计算流体力学软件Fluent在烟气脱硫中的应用.docxVIP

计算流体力学软件Fluent在烟气脱硫中的应用０　引　言烟气脱硫是目前能大规模控制燃煤造成ＳＯ２污染最为有效的方法之一，而石灰石—石膏湿法脱硫技术以其脱硫效率高、吸收剂来源丰富、成本低廉、技术成熟和运行可靠等优点获得广泛应用．从气液两相流体力学和化学反应动力学的观点看，脱硫吸收塔内流体流动的目的是强化气液两相的混合和质量传递、延长气液两相在塔内的接触时间、增大气液两相的接触面积并尽量减小吸收塔的阻力．合理的塔内流场分布对提高脱硫效率、降低脱硫投资和运行成本都具有重要意义．目前，国内外对烟气脱硫吸收塔进行大量研究，主要采用实验方法，如研究塔的阻力特性、液滴运动速度沿塔高变化和ＴＣＡ塔内温度场分布等，这些研究对指导工业应用具有重要意义，但其结果往往只针对特定的设备或结构，具有较大的局限性．随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃ，ＣＦＤ）已成为研究三维流动的重要方法：周山明等［４］利用ＦＬＵＥＮＴ计算空塔和喷淋状态下的塔热态流场，结果表明脱硫吸收塔入口处流场变化最剧烈、压降损失最大，并根据计算结果改造来流烟道；孙克勤等采用混合网格和随机颗粒生成模型对烟气脱硫吸收塔的热态流场进行数值模拟；郭瑞堂等采用ＦＬＵＥＮＴ结合非稳态反应传质－反应理论对湿法脱硫液柱冲击塔内的流场和ＳＯ２的吸收进行数值模拟．本文尝试应用ＦＬＵＥＮＴ对某脱硫吸收塔内烟气脱硫过程进行初步数值模拟，通过对内部流场进行分析验证本文模拟的合理性，进而对脱硫过程中脱硫吸收塔内是否存在湿壁现象进行深入分析研究．１　基于ＲＡＮＳ求解器的ＣＦＤ数值模拟方法１．１　控制方程时均的不可压缩连续性方程和ＮＳ方程（ＲＡＮＳ方程）如下：１．２　湍流模型和多相流模型ＲＮＧｋ-ε湍流模型提供针对低雷诺数有效黏性的微分解析式，具备数值稳定性好、求解压力梯度精确以及工程实用等优点，因此本文的数值计算采用ＲＮＧｋ-ε湍流模型．多相流模型采用欧拉模型．１．３　边界条件（１）入口边界条件：采用速度入口边界条件Ｖｉｎ＝Ｖ０．（２）出口边界条件：采用出流边界条件．（３）物面条件：满足壁面黏附条件，壁面处流体速度与运动边界速度相同．１．４　数值离散和求解（１）时间项的离散：采用直接１阶隐式离散．（２）空间项的离散：扩散项以中心差分格式进行差分，对流项采用２阶迎风格式．采用ＳＩＭＰＬＥ法处理压力－速度耦合问题，离散方程以Ｇａｕｓｓ-Ｓｅｉｄｅｌ迭代法求解．２　烟气脱硫数值模拟数值模拟对象为某个用于烟气脱硫的脱硫吸收塔，配有喷枪喷射浆液用于烟气脱硫，其脱硫过程涉及浆液对烟气中有害气体的吸收、浆液中Ｃａ（ＯＨ）２与烟气中硫化物的化学反应以及浆液的蒸发．考虑到具体计算的时间问题以及实际问题的复杂程度，本文作相应简化，不考虑浆液中Ｃａ（ＯＨ）２与烟气中硫化物的化学反应以及实际脱硫过程中的传热蒸发．在研究浆液湿壁问题时，本文从烟气及浆液的流动角度（速度分布）进行细致的分析研究，考虑到实际传热蒸发对烟气湿壁具有很好的抑制作用，因此本文的分析结论偏于保守可靠．２．１　数值模拟对象吸收塔入口处烟气速度为６ｍ／ｓ，喷枪喷射浆液流速度为２５ｍ／ｓ．为便于分析，建立固连于塔体的坐标系，并约定：吸收塔对称面所在的面为ｘＯｙ面，ｚ轴垂直于ｘＯｙ面并满足右手法则，吸收塔模型和坐标系见图１．采用非结构网格对吸收塔内计算域进行网格划分，网格数量约为２００万个．图１　吸收塔模型和坐标系２．２　流场分析２．２．１　脱硫吸收塔内部流场分析（１）烟气入口处速度分布均匀，稳定在６ｍ／ｓ左右；导流板处烟气分布较为均匀；烟气在进入喷嘴时，由于与高速浆液进行动量交换，速度迅速增加到２０ｍ／ｓ以上，并显示出如喷枪一样的火焰状喷射轨迹，脱硫吸收塔对称面内烟气速度云图见图２；脱硫吸收塔内广大区域速度较小，根据连续性方程，出口处速度应较大，从图２中亦能看到剧增的出口速度．（２）喷枪处浆液速度云图见图３，显示出与实际情况相符的火焰状轮廓，在进入脱硫吸收塔内后，由于与烟气混合在一起，脱硫吸收塔内的浆液速度分布几乎与烟气一致．（３）进一步将脱硫吸收塔内流线示意绘出，见图４，可知脱硫吸收塔内烟气流动非常复杂，烟气在刚进入脱硫吸收塔内时流动均匀；而后进入主塔体时形成一对反向旋转的涡对，左边的很大，右边的相比之下较小但强度很强，并分别向上和向下卷曲延伸．导流板处及其上表面均无涡旋，只在趋于主塔体处形成较强的一次涡和二次分离涡．图２　对称面内烟气速度云图图３　对称面内浆液速度云图图４　吸收塔内部流线示意２．２．２　三喷枪及导流板局部流场分析（１）浆液喷射轮廓大于烟气，接近实际喷枪，喷射角度近６０°，参与烟气流动，在脱硫吸收塔内形成涡旋．（２）３组喷枪所在区域的浆液与空气流场完全一致，选取对称面进行流线分析，绘出浆液空气流线图．因