0 引 言

煙氣脫硫是目前能大規模控制燃煤造成SO₂污染最為有效的方法之一,而石灰石—石膏濕法脫硫技術以其脫硫效率高、吸收劑來源豐富、成本低廉、技術成熟和運行可靠等優點獲得廣泛應用.從氣液兩相流體力學和化學反應動力學的觀點看,脫硫吸收塔內流體流動的目的是強化氣液兩相的混合和質量傳遞、延長氣液兩相在塔內的接觸時間、增大氣液兩相的接觸面積并盡量減小吸收塔的阻力.合理的塔內流場分布對提高脫硫效率、降低脫硫投資和運行成本都具有重要意義.

目前,國內外對煙氣脫硫吸收塔進行大量研究,主要采用實驗方法,如研究塔的阻力特性、液滴運動速度沿塔高變化和TCA塔內溫度場分布等,這些研究對指導工業應用具有重要意義,但其結果往往只針對特定的設備或結構,具有較大的局限性.隨著計算機技術的迅速發展,計算流體力學(ComputationalFluidDynamic,CFD)已成為研究三維流動的重要方法:周山明等[4]利用FLUENT計算空塔和噴淋狀態下的塔熱態流場,結果表明脫硫吸收塔入口處流場變化最劇烈、壓降損失最大,并根據計算結果改造來流煙道;孫克勤等采用混合網格和隨機顆粒生成模型對煙氣脫硫吸收塔的熱態流場進行數值模擬;郭瑞堂等采用FLUENT結合非穩態反應傳質-反應理論對濕法脫硫液柱沖擊塔內的流場和SO₂的吸收進行數值模擬.

本文嘗試應用FLUENT對某脫硫吸收塔內煙氣脫硫過程進行初步數值模擬,通過對內部流場進行分析驗證本文模擬的合理性,進而對脫硫過程中脫硫吸收塔內是否存在濕壁現象進行深入分析研究.

1 基于RANS求解器的CFD數值模擬
方法
1.1 控制方程

時均的不可壓縮連續性方程和N?S方程
(RANS方程)如下:

1.2 湍流模型和多相流模型

RNGk_-ε湍流模型提供針對低雷諾數有效黏性的微分解析式,具備數值穩定性好、求解壓力梯度精確以及工程實用等優點,因此本文的數值計算采用RNGk_-ε湍流模型.多相流模型采用歐拉模型.

1.3 邊界條件
(1)入口邊界條件:采用速度入口邊界條件V_in=V₀.
(2)出口邊界條件:采用出流邊界條件.
(3)物面條件:滿足壁面黏附條件,壁面處流體速度與運動邊界速度相同.

1.4 數值離散和求解
(1)時間項的離散:采用直接1階隱式離散.
(2)空間項的離散:擴散項以中心差分格式進行差分,對流項采用2階迎風格式.
采用SIMPLE法處理壓力-速度耦合問題,離散方程以Gauss-Seidel迭代法求解.

2 煙氣脫硫數值模擬

數值模擬對象為某個用于煙氣脫硫的脫硫吸收塔,配有噴槍噴射漿液用于煙氣脫硫,其脫硫過程涉及漿液對煙氣中有害氣體的吸收、漿液中Ca(OH)₂與煙氣中硫化物的化學反應以及漿液的蒸發.考慮到具體計算的時間問題以及實際問題的復雜程度,本文作相應簡化,不考慮漿液中Ca(OH)₂與煙氣中硫化物的化學反應以及實際脫硫過程中的傳熱蒸發.在研究漿液濕壁問題時,本文從煙氣及漿液的流
動角度(速度分布)進行細致的分析研究,考慮到實際傳熱蒸發對煙氣濕壁具有
很好的抑制作用,因此本文的分析結論偏于保守可靠.

2.1 數值模擬對象

吸收塔入口處煙氣速度為6m/s,噴槍噴射漿液流速度為25m/s.為便于分
析,建立固連于塔體的坐標系,并約定:吸收塔對稱面所在的面為xOy面,z軸垂直于xOy面并滿足右手法則,吸收塔模型和坐標系見圖1.采用非結構網格對吸收塔內計算域進行網格劃分,網格數量約為200萬個.

圖1 吸收塔模型和坐標系

2.2 流場分析

2.2.1 脫硫吸收塔內部流場分析

(1)煙氣入口處速度分布均勻,穩定在6m/s左右;導流板處煙氣分布較為均勻;煙氣在進入噴嘴時,由于與高速漿液進行動量交換,速度迅速增加到
20m/s以上,并顯示出如噴槍一樣的火焰狀噴射軌跡,脫硫吸收塔對稱面內煙氣速度云圖見圖2;脫硫吸收塔內廣大區域速度較小,根據連續性方程,出口
處速度應較大,從圖2中亦能看到劇增的出口速度.(2)噴槍處漿液速度云圖見圖3,顯示出與實際情況相符的火焰狀輪廓,在進入脫硫吸收塔內后,由于與
煙氣混合在一起,脫硫吸收塔內的漿液速度分布幾乎與煙氣一致.(3)進一步將脫硫吸收塔內流線示意繪出,見圖4,可知脫硫吸收塔內煙氣流動非常復雜,煙氣在剛進入脫硫吸收塔內時流動均勻;而后進入主塔體時形成一對反向旋轉的渦對,左邊的很大,右邊的相比之下較小但強度很強,并分別向上和向下卷曲延伸.導流板處及其上表面均無渦旋,只在趨于主塔體處形成較強的一次渦和二次分離渦.

圖2 對稱面內煙氣速度云圖 圖3 對稱面內漿液速度云圖

圖4 吸收塔內部流線示意

2.2.2 三噴槍及導流板局部流場分析

(1)漿液噴射輪廓大于煙氣,接近實際噴槍,噴射角度近60°,參與煙氣流動,在脫硫吸收塔內形成渦旋.

(2)3組噴槍所在區域的漿液與空氣流場完全一致,選取對稱面進行流線分析,繪出漿液空氣流線圖.因tecplot中流線是起點式繪制,而噴槍出口輪廓的起點皆為分離點,故起點處流線也各個分離,噴槍所在位置處速度云圖和流線示意見圖5.

圖5 噴槍所在位置處速度云圖和流線示意

(3)導流板處速度分布均勻且未形成渦旋,表明設計的導流板導流效果顯著.
綜上所述,從脫硫吸收塔整體及噴槍局部速度云圖和流線可知,FLUENT具備較好的模擬脫硫吸收塔在脫硫過程中煙氣和漿液流動的能力.

2.3 濕壁情況分析

進一步選取較小速度比例給出壁面漿液速度云圖,以分析可能的漿液濕壁現象,圖6~9為中間噴槍和左右2個噴槍在yOz面內和相應xOz面內的速度云圖.由圖6和7可知,左右2個噴槍噴出的漿液流貼近近壁面.進一步截取漿液速度剖面進行分析,在近最大輪廓面及以下1.5m處截取剖面并精細顯示速度云圖,見圖8和9.可知,左右2個噴槍噴射的漿液流速度在近壁面處達到3~6m/s,而從整體流線圖看出塔內存在渦旋,考慮到實際噴槍出流速度大于25m/s時將會使火焰噴射輪廓更大進而射到塔壁上,因此該脫硫吸收塔的設計方案有可能出現濕壁現象.建議將左右噴槍挪向中部,并收縮噴槍所在管道直徑,增加噴槍數量.

3 結 論

基于商業軟件FLUENT采用多相流模型針對脫硫吸收塔內煙氣脫硫過程進行初步模擬,建立基于RANS方程的煙氣脫硫多相流數值模擬方法.通過對脫硫吸收塔內部和噴槍局部處流場進行分析,模擬得到漿液和煙氣在脫硫吸收塔內的流動規律.從模擬結果看,本文建立的方法可行.通過對可能的漿液濕壁現象進行分析,認為此種脫硫吸收塔的設計方案有可能出現濕壁現象,建議將左右噴槍挪向中部,并且收縮噴槍所在管道直徑,增加噴槍數量.下一步工作將在給定的噴槍速度范圍內進行系列計算,綜合比較給定濕壁影響區域,為施工設計提供參考;同時,也考慮在進一步的深入計算中加入傳熱蒸發模型.