李樹華

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

噴淋塔阻力是濕法煙氣脫硫系統(tǒng)阻力的主要構(gòu)成，其大小直接關(guān)系到輔機(jī)選型和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。研究噴淋塔的阻力特性對(duì)于噴淋塔的設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化有著重要的意義[1－2]。對(duì)于噴淋塔內(nèi)阻力特性的研究除了實(shí)驗(yàn)研究外，各種數(shù)值模擬方法是當(dāng)前研究的新方向[1、3]。本文以某電廠300 MW機(jī)組的脫硫塔為模擬對(duì)象，通過改變脫硫塔煙氣的入口位置和方式，利用FLUENT軟件模擬塔內(nèi)流場(chǎng)，研究塔內(nèi)的壓力分布。

1 模擬對(duì)象及控制方程

1.1 模擬對(duì)象

模擬噴淋塔噴淋區(qū)如圖1(a)所示。噴淋區(qū)的總高度為23 m，直徑為13 m，煙氣入口為4.8 m×8 m，與塔高方向夾角為80°，與漿液面的最近距離為1 m，煙氣出口為3 m×10 m。圖1(b)、(c)、(d)為改變?nèi)肟谖恢煤头绞絿娏芩Ｐ汀?/p>

為了便于比較，圖1所示塔型的出口位置不變，只改變?nèi)肟谖恢煤头绞?。圖1(a)、 (b)、(c)入口與出口夾角分別為0°、45°及180°，圖1(d)為2個(gè)對(duì)稱進(jìn)口。圖1所示不同噴淋塔塔型所處理的總煙氣量是固定的。

1.2 模型假設(shè)

根據(jù)脫硫塔的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境及工程條件要求，對(duì)噴淋塔內(nèi)煙氣流動(dòng)情況作如下假設(shè)。

a. 將煙氣看作不可壓縮的牛頓流體，并用空氣代替煙氣。b. 忽略重力和入口效應(yīng)對(duì)煙氣速度的影響。c. 不考慮塔內(nèi)噴嘴、除霧器和小部件對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響。

d. 不考慮蓄液池部分，并將蓄液池的液面視為靜止液面。

e. 不考慮漿液的噴淋，忽略液相與氣相的相互作用及傳熱傳質(zhì)。

圖1 不同入口的噴淋塔

1.3 氣相控制方程[4]

采用歐拉法將煙氣處理為連續(xù)相對(duì)其進(jìn)行描述。基于上述假設(shè)，噴淋塔氣相流場(chǎng)的連續(xù)性方程為

動(dòng)量方程為

式中:ρ為煙氣密度，kg/m3;p為壓強(qiáng)，Pa;ui為煙氣在x，y，z上的分速度;V為煙氣速度，m/s;Fi為漿液對(duì)煙氣流場(chǎng)的反作用，N。由于未考慮噴淋對(duì)流場(chǎng)的影響，所以Fi=0。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與討論

數(shù)值模擬條件見表1。

2.1 塔內(nèi)流場(chǎng)分布

圖2(a)、(b)、(c)為3種不同入口位置的噴淋塔內(nèi)流場(chǎng)分布。對(duì)于入口和出口同向噴淋塔，煙氣進(jìn)入塔內(nèi)直接撞擊到與入口位置相對(duì)的墻體，在塔內(nèi)形成巨大的環(huán)流，流場(chǎng)很不均勻。圖2(b)入口煙氣將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，形成2個(gè)“漩渦”，流場(chǎng)較圖2(a)均勻。圖2(c)煙氣進(jìn)入噴淋塔后，主氣流直接撞擊出口下面的墻壁，煙氣在塔內(nèi)的流程較短，不利于氣液之間傳質(zhì)交換，而且進(jìn)口位置占地面積較大。3種不同的入口位置在漿液處均形成了回流區(qū)，可以延長(zhǎng)部分煙氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間。但不利于漿面穩(wěn)定，易形成漿液“起泡”[5]，強(qiáng)化虛假液面，影響噴淋塔的運(yùn)行。圖2(d)為兩向入口的噴淋塔。由圖2可見，由于2股氣流的對(duì)沖，沒有在中心截面形成漩渦，流場(chǎng)也比較均勻。該模擬結(jié)果可以為塔型的選擇和煙氣的進(jìn)口設(shè)計(jì)提供借鑒。

表1 數(shù)值模擬條件

2.2 塔內(nèi)壓強(qiáng)分布

圖3為不同塔型塔內(nèi)壓強(qiáng)分布的等高線圖。模擬結(jié)果表明，不同塔型壓強(qiáng)大小分布不同，但有一個(gè)共同特點(diǎn):在入口對(duì)墻體處壓強(qiáng)相對(duì)較大。根據(jù)滲透理論，此處有利于氣液之間的傳熱傳質(zhì)[6];在塔的上部壓強(qiáng)梯度比較大。該模擬結(jié)果可為塔的受力分析和噴口的布置提供借鑒。

由圖4可知噴淋塔內(nèi)的壓強(qiáng)隨高度增加先減小后增大。當(dāng)入口與出口夾角為180°煙氣在塔內(nèi)的壓降最大 (251 Pa)，夾角為45°時(shí)塔內(nèi)的壓降為170.2 Pa，夾角為0°時(shí)壓降最小 (127.5 Pa)。說明隨著入口與出口夾角的增大，噴淋塔的空塔阻力逐漸增大。從這個(gè)角度看，要依次選擇壓頭大的風(fēng)機(jī)。采用雙入口方式時(shí)壓降為194 Pa，出口與入口夾角為45°～180°，而且隨高度的變化趨勢(shì)也比較小。采用此種塔型可有利于氣液傳質(zhì)。在實(shí)際運(yùn)行中可以對(duì)入口位置和方式進(jìn)行改造，達(dá)到減小壓降損失的目的。

圖2 X=0截面的流場(chǎng)分布

圖3 塔內(nèi)壓強(qiáng)分布

圖4 噴淋塔各截面壓強(qiáng)分布

3 結(jié)論

a. 脫硫塔的入口位置和入口方式對(duì)脫硫噴淋塔流場(chǎng)分布的影響很大。模擬結(jié)果可以指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行。

b. k－ε方程能夠很好地預(yù)測(cè)脫硫塔內(nèi)的流場(chǎng)，計(jì)算比較準(zhǔn)確。

c. 脫硫塔入口位置和入口方式對(duì)塔內(nèi)壓力損失的影響較大。模擬結(jié)果可用于脫硫塔的改造和選型。

[1]林永明，高 翔，施平平，等.大型濕法煙氣脫硫噴淋塔內(nèi)阻力特性數(shù)值模擬 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(5):28－32.

[2]李 磊，張尊舉，鄭立輝.噴淋塔內(nèi)氣液流場(chǎng)模擬 [J].工業(yè)安全與環(huán)保，2009，35(1):10－12.

[3]王 旭，陳鴻偉.入口位置對(duì)噴淋塔流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(3):41－43.

[4]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

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