湿法烟气脱硫鼓泡流态化反应器流场的数值模拟研究

2 0 0 6 年 第 6 期 能 源 研 究 与 利 用 1 引 言 在湿法烟气脱硫系统中,吸收塔是关键设备,它 是烟气脱硫系统的核心装置[1],SO2主要在此系统内 被吸收,脱硫塔的选择对脱硫工艺的操作和脱硫效 率有很大的影响。鼓泡流态化反应器结构简单、操 作方便,但内部流体流动非常复杂[2]。反应器内流场 分布情况对混合、传热和传质都有重要影响,并进而 影响反应器的性能[3]。由于鼓泡流态化反应器内气 液两相的流动是试验性很强的研究,所以目前对气 液两相流动规律还存在不同的见解。本文根据鼓泡 流态化反应器特点,对反应器内气液两相流动的流 场进行模拟,并对模拟结果进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,进一步研究反 应器内流场的变化规律,希望为鼓泡流态化反应器 内气液流动特性的研究提供一定的理论依据。 2 流场数值模拟的物理模型 计算对象的物理模型如图1所示,基本尺寸为, 塔径:Φ108mm×4mm;计算塔高:950mm;喷射管: 3根、Φ20mm×2mm;喷射管下端小孔:4个、Φ8mm。 图1 流场计算的物理模型 为简化起见,本文仅对a、b、c三段中a段流场 进行计算。图2为计算中所采用的喷射管,喷射管 出气孔距下端150mm。为了简化计算,气相设为空 气,液相设为水,设气泡直径均为 6mm,反应器上 部设有三个出气小孔。 湿法烟气脱硫鼓泡流态化反应器 流场的数值模拟研究 毛彦贞,仲兆平 (东南大学热能工程研究所,江苏 南京 210096) 摘 要:采用Fluent软件对鼓泡流态化反应器内气液两相流的流场进行了数值模拟,分别 计算了三种不同工况下的流场分布状况。模拟结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:增大气体喷射速度和喷射管的插入深 度都可以使气液两相混合更加充分,流场内较易形成涡旋结构,达到稳定流场的时间也比较短。 关键词:鼓泡流态化反应器;Fluent软件;流场;涡旋 Abstract:Inthispaper,theflowfieldofgas-liquidtwo-phaseflowinabubblefluidizedreac- torissimulatedbyFluent.Theflowfielddistributionunderthreedifferentoperatingconditionsis calculated.Thesimulatedresultsareasfollow:themixtureofgas-liquidtwo-phasecanbecome moresufficientasaddingthejetvelocityofgasandtheimmergeddepthofjetpipe,andtheeddy formsmoreeasily,thetimeofobtainingsteadyflowfieldisshortened. Keywords:bubblecolumnfluidizedreactor;Fluent;flowfield;eddy 中图分类号:TK223.2 文献标识码:A 文章编号:1001-5523(2006)06-0025-04 洁净煤燃烧与发电技术 25· · 2 0 0 6 年 第 6 期 能 源 研 究 与 利 用 能 源 研 究 与 利 用 图2 计算中采用的喷射管 3 流场模拟计算 为了研究鼓泡流态化反应器内的气液流动状 况,本文采用Fluent软件对反应器试验装置进行流 场数值模拟。此软件是一种工程运用的CFD软件, 针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它 的数值解法,在计算速度、稳定性和精度方面达到最 佳。该软件可用于计算流场、传热和化学反应。由于 鼓泡流态化反应器内吸收区中气相体积份额在 30%～80%之间,远大于10%,因此,可以用混合模型 或欧拉模型来模拟。又由于欧拉模型可以对每个相 单独处理,相对于混合模型显得更加简明,因此,选 用欧拉模型对鼓泡塔进行模拟。 计算区域采用分区划分网格的方法:气体入口、 喷射管出气小孔和喷射管下端口由于是气体入口速 率较高和气液接触地区,为了提高收敛性,网格划分 为四面体的稠密区,平均边长为 2mm;其余部分网 格为六面体的稀疏区,网格边长为 5mm,总网格数 约为12万个,图3为网格划分局部放大图。 图3 网格划分局部放大图 选用的计算模型以及计算过程中各个参数的设 置如下: (1)特征参数 气相:ρ=1.225kg/m3,μ=1.7894× 10-5kg/(m·s);液相:ρ=998.2kg/m3,μ=0.001003kg/ (m·s)。 (2)选用模型 欧拉多相流模型;主相:水,第二 相:空气;湍流模型:标准 k-ε方程,壁面取标准壁 面函数,无滑移边界条件。 (3)操作条件 操作压力:101325Pa;操作温 度:293K;重力加速度:9.8m/s2。 (4)边界条件 气体速度入口:10m/s、15m/s; 压力出口:101325Pa。 (5)数值计算参数 湍动能0.8;湍流扩散率:0.8; 气相体积分率为1;采用一阶差分迎风格式离散化。 (6)迭代条件 残差:10-3;时间步长:0.01s,计 算时间依收敛情况而定。 计算工况见表1。 表1 气体喷射速度及喷射管插入深度情况 4 模拟结果分析 4.1 气相流场的变化 4.1.1 不同气体喷射速度的影响 图 4、5分别是喷射管插入深度 100mm、喷射 速度为 10m/s和 15m/s时不同运行时间下 y轴方 向截面空气的速度矢量图。 图4 不同运行时间下y轴方向截面空气的速度矢量图 (喷射管插入深度100mm,喷射速度10m/s) 气体喷射速度/m·s-1 喷射管插入深度/mm 10 100 10 200 15 100 洁净煤燃烧与发电技术 毛彦贞等,湿法烟气脱硫鼓泡流态化反应器流场的数值模拟研究 26· · 2 0 0 6 年 第 6 期 能 源 研 究 与 利 用 图5 不同运行时间下y轴方向截面空气的速度矢量图 (喷射管插入深度100mm,喷射速度15m/s) 由图可以看出,在气液混合过程中,整个反应器 流场内会产生涡团结构,在初始阶段,气泡流沿一侧 壁面运动,涡旋只存在于另一侧的壁面附近;随着时 间的增加,涡旋会逐渐增大并破裂为许多小的涡旋。 由图4可看出:当喷射速度为10m/s时,起始阶段, 气泡只是沿壁面向上运动,形成的涡旋比较小,直到 10.4s时大部分气体开始从喷射管下端喷出,气液 混合物充满整个反应器;而由图5可看出:喷射速度 为15m/s时,t=3.2s时就形成了大涡结构,在0～10s 内即可达到稳定流动,气液混合物很快充满整个空 间。由此可见,增大气体喷射速度使反应器内稳定 流动结构建立的时间缩短,同时获得较好的相间混 合效果。这与仲兆平等[4]的试验结果一致。 此外,反应器内气液接触后会出现一个气体由 喷射管小孔喷射向喷射管下端喷射转化而后又回复 的周期性变化的现象,这种现象可以间隙性地清洗 喷射管小孔以下部分,保持喷射管长期运行不结垢, 有利于烟气净化。随着气体喷射速度的增大,会很 快出现这种现象,且出现的时间有明显的缩短。 4.1.2 不同喷射管插入深度的影响 图 6是喷射管插入深度 200mm、喷射速度为 10m/s时不同运行时间下y方向截面空气的速度矢 量图。与图4相比,起始阶段气泡也只是沿壁面向 上运动,但气流在反应器下部流场分布比较充分;整 个反应器内形成的涡旋分布相对比较均匀,这有利 于气液两相的接触,使流场内能量的分布也比较均 匀,反应器内建立稳定流场结构的时间也相对缩短。 因此,增大喷射管的插入深度可以使气液两相混合 比较充分;喷射管插入越深会增大液相对气泡的阻 力,使气泡在液相中的停留时间增长,这对烟气净化 也比较有利。另一方面会使系统阻力增大,能耗升 高。在工程应用中,要根据实际流动情况确定合适 的喷射管插入深度。 图6 不同运行时间下y轴方向截面空气的速度矢量图 (喷射管插入深度200mm,喷射速度10m/s) 4.2 液相流场的变化 4.2.1 不同气体喷射速度的影响 图 7、8分别是喷射管插入深度 100mm、喷射 速度为 10m/s和 15m/s时不同运行时间下 y轴方 向截面液相的速度矢量图。在反应器中气液两相的 流动相互作用、相互影响,气泡的流动直接影响液相 的流动状态,液相流场随着气泡流的运动变化相应 的出现涡旋结构。起始阶段,气泡沿壁面附近做上 升运动的同时,液相随着气泡流沿另一侧壁面运动, 在达到最大高度后回落向下运动,从而形成涡旋并达 到稳定的流场结构。由图7可知,喷射速度为10m/s 时,由于喷射速度较小,气相流场对液相流场的扰动 也较小,直到t=10.4s时,液相流场形成的涡旋才比 较明显;而由图8可知,喷射速度增大为15m/s时, 液相的湍流强度加剧,t=3.2s时,气液两相就达到 了很好的混合效果,达到稳定流场结构的时间明显 缩短。由此可见,增大气体的喷射速度可以加快气 液两相的混合,并加快液相流场的变化,气泡流的快 速运动使带动的液相流增大。这与张金利等[5]用大 涡模拟(LES)的结果相同。 洁净煤燃烧与发电技术毛彦贞等,湿法烟气脱硫鼓泡流态化反应器流场的数值模拟研究 27· · 2 0 0 6 年 第 6 期 能 源 研 究 与 利 用 能 源 研 究 与 利 用 图7 不同运行时间下y轴方向截面液相的速度矢量图 (喷射管插入深度100mm,喷射速度10m/s) 图8 不同运行时间下y轴方向截面液相的速度矢量图 (喷射管插入深度100mm,喷射速度15m/s) 4.2.2 不同喷射管插入深度的影响 图 9是喷射管插入深度 200mm、喷射速度为 10m/s时不同运行时间下y方向截面液相的速度矢 量图,与图7相比喷射管插入深度增加,在整个时间 段内,液相呈曲线沿一侧壁面向上运动,达到最大高 度后开始向下运动,并逐渐形成涡旋结构,气泡流带 出的液相增加,相应的流场中鼓泡层的高度增大,这 样可以使气液混合增强。同时流场的分布也比较均 匀,在反应器底部液相流场成轴对称运动。 5 结 论 (1)增大气体的喷射速度,使气相流场和液相流 场都比较容易形成涡旋结构,气液两相接触更加充 分; (2)增大喷射管的插入深度,使气相流场达到稳 定的流动结构的时间缩短,液相流场底部很快形成 轴对称运动。 参考文献: [1]赫吉明,马广大.大气污染控制工程[M].北京:高等教育 出版社,2002.325. [2]曹长青,王广建,姜亦文.气-液两相鼓泡塔反应器液体流 速分布的实验研究[J].青岛科技大学学报,2005,26(4): 309. [3]张海涛.鼓泡塔反应器的流体动力学[D].上海:华东理工 大学,2005.6. [4]仲兆平,金保升,兰计香,等.鼓泡式烟气脱硫原理性试验 台气体流动冷模试验 [J].热能动力工程,2003,18(6): 594-596. [5]张金利.偏心进气式鼓泡反应器内气液流动的大涡模拟 [J].化学工业与工程,2006,23(1):56-57. 收稿日期:2006-04-30 作者简介:毛彦贞(1979-),女,河南叶县人,助工,硕士,主 要从事湿法烟气脱硫系统优化等方面的研究。仲兆平 (1965-),男,江苏东台人,教授,博导,主要从事能源利用与环 境保护等方面的研究。 图9 不同运行时间下y轴方向截面液相的速度矢量图 (喷射管插入深度200mm,喷射速度10m/s) 洁净煤燃烧与发电技术 毛彦贞等,湿法烟气脱硫鼓泡流态化反应器流场的数值模拟研究 28· ·