃度等因素對脫硫效率的影響.

本文以某造紙廠建造的一套冷凝式煙氣脫硫系統(tǒng)中的脫硫塔為研究對象,該脫硫系統(tǒng)用于處理該廠蒸發(fā)量為4 t/h的燃煤鍋爐所產(chǎn)生的煙氣.原脫硫塔煙氣經(jīng)除塵器后進入管式煙硫塔流出后進入管式煙氣換熱器,與較高溫度的原煙氣換熱升溫后經(jīng)煙囪排放.系統(tǒng)原有的脫硫塔在實際投運后發(fā)現(xiàn)不足以處理鍋爐產(chǎn)生的煙氣,主要存在的問題有:脫硫塔煙氣入口面積較小,且圓柱形入口導(dǎo)致煙氣集中進入塔體,不利于煙氣擴容;煙氣入口為水平方向,易引起煙氣貼壁運動;塔內(nèi)煙氣速度過大,且分布不均勻;有噴淋時煙氣流場雖有所改善,但煙氣到達噴淋層時分布尚不均勻,噴淋層布置偏少.

針對以上問題,本文提出了合理的優(yōu)化措施,對原脫硫塔進行了優(yōu)化設(shè)計.利用Fluent軟件對原脫硫塔及優(yōu)化設(shè)計后的脫硫塔塔內(nèi)流場分別進行數(shù)值模擬,并將模擬結(jié)果進行比較,得出了更為合理的塔形.

1脫硫塔的優(yōu)化設(shè)計

針對目前脫硫塔存在的問題,做以下改進:采用寬大的矩形煙氣入口,以使煙氣低速分散進入塔體;設(shè)計煙氣進口與水平成10°,減少煙氣貼壁流動;增大塔體直徑,降低塔內(nèi)煙氣流速;增高塔體高度,使煙氣在塔內(nèi)充分擴容,均勻分布;增加氣液接觸時間,噴淋層數(shù)增加為3層,分別在1 m,1.5 m,2 m高處設(shè)置噴淋層,每層設(shè)5個噴嘴,且每層噴嘴相差30°.表1給出了脫硫塔的基本參數(shù).

2流場模擬與實驗驗證

2.1物理原型

選取冷凝式脫硫塔作為數(shù)值計算的物理原型,并在數(shù)值計算時對物理原型的計算區(qū)域稍作改進.僅以水池以上的煙氣擴容區(qū)域直至煙氣出口作為研究區(qū)域,并認為塔內(nèi)各構(gòu)件(噴淋管、噴嘴等)對流場的影響可以忽略.應(yīng)用Fluent商用軟件分別對優(yōu)化設(shè)計后的脫硫塔塔內(nèi)氣液兩相流動情況有、無噴淋的兩種工況進行數(shù)值模擬,并通過實驗對模擬結(jié)果進行驗證.

2.2基本假設(shè)及網(wǎng)格劃分

2.2.1基本假設(shè)

為方便塔內(nèi)氣液兩相流流場的模擬計算,使塔內(nèi)的運動狀況得以簡化,做以下假設(shè):

(1) 將煙氣視為不可壓縮粘性流體,忽略其溫度變化對密度的影響;

(2) 假定脫硫塔絕熱,煙氣與噴淋液滴進行對流換熱;

(3) 忽略塔內(nèi)噴嘴、脫硫噴淋母管、支管等構(gòu)件對傳熱及流動的影響;

(4) 顆粒初始速度均勻分布;

(5) 脫硫劑液滴碰壁后貼壁流下,不再對氣相造成影響;

(6) 氣相作為連續(xù)相考慮,液相作為離散相考慮.

2.2.2網(wǎng)格劃分

利用Fluent軟件對脫硫塔流場進行三維數(shù)值計算.選擇k-ε模型、隱式差分格式以及Simple算法進行計算.將優(yōu)化設(shè)計后的脫硫塔作為計算對象,采用前處理Gambit軟件建模,其中煙氣進口附近為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,塔體上部為六面體網(wǎng)格,脫硫塔劃分為六面體網(wǎng)格.

2.3流場模擬計算結(jié)果

2.3.1無噴淋情況下的數(shù)值模擬

圖1給出了無噴淋時塔內(nèi)的煙氣速度分布.由圖1可看出,煙氣由下傾進口進入塔內(nèi)后并未直沖右側(cè)塔壁,而是較早地偏折向上流動,煙氣直流區(qū)域已占據(jù)塔體一半的空間,有效地減少了煙氣的貼壁流動.塔內(nèi)右側(cè)直流區(qū)的速度大致介于5.5~6.5 m/s,較原有脫硫塔有明顯降低.塔內(nèi)在進口煙道以上脫硫塔中部略偏左處存在一個較小的旋渦,旋渦以上的塔內(nèi)空間已經(jīng)布滿煙氣,表明煙氣在塔內(nèi)已經(jīng)擴容至整個塔體空間.在塔內(nèi)右側(cè)底部仍存在一個順時針的小渦.

圖2為Y=0截面上塔內(nèi)煙氣速度分布.由圖2可看出,煙氣進入塔內(nèi)時速度仍較高,約為6 m/s,旋渦區(qū)的速度很低,中心區(qū)域小于1 m/s,而在旋渦以上至煙氣出口的區(qū)域速度約為3 m/s,速度較為理想.整個煙氣速度場分布比較均勻.

圖3為塔內(nèi)煙氣流動跡線.由圖3可知,煙氣向下傾斜進入后,底部仍有一小渦存在,但渦流煙氣較少,大部分煙氣向上流動,在塔體中部仍有旋渦存在,但旋渦以上塔體空間已被煙氣充滿.

2.3.2有噴淋情況下的數(shù)值模擬

圖4至圖6分別為優(yōu)化設(shè)計后脫硫塔有噴淋時的塔內(nèi)流場分布.將有、無噴淋時的流場進行對比,可以看出噴淋對流場有強烈的擾動作用.

從圖4至圖6可看出:與無噴淋時相比,有噴淋時塔內(nèi)煙氣的流速明顯降低,在進口段附近流體速度較高;煙氣入口處較小范圍內(nèi)存在旋渦,從整體看煙氣在塔體內(nèi)呈向上流動的趨勢,且均勻地布滿整個塔體空間;煙氣進口至第一層噴淋層的空間內(nèi),由于噴淋液的引入,氣、液兩相發(fā)生強烈的相互作用,從而使氣相迅速發(fā)展為強烈的湍

流流動狀態(tài).在強烈湍流流動作用下,在第一噴淋層,氣相沿塔體高度方向的分布已基本均勻.煙氣依次通過3個噴淋層到達出口截面,沿塔體高度方向向上,氣相分布更為均勻.從整體上看,加入噴淋后,煙氣進口處以及脫硫塔中部的旋渦基本消失,沿左側(cè)塔壁的回流也基本消失,取而代之的是進口處上方的一個較小尺度的逆時針旋渦,此旋渦是由于進口段突擴導(dǎo)致的.塔內(nèi)離散相流場模擬效果如圖7所示.塔內(nèi)分3層噴淋,液滴覆蓋了整個塔體空間,保證了較高的覆蓋率,并且對煙氣的流動也有益處.

3結(jié)論

(1) 系統(tǒng)原有脫硫塔內(nèi)煙氣速度整體較高,并且分布非常不均勻,大部分煙氣貼壁流動,針對該問題采取增高塔體、增大塔徑,并選用寬闊的矩形煙氣進口,使煙氣以較低速度分散地進入脫硫塔,煙氣在塔內(nèi)具有合適的速度及充分的接觸時間.

(2) 對系統(tǒng)塔體進行優(yōu)化后的模擬結(jié)果表明,傾斜入口減輕了煙氣貼壁和入口后的塔體底部旋渦,故脫硫塔入口煙道傾斜一定角度是有益的.

(3) 脫硫塔內(nèi)噴淋層分3層布置,既能兼顧高層布置較長的氣液接觸時間,又能保證較少的煙氣貼壁量,并且能使液膜覆蓋更密實,加之局部區(qū)域內(nèi)強烈的摻混作用與湍流脈動,增進了塔內(nèi)的氣液傳質(zhì)過程.

參考文獻：

[1]李蔭堂,李安平,王雙,等.煙氣脫硫噴淋塔氣體旋流實驗研究[J].環(huán)境技術(shù),2005(1):25-28.

[2]王青寧,韓維亮,蔣金龍,等．脫除硫化氫的凹凸棒石基納米氧化鋅脫硫劑的實驗研究[J].石油學(xué)報,,2012,28(5):757-763.

[3]KIKKAWA Hirofumi.New wet FGD process using granular limestone[J].Ind. Eng. Chem. Res.,2002,41(12):3 028-3 036.

[4]楊忠國,荀海川,都基圣.基于CFD的活性炭煙氣脫硫數(shù)值模擬[J].河南科技大學(xué)學(xué)報,2011,32(2):21-24.

(編輯白林雪)

Numerical Simulation of Flow Field for Desulfurization TowerMA Xinxia1, LI Yongguang1, ZHOU Shiqing2, ZHANG Lihua1

(1.Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;

2.Shanghai Sanqing Environmental Protection Technology Co.,Ltd., Shanghai200120, China)

Abstract:On the theoretical basis of turbulence model and the particle trajectory model,the wet desulphurization spray tower is studied.Three-dimensional flow field in the desulphurization tower is calculated with the finite volume method and staggered grids.It can be seen that the shape of the desulfurization tower,the form of the inlet gas,the layout of the desulfurization layer and so on have a great influence on the flow field of the tower.

Key words:flue gas desulphurization; desulphurization tower; numerical simulation; flow field

中圖分類號：X701.3

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)01-0009-03

通訊作者簡介：馬昕霞(1973-),博士,講師,河北石家莊人.主要研究方向為汽液兩相流體的換熱,以及火電廠的節(jié)能等.E-mail:maxinxia@shiep.edu.cn.

收稿日期：2015-09-09