煙氣入口角度對脫硫塔內流場影響的數值分析

徐 威 楊后文 劉 豐 張賢福

(1. 南京工程學院 環(huán)境工程學院，江蘇 南京 211167；2. 江蘇省(中圣)工業(yè)節(jié)能技術研究院, 江蘇 南京 211112)

1 引言

隨著國家對環(huán)境治理投入的加大，更嚴格的大氣污染物排放標準出臺，SO2作為主要的大氣污染物，其排放量必須控制。目前市場上針對燃煤鍋爐的脫硫技術呈現多樣化，總體分為燃燒前脫硫技術、燃燒中脫硫技術和燃燒后脫硫技術。燃燒前脫硫技術是從污染源頭入手，包括物理法、化學法和生物法等[1,2]。燃燒中脫硫技術是指在燃燒過程中脫硫，包括型煤燃燒脫硫、循環(huán)流化床鍋爐燃燒脫硫和爐內噴鈣脫硫等[3,4]。這種脫硫技術因成本高，效率低，且無法達到環(huán)保要求而未被廣泛應用。燃燒后脫硫包括電子束脫硫、活性炭吸附法、循環(huán)流化床煙氣脫硫(CFB-FGD)、濕法脫硫等[5-7]。其中，濕法脫硫因脫硫劑資源豐富、價格低廉、對煤種的適應性強、脫硫效率高等優(yōu)點成為市場主導。濕法脫硫工藝中的吸收塔多采用逆流噴淋塔，煙氣由塔側面進氣口進入，在塔內與噴淋漿液逆流接觸，從而除去煙氣中的SO2。國內外學者從SO2吸收原理及流場優(yōu)化等方面進行了研究[8-10]，取得了較大進展。

通過對脫硫塔內流場的研究可知，塔內裝置的結構、位置等對煙氣流動、煙氣與漿液的反應等有較大影響，從而影響整個脫硫塔的脫硫效率。本文針對某濕法煙氣脫硫塔內結構建立計算模型，利用計算流體力學軟件對煙氣不同入口角度下的流場進行數值分析，得出最佳煙氣入口角度，為改善脫硫塔內部煙氣流動，提高脫硫效率設計提供參考。

2 理論模型

2.1 物理模型

根據某濕法煙氣脫硫塔內結構，針對煙氣流動區(qū)域建立三維簡化模型，如圖1所示，忽略煙氣出口對塔內流場的影響，并考慮氣帽設置的影響。脫硫塔直徑?=6.5 m，高35.7 m(z方向)，煙氣入口夾角為β。A-A、B-B分別為z=10 m和z=25 m處的截面。

圖1 某脫硫塔三維簡化模型Fig. 1 Three-dimensional simplified model of a desulfurization tower

2.2 基本假設

(1) 煙氣流動為三維、定常、不可壓縮流體；

(2) 煙氣為混合不可壓縮理想氣體；

(3) 忽略相變及化學反應的影響；

(4) 重力加速度沿-z方向，g=9.8 m/s2；

(5) 煙氣物性參數不隨溫度變化；

(6) 煙氣湍流區(qū)域采用標準κ-ε模型。

2.3 基本方程

連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

式中，ui、uj為速度，ρ為密度，p為壓力，Fi為體積力，keff為有效導熱系數，E表示能量，τeff為能量耗散系數，τij為應力張量，其表達式如下：

(4)

湍流區(qū)采用標準κ-ε模型表示雷諾應力，壁面湍流采用壁面函數的方法處理。標準κ-ε模型的湍動能κ和耗散率ε方程如下：

(5)

(6)

其中，Gk是平均速度梯度引起的湍動能，Gb是浮力影響引起的湍動能,μt為湍流粘性系數, 取C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0,σε=1.3。

2.4 邊界條件設置

入口邊界為質量入口，出口邊界為自由出口，脫硫塔壁面及端面為絕熱邊界。

3 仿真計算與分析

本文利用計算流體力學軟件，針對煙氣入口角度β=5°、10°、12°、15°、17°、20°六種工況下的脫硫塔內流場進行仿真計算與分析。煙氣質量入口取43.22 kg/s，煙氣組分(質量分數)：CO2—22.30%、H2O—4.17%、N2—69.83%、O2—3.51%、SO2—0.19%。參考壓力為101 325 Pa，為減少計算量，建立1/2模型，采用六面體結構性網格，網格劃分如圖2所示。利用SIMPLE算法，密度、動量和能量的離散采用二階迎風格式。

圖2 網格劃分圖

圖3為煙氣入口角度β=5°、10°、12°、15°、17°、20°六種工況下脫硫塔內部流線的分布情況。從圖3中可以看出，煙氣不同入口角度下塔內形成了大小不一的渦流。當β=5°時，在近煙氣進口側壁及對壁端面形成兩個較大渦流，大部分煙氣繞過渦流沿z軸方向流出，如圖3(a)所示。由于大量煙氣以較快速度沖擊對壁面并反彈流向氣帽區(qū)域，部分煙氣在氣帽區(qū)域碰到壁面再次反彈，與沿近煙口壁面進入塔內的少量低流速煙氣相互作用，形成一個氣體的滯留區(qū)，即流動死區(qū)。同理，煙氣在z軸負方向上的速度分量沖擊端面形成了另一個流動死區(qū)。當β增至10°或12°時，煙氣在z軸負方向的速度分量增大，導致近煙道入口處的渦流區(qū)影響進一步擴大，如圖3(b)、(c)所示。當β=15°時，煙氣沿z軸負方向的速度分量繼續(xù)增加，但是由于底面對煙氣的反彈作用，反而增加了煙氣在氣帽下方的流動空間，抑制了近煙口壁面煙氣流動死區(qū)的形成，局部渦流幾乎完全消失，如圖3(d)所示。當β繼續(xù)增大時，在近煙口側壁面和對壁底面的兩個煙氣流動死區(qū)再次形成，流體流動空間減小，如圖3(e)-(f)所示。由此可見，當煙氣入口角度β=15°時，脫硫塔內煙氣流動死區(qū)最少，流動空間最大。

為進一步分析不同入口角度對塔內煙氣流動速度的影響，圖4給出了脫硫塔內縱向截面(x=0)處的速度分布云圖。從圖4中可以看出，當β由5°增加到15°時，氣帽下方(負z軸方向)脫硫區(qū)域的高速度和低速度區(qū)域面積逐漸減小，速度分布越來越均勻；當β由15°增加到20°時，該區(qū)域的高低流速面積增大，速度均勻性變差。由此可見，當煙氣入口角度β=15°時，脫硫塔內縱向截面的速度分布最均勻。

圖5和圖6給出了脫硫塔內不同入口角度下橫向截面A-A(z=10 m)處的速度分布云圖及該截面的速度方差曲線。由圖5可以看出，隨著煙氣入口角度β的增加，脫硫塔內橫向截面A-A(z=10 m)處的速度變化過程為不均勻—均勻—不均勻。結合圖6給出的該截面速度方差曲線可知，當煙氣入口角度β=15°時，截面速度方差最小，意味著此角度下該區(qū)域的速度分布最均勻。

圖6 煙氣不同入口角度下A-A截面(z=10 m)的速度方差曲線

圖7為煙氣不同入口角度下橫向截面B-B(z=25 m)的速度分布云圖。由圖7可知，不同角度下的截面速度分布規(guī)律基本相同，速度分布較A-A截面對應角度下更均勻。由此可見，氣帽的設置有助于尾部流場的分布更均布。

4 結論

(1) 煙氣不同入口角度下脫硫塔內形成了大小不一的流動死區(qū)，β=15°時，塔內流體流動死區(qū)最少，流動空間最大；

(2) 隨著煙氣入口角度β的增加，氣帽下方(負z軸方向)脫硫區(qū)域的高速度和低速度區(qū)域面積先減小后增加，β=15°時速度分布最均勻。

圖7 煙氣不同入口角度下脫硫塔B-B截面(z=25m)處的速度分布云圖

(3) 煙氣不同入口角度下，經過氣帽后的流場分布規(guī)律基本相同，尾部速度分布較均勻。由此可見，氣帽的設置有助于尾部流場的分布更均勻。