大型烟气脱硫塔的流体动力学模拟及优化的设计.docVIP

大型烟气脱硫塔的流体动力学模拟及优化设计 发布日期：2009-6-1 9:55:16??(阅716次) ? 所属频道: ? 电力环保 ? ?关键词: ?脱硫塔 ?数值模拟 摘要：对大型脱硫塔进行合理模化和简化，采用随机模型确定颗粒初始位置，基于k-(湍流方程对喷淋脱硫塔进行了空塔和喷淋状态下的流场计算，计算结果表明：喷淋液滴对烟气流场具有强烈的整流作用；在此基础上对脱硫塔来流烟道加以改造，并对改造后的脱硫塔进行了流场计算，计算结果表明，改造后流场更为合理。 关键词?： 热态 数值模拟 1 前言 燃煤火力发电是我国主要的发电方式，但其排放的大量SO2已造成了严重的大气环境污染。新颁布的“火电厂大气污染排放标准”明确要求新上燃煤机组均需配套安装烟气脱硫脱硫。目前湿法脱硫工艺是国内外烟气脱硫的主流工艺。湿法烟气脱硫工艺中吸收塔设备主要是喷淋塔，这是因为相对于其它吸收装置，喷淋塔除了脱硫效率高外，还具有压降小，内构件相对较少，不易结垢等优点。 国内外对烟气脱硫塔进行了大量的研究，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 [1]，TCA塔内温度场分布[2] 等，这些研究对指导工业应用具有重要意义，但其实验结果往往只能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CFD（Computational Fluid Dynamic）已成为研究三维流动的重要手段[3]，国内外有多位学者采用数值模拟的方法对实验装置的流场进行模拟[4,5]，从计算结果与实验结果对比看，数值模拟无论在时间和精度上均有优势，但目前国内对脱硫塔所进行的数值模拟还多陷于实验室规模的脱硫塔上，并且这些数值模拟大多为二维的冷态流动；而国外学者的研究主要集中在对脱硫机理方面[6,7]，很少有针对大型脱硫塔进行流场模拟研究。 FLUENT软件是一个重要的计算流体力学（CFD）软件之一。V. V. Ranada等（2001）使用Fluent软件模拟浅床鼓泡柱反应器的瞬间流动 [8]。S.Benyahia等（2000）利用Fluent软件来模拟循环流化床内悬浮空间的气固流动[9]。O. Triedch等（2001）将Fluent软件用于管路和扩压管中对逆向气-固流动进行模拟[10]。清华大学杨玟等（2001）采用FLUENT软件中的欧拉-拉氏大涡模型研究了鼓泡床内气液两相湍流流动 [11]，西安交通大学顾正萌等人（2002）运用FLUENT软件对DFT3－12型滤筒除尘器内部紊流气固两相流动进行了数值模拟 [12]。迄今，尚未有利用Fluent软件进行烟气脱硫喷淋塔数值模拟方面公开的文献报道。本文以FLUENT6.1软件为骨架，采用混合网格和随机颗粒生成模型，对某电厂20万千瓦机组的烟气脱硫喷淋塔的热态流场进行了数值模拟，并对系统压力损失进行了较为详细的分析评价。在此基础上，进行了对脱硫塔优化设计计算。 2 CFD模拟 2.1物理模型 烟气脱硫喷淋塔如图1所示。脱硫塔高27.1m，直径11.5m，塔下部7.6m以下部分为蓄液池。入口烟道截面为正方型，边长5.1m。烟气从入口经过两次转弯后进入一扩张段，再进入脱硫塔中；出口烟道截面为矩形，边长为11m×5.1m，在出口烟道距塔中心6.5m处取为出口截面。在塔内部用一高23.12m的竖板将塔分为喷淋区和非喷淋区两部分，竖板顺烟道来流方向，距塔中心2.4m，板下部没入蓄液池中。在喷淋区内17.7m、20.2m和22.7m三个不同高度上分别布置了喷淋管，管上共有螺旋式喷嘴113个，采用同高度均匀布置，不同高度错开布置的设计。 由于喷嘴的存在，无法在计算三维实体上生成网格，因此将其略去。另外在计算中不考虑蓄液池部分，因此也将其省略。在实际设计中，脱硫塔后紧接着除雾器，因此，流体在塔出口处变化很剧烈，在本模型中，将出口部分在原来的基础上延长到20m，使流体在出口处达到较均匀的理想状态，在相应位置取截面作为实际设计中的出口截面。 2.2 计算网格划分 网格划分是否合理不仅影响计算时间，还将影响计算精度。在本模型中，采用混合网格技术对计算模型进行网格划分。将脱硫塔划分成几个相连接的部分，对其中方形烟道和塔内无构件的部分采用六面体结构化网格，其他拐弯连接部分和含喷淋管的塔层采用楔形非结构化网格，这样可以利用规则网格计算速度快、精度高的优点，同时也可以利用不规则网格适应性好的长处。为保证计算精度，关键位置网格数不少于3个，考虑到计算空间较大且换热主要发生在气液间，故未在近壁处增加附面层，总网格数约为106个，如图2所示。 2.3 液滴模型 该厂实际使用的浆液喷嘴为螺旋式喷嘴，对于此类喷嘴，目前尚无成熟的计算方法。在本计算中，考虑到液滴形成的随机性，采用均匀随机模型确定喷嘴范围内形