用数值模拟方法进行脱硫塔的优化设计

第37卷第2期 20l0年 3月 华 北 电 力 大 学 学 报 JournalofNorthChinaElectricPowerUniversity Vo1．37，No．2 Mar．，2010 用数值模拟方法进行脱硫塔的优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 曾 芳 (华北电力大学 环境科学与工程学院，河北 保定 071003) 摘要：基于多相流数值模拟，进行了湿法脱硫喷淋塔的优化设计研 究，气相湍流由 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 模型描述，喷淋液 滴由确定颗粒轨道模型描述，通过对流场和温度场模拟计算得到优化设计结果是烟气入口向下倾斜 l5。，喷 嘴采用高低位布置，在喷雾区加装环形导流分布器，可使脱硫塔流场右侧湍流强度明显增加，左侧烟气贴壁 流动有所改善，脱硫塔 内流场分布更加合理，塔出口温度低于优化前温度，增加 气液传质、传热，提高脱硫 效率。 关键词：脱硫塔；数值模拟；优化设计；导流分布器 中图分类号：X773 文献标识码：A 文章编号：1007—2691(2010)02—0094—05 Optimized design of the desulphurizati0n spray tower by numerical simulation ZENG Fang (School of Environmental Science and Engineering， NorthChinaElectricPowerUniversity，Banding 071003，China) Abstract：Basedon numerical simulation ofmultiphaseflow，Optimizationdesign ofthe desulphufization spraytower was carried out．The flue gas flow Was described using standard忌一￡turbulence model and the motion of the liquid dropletsWas described usingtheparticlepathmode1．The sim~ation resultsoftheflowandtemperaturefieldsindicat— ed the angle of the flue gas entrance Was down to 15 ，the nozzles were laid in high and low combines，installed the flue gas distributorin afca of~tomization down spray Jayerswereoptimization．Thatmadetheturbulenceinright side of thetowerWaSintensified：thefluegas stucktowerwall hadan improvem entinleft sideofthetower．Thedistribu— tion of flow field Was more rationa1．The gas temperature of the export was lower than before．The oontact rate of desulphurization agent with soz was increased and the efficiency of desulphurization Was enhanced Key words：desulfurization tower；numerical simulation；optimization；flue gas distributor 0 引 言 湿法脱硫工艺占国内脱硫市场80％以上，湿 法脱硫系统核心技术设备是吸收塔，传统的塔设 备设计方法只能给出一些定性的分析结果，采用 常规的研究方法进行试验台试验或在已投运的装 置上进行实物试验的优化设计等费用高，且只能 针对特定的设备或结构，具有较大的局限性⋯1。 采用数值模拟方法进行脱硫塔的优化设计无论在 收稿日期：2009．10—3O 时间、经济和精度上均有优势。湿法脱硫吸收塔 流场大多为气液两相流，气液两相流场特性是实 现有效脱硫的重要因素之一。理想流场状态是在 不同塔高截面上气流分布尽可能均匀一致，以便 使气液充分接触，同时充分发挥脱硫塔内所有空 问的作用。这样可以在减少脱硫浆液的基础上， 使脱硫效率极大化【2-6J。但现有脱硫吸收塔烟气 进口位于塔的一侧，这势必对塔内气流分布的均 匀性造成影响。利用Fluent的软件建立脱硫吸收 塔流场及温度场数值模拟平台，通过对模拟计算 结果分析，对现有塔进行最优化设计。 第 2期 曾 芳：用数值模拟方法进行脱硫塔的优化设计 1 数值模拟 1．1 数学模型的建立 脱硫塔内烟气和喷淋液属于气液两相流，脱 硫过程中吸收剂和烟气逆向作用，同时产生质量 和热量的交换。满足质量守恒定律、动量守恒定 律、能量守恒定律。流动和传热控制方程的统一 通用形式[ ，8]： +div(ID )： div(／'~gradqg)+ (1) 式中： 为通用变量 (可为流速分量、温度及中 的湍动能和耗散率等求解变量)； 为广义扩散 系数；S。为广义源项。 在通用方程基础上，气相湍流的模拟选用标 准 k一￡双方程模型加以封闭。大量的模拟及其 校验结果表明，该模型成功用于无旋及弱旋的二 维回流流动。脱硫塔内存在回流，且计算区域较 大，因此选取具有一定精度且计算量较小的 k— e双方程模型是合理的【9j9。 对于液相湍流，由于颗粒浓度相对较小，且 气一液两相流之间相对滑移量较大，因而颗粒相 模拟采用不考虑扩散的确定颗粒轨道模型。同时 忽略颗粒相自身各变量的脉动，并且忽略流体相 的密度脉动及变质量源脉动，得到两相之间的耦 合的通用控制微分方程： +div(』D )= ∽ div(／'~gradqg)+S。+Sty (2) 方程中 S却为颗粒作用源项，见表 1。 表 1 颗粒作用源项表达式 Tab．1 S却Expressions 源项 表达式 =1 =一∑ U = 锄 = T =k = e = 一 ∑ + = 一 ∑ + + = 一 ∑ + ： 一 ∑ + S 0 r S m^=0 式中：P， 分别表示第k组颗粒的表现密度和 数密度；m ，m 分别表示第 k组颗粒的质量及 质量损失率；r 表示第k组颗粒的扩散驰豫时 间；Q 为第k组颗粒与流体间的对流换热；S 为颗粒质量源项。 1．2 物理模型 选择脱硫工程中广泛应用的湿式法脱硫喷淋 吸收塔为研究对象如图 1。为了便于计算，对物 理原型简化设定，仅以浆液池以上、除雾器以下 的烟气扩容均匀后的区域作为研究区域，并认为 各构件对流场、温度场的影响可以忽略。将计算 区域划分为6面体网格，共分有 lO万个。 图 1 喷淋塔物理原 型机 网格划分 图 Fig．1 Physics ante type and the parted net 1．3 计算参数 利用 fluent软件对喷淋塔的流场进行三维数 值模拟，选择显示差分格式，用 SIMPLEC算法 进行计算，计算参数如表 2所示。 表 2 计算参数 Tab．2 Calculation parameters 项目 参数值 吸收塔本体／m 1l×27．4 喷淋层 1／2高／m 18．1／19．9 处理烟气量／m3·h 1 090 000 入口尺寸(宽 ×高)／m 8．8×4．0 出口尺寸(宽 ×高)／m 8．0×3．0 F∞ 入 口 ／n馨·m一。 5132 FGD入口温度／C 135 入口边界速度 U， =Q／A， In=0，WIn=0， 入口Ic一￡值 In= 0．005／~ie．n=0．062t~ 出口条件 出口边界值与相邻内节点值相等 壁面 壁面函数法 收敛条件 <10—6 注：Q为入口烟气量；A为入口截面积。 2 计算结果 2．1 烟气入口角度的优化设计 原有模型烟气从右侧水平入射，烟气水平进 96 华 北 电 力 大 学 学 报 2010年 人喷淋塔时的塔内流线分布如图2，烟气进入脱 硫塔，流动空间扩展，速度降低，并沿脱硫塔左 侧向上流动；烟气流动受塔壁限制不能充分发 展，同时在脱硫塔内右侧区域有大涡产生，形成 强烈的湍流区；塔内烟气速度分布不均匀，左侧 贴壁处速度为 7～8 m／s，中心回流区仅有 1～2 m／s，由于喷淋塔内最适宜脱硫的烟气流速为 3～ 5 m／s，烟气速度分布的不均匀不利于脱硫反应 的进行。另外烟气进入塔内时，由于高速气流卷 吸在脱硫塔底部浆池附近也形成漩涡。由于底部 的回流与浆液接触时问较长会使烟气含水量增 加，而且回流至于湿界面，液体被加温蒸发，析 出固体物质，会沉积在烟道入口附近，致使烟道 堵塞，脱硫工况恶化。 为提高脱硫效率，对喷淋塔进行改进以克服 烟气水平进入喷淋塔时存在的弊端，在模拟平 台，通过调整烟气入口角度，对改善塔内流动具 有较显著的效果，通过多个角度的模拟计算，认 为倾斜人口角度为 l5。时如图3，塔内流场分布最 为合理。 Fig lEvel 图 3 烟 气倾斜射入流线 Fig．3 The flue gas entered in甜1 angIe 2．2 喷淋高度的优化设计 2．2．1 喷嘴低位布置 喷嘴低位布援两层高度约 15 m，16 m，流场 分布及温度场分布如图4。较低位喷淋时，烟气 在塔的 ¨及中下部产生急剧的扰动，形成很多 旋涡，这是脱硫浆液由离心喷嘴喷出后，液滴本 身经历了破碎浆并等复杂过程的同时，与塔内烟 气相互作用的结果!“¨。喷淋区域湍流强度的较 大，可以增强气液传质效果，但整个脱硫塔流场 分布极不均匀，液膜未完全覆盖，存在烟气走 廊，塔的空间利用也不充分，这对烟气脱硫是不 利的。由于烟气走廊的存在，塔右侧烟道人口上 方温度过高，影响脱硫效率，因此喷淋层布置一 定要保证液膜的覆盖率。 l 图 4 喷嘴低位布置流场和温度场 图 Fig．4 Theflow andtemperaturefiledofthe nozzlesin thelow 2．2．2 喷淋层高位布置 喷淋层高位布置高度约为 18．1 m，19．9 m， 流场分布及温度场分布如图 5。高位喷淋时，在 塔的中上部烟气产生急剧的扰动，形成很多漩 涡，但是与低位喷淋相比，湍流强度相对要小一 些。这是因为有的烟气贴壁流动，喷淋浆液与部 分速烟气相互作用，扰动程度减小，因在塔壁处 存在烟气走廊，不能保证液膜的覆盖率。塔中部 温度较低，高位喷淋，喷淋时间增长，提高了气 液接触时间传质传热及液滴蒸发过程进行的较充 分，塔中部利用率较高，但由于烟气走廊，塔壁 处温度较高，塔空间还是不能被充分利用。 i ● 图 5 喷嘴 高位布置流场和温度 场图 Fig。5 The flow and teanperature filed of the nozzles in the high 2．2。3 高位低位结合布置 高位低位结合布置即喷淋层高分别为 16 m 和 18 m，流场及温度场分布如图6，高位低位结 合喷淋时，与低位或高位喷淋相比，烟气产生湍 流充满度更高，而且强度比高位时更大一些，这 是因为高低两层喷淋的作用下，互相弥补各自的 不足，下层喷嘴增加了气液的接触面积，上层喷 淋延长了气液的接触时间，因此能充分利用塔空 间，保证液膜覆盖率，提高脱硫效率。温度场图 6可见，高位低位结合喷淋，低温区域增加，塔 ；；ii 醺露；jlli～靴1誉慧蓥il{l慧～ ■■霹一簿鲢■曩 I ． ●-■爨卷釜—叠—-■■ 第2期 曾 芳：用数值模拟方法进行脱硫塔的优化设计 壁高温区域减少，由以上分析可知，实际运行过 程中，应低位喷淋与高位喷淋相结合，这样既可 以获得较高的湍流强度以及强烈的气液扰动掺 混，还可以使得气液充分接触，传质传热及液滴 蒸发过程能够充分的进行，进而获得更好的脱硫 效果。 ● 图6 喷嘴高低位布置塔内流场及温度场图 № ．6 The flowand mmperaturefiled of the nozzlesin high and low combines 2．3 加装导流分布器的优化设计 2．3．1 导流分布器加装设计 在前面模拟计算的基础上，发现塔壁左侧还 有部分烟气贴壁流动。外围靠近塔壁温度较高如 图7，由于外围靠近塔壁喷嘴的液膜交叠不良， 塔壁已是边界，没有外围液膜交叠如图8，形成 喷淋稀相区，稀相区阻力小，大量烟气通过此区 域造成，这不仅冲刷塔壁对塔壁造成腐蚀，同时 也影响脱硫效率。 图 7 Z截面温度场图 Fig．7 The te~nperature fded of g—section 图8 喷嘴的液膜交叠 Fig．8 Atomization taper sketch map 为了解决以上发现的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，对脱硫塔进一步 模拟优化设计，在喷淋层下端雾化区如图9，沿 塔壁倾斜加装一环形导流分布器如图 10。 使其既能有效遮挡烟气帖壁流动，又可以使 喷淋液沿导流分布器流回浆池，减少浪费。为了 使导流分布器加装合理，既不将板加的过宽，浪 费钢材，增加阻力，又要起到有效遮挡，根据物 化锥的模拟，需将烟气分布器加装在位置1处如 图11，位置3不能有效遮挡，位置2要想有效遮 挡，就要把板加宽，浪费钢材。 nxxtd 图 1O 加装环形导流分布器 Fig．10 Installed gas distributor 塔壁圈 图 l1 导流分布器加装位置设计 Fig．11 Th e position design principle of the distributor 2．3．2 加装导流分布器的流场和温度场 加装导流分布器的流场和温度场如图12，看 到烟气撞塔壁后沿环形烟气分布器回流，扫过喷 淋密相区，由于塔内截面变化，使烟气在塔内有 个收缩膨胀过程，使气流湍动加强，气液接触更 充分，同时导流板向下倾斜一定角度，可使得喷 淋液不再沿塔壁白自流回浆液池，而是沥淋到烟 气区，这样充分利用了浆液循环泵打出的浆液， 起到了节能作用，比较加装前图与加装后图温度 场可以看到，沿塔壁红色高温区明显减少，喷淋 层区域内温度分布图可以看到，改造前在喷淋层 区域在60℃以上，而改造后其温度降至50±5℃ 左右，温度的降低说明so2脱除率的提高。 I 一●， ● 一 ■ 一 碉 H ■■■■■■ ■■■■■■■■ ■■■■■■■■ ■■■_ I ■■■孽 矗■■■■—●●■■ 一．一 翦=r h 蚕露瑟瑟蠹l；i —■I-囊一篷—■——■■_ 华 北 电 力 大 学 学 报 2010年 蓬‘ 霞● 图 12 改造后塔内温度场分布云图 Fig．12 The flow and temperature filed of installing the distributor 图13 优化前后塔内温度变化图 F ．13 The t~maperature change after optimized dcsign 3 结 论 通过Fluent软件建立数值模拟平台，对湿法 脱硫喷淋塔内的流场、温度场进行计算分析和优 化设计结果。 (1)比较水平人口和倾斜人口，得出倾斜人 口，减轻了烟气贴壁和人 口结垢，且入口烟道倾 斜向下 l5角度为最佳。 (2)塔内布置喷嘴，一定要保证液膜覆盖密 实，如一旦出现交替不良，形成烟气走廊，局部 温度会突升，严重影响脱硫效率。对不同高度喷 淋层布置的分析 比较，高位布置，大量烟气贴 壁，但气液接触时间长；低位布置，气液接触时 间短，但烟气贴壁量少，实际喷淋塔，高低搭配 布置，可发挥其各自优点。 (3)由于外围靠近塔壁喷嘴的液膜交叠不 良，使喷淋稀相区，在这个区域内塔壁周围温度 稍高，这是影响脱硫效率的。在靠近喷淋层下雾 化区加装塔壁囤板增强了湍动，有利于吸收剂和 烟气之问的传热、传质，从而有利于化学反应的 进行，从而可以提高脱硫效率。 参考文献： [1]孙克勤，周山明．大型烟气脱硫塔的流体动力学模 拟及优化设计 [J]．热能动力工程，2005，20(3)： 270～274． [2]魏星，李伟力，凡凤仙，等．脱硫塔气固两相流场 优化的数值模拟研究 [J]．中国电机工程学报， 2006，26(7)：12～18． [3]刘鸿，周克毅，徐啸虎，等．循环流化床炉内传热 特性分析 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