孔祥超， 程 凱， 高云鵬

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

我國(guó)是世界上燃煤污染物排放大國(guó)，SO2和粉塵顆粒已成為主要污染物，近幾年我國(guó)SO2年排放量連年超2 000萬(wàn)噸，列世界第一位［1］，燃煤所造成的酸雨污染和粉塵顆粒污染已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素。我國(guó)對(duì)于大型鍋爐煙氣除塵脫硫技術(shù)成熟，除塵脫硫的設(shè)計(jì)有相關(guān)的技術(shù)方法、原則和規(guī)范可供參考，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高，煙氣SO2和顆粒物排放能嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)而言，中小型燃煤鍋爐煙氣除塵脫硫技術(shù)還有待提高。雖然經(jīng)過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，國(guó)家削減了相當(dāng)數(shù)量的中小型燃煤鍋爐，但由于中小型燃煤鍋爐數(shù)量多，分布廣且負(fù)荷變化大，燃煤煤質(zhì)差異，除塵脫硫成本投入不夠等原因，粉塵顆粒排放和SO2總量也不容小視。我國(guó)針對(duì)中小型燃煤鍋爐特點(diǎn)，已開(kāi)發(fā)了一批簡(jiǎn)易煙氣除塵脫硫技術(shù)。目前已形成沖激式旋風(fēng)除塵脫硫、濕式旋風(fēng)除塵脫硫、麻石水膜除塵脫硫、脈沖供電除塵脫硫、多管噴霧除塵脫硫、噴射鼓池除塵脫硫、旋流板除塵脫硫等簡(jiǎn)易濕法除塵脫硫技術(shù)［2］。

文中以SXJ－Ⅱ-L-6T除塵脫硫裝置為研究對(duì)象，該裝置內(nèi)氣、液、固三相流動(dòng)較為復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)中許多參數(shù)測(cè)量非常困難，如霧滴大小、運(yùn)動(dòng)軌跡、碰壁和蒸發(fā)的情況，煙氣中粉塵顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，粉塵顆粒與霧滴的黏合情況等。近年來(lái)隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)除塵脫硫裝置的內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬及計(jì)算越來(lái)越受到研究學(xué)者的重視。

文中重點(diǎn)關(guān)注的是裝置內(nèi)氣固二相流動(dòng)［3］：速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡等分布情況。通過(guò)對(duì)該除塵脫硫裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行氣固二相流的數(shù)值模擬分析，為該裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和研究經(jīng)驗(yàn)。

1 自激式除塵脫硫概述

自激式除塵脫硫?qū)儆跐袷匠龎m脫硫的一種［4］，它依靠含粉塵顆粒和SO2的氣流沖擊含堿液的液膜或自由液面形成大量液滴或水幕來(lái)捕集粉塵顆粒，同時(shí)，煙氣中SO2與液滴中堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，從而達(dá)到脫硫作用。自激式除塵脫硫設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，洗滌液在裝置內(nèi)部自然循環(huán)，無(wú)外界動(dòng)力，這樣既保證了洗滌液能夠被多次利用，提高洗滌液的使用效率，又減少了除塵脫硫的動(dòng)力消耗，降低了運(yùn)行成本［5］。

文中所用的SXJ－Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 SXJ-Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其工作原理是：含有粉塵顆粒和SO2的氣體從進(jìn)煙口進(jìn)入，通過(guò)進(jìn)口管道改變氣流方向引入接觸室沖擊洗滌液，較大的粉塵顆粒在慣性力和離心力的作用下脫離氣流方向，被洗滌液捕獲，同時(shí)部分含有SO2的氣體與洗滌液發(fā)生中和反應(yīng)；較小的灰塵和未被中和掉的SO2氣體則隨氣流上升，與激起的霧狀小液滴混合，塵粒在過(guò)程中凝聚長(zhǎng)大，在慣性碰撞、攔截以及擴(kuò)散的作用下被捕獲，而氣體中的SO2會(huì)與小液滴中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)。這些混合物在隨氣流的上升過(guò)程中由于自身重力作用沉積到裝置下部，最終由排污口排出，清潔氣體由出煙口排出，從而達(dá)到除塵脫硫的作用［6－7］。

2 數(shù)學(xué)模型

文中流動(dòng)計(jì)算根據(jù)研究對(duì)象的流動(dòng)特點(diǎn)作如下基本假定［8］：

1）將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；固相的體積濃度（Av）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，忽略顆粒間的相互作用。

2）不考慮裝置內(nèi)液相對(duì)流場(chǎng)的影響；

3）假設(shè)粉塵顆粒為球形；

4）暫不考慮氣相與顆粒相之間的傳質(zhì)、傳熱。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［9］

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。它是在湍動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上引入一個(gè)湍動(dòng)耗散率ε的方程，形成了標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。該模型于1972年由Launder和Spalding提出。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型中湍動(dòng)能k的輸運(yùn)方程：

標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型中湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程

其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，即

Gb是由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，即

YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響，即

Mt為湍動(dòng)馬赫數(shù)，即

β為熱膨脹系數(shù)，即

a為聲速，即

μt為湍動(dòng)粘度，即

ε為耗散率，即

其它，C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，F(xiàn)luent中默認(rèn)值為C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝0.09；σk，σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，F(xiàn)luent中默認(rèn)值為σk＝1.0，σε＝1.3；Prt為湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)，默認(rèn)取Prt＝0.85；gi為重力加速度在i方向上的分量。

2.2 離散相模型（DPM）［10］

DPM是將流體視為連續(xù)相，而將顆粒、氣泡、液滴等分散相看作是離散相，DPM模型假設(shè)顆粒的體積不能過(guò)大，而且大體上均勻分布于連續(xù)相中，即顆粒的局部體積濃度比要小于10%。然后建立單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)方程，與氣相N-S方程耦合求解，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可根據(jù)求得的顆粒速度和設(shè)定的時(shí)間步長(zhǎng)積分求得，將大量的顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，可以獲得顆粒相的流場(chǎng)。文中的連續(xù)相為空氣，離散相為粉塵顆粒。

根據(jù)顆粒的作用力平衡方程：

FD（u－up）為顆粒的單位質(zhì)量曳力，其中：

Rer為相對(duì)雷諾數(shù)，即

曳力系數(shù)CD，即

對(duì)于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，上式中的a1，a2，a3為常數(shù)。其它，u為流體相速度，up為顆粒速度，μ為流體動(dòng)力粘度，ρ為流體密度，ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑，g為重力加速度。

3 幾何模型及網(wǎng)格劃分

3.1 內(nèi)部流道模型的建立

內(nèi)部流道模型的建立和網(wǎng)格劃分在流動(dòng)問(wèn)題數(shù)值模擬過(guò)程中屬于前處理過(guò)程，也是影響計(jì)算精度和收斂性的一個(gè)重要方面。尤其對(duì)復(fù)雜流道的流場(chǎng)，網(wǎng)格劃分的合理性就顯得至關(guān)重要。

SXJ-Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置三維幾何模型如圖2所示。

圖2 SXJ-Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置三維幾何模型

根據(jù)三維幾何模型，運(yùn)用Pro／ENGINEER軟件對(duì)文中SXJ－Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置內(nèi)部流道模型進(jìn)行建立，如圖3所示。

圖3 SXJ-Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置內(nèi)部流道模型

3.2 網(wǎng)格劃分

將建好的內(nèi)流道模型導(dǎo)入Gambit軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格形式采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的混合網(wǎng)格，將整體進(jìn)行分層分塊網(wǎng)格劃分，這樣劃分網(wǎng)格使網(wǎng)格質(zhì)量有了很大的改善，加速了求解的收斂，提高了解的精確度。

4 數(shù)值模擬及分析

4.1 邊界條件設(shè)定

根據(jù)該裝置實(shí)際的工藝運(yùn)行條件設(shè)置邊界條件。

4.1.1 連續(xù)相

氣體采用速度入口和壓力出口進(jìn)行定義，入口氣速為10 m／s，出口壓力為－3 000 Pa（引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓）。湍動(dòng)方式采用湍流強(qiáng)度和水力直徑對(duì)出入口湍流進(jìn)行定義，其中出入口湍流強(qiáng)度均為5%，出入口水力直徑均為0.7 m。

4.1.2 離散相（DPM）

顆粒分布形式采用R-R分布，設(shè)定最大直徑為125μm，最小直徑為25μm，中位直徑為60μm，分布指數(shù)為3.5，粉塵顆粒密度為1 511 kg／m3，進(jìn)口質(zhì)量流量為0.005 5 kg／s。

4.2 氣固二相模擬結(jié)果與分析

本次數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［11］，應(yīng)用SIMPLEC壓力－速度耦合算法進(jìn)行求解［12－13］，離散相模型（DPM），注入類型選擇面注入，顆粒類型為惰性顆粒。

x＝0截面的速度矢量圖和速度云圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 x＝0截面速度矢量圖

圖6 x＝0截面速度云圖

從圖5中可以看出，煙氣進(jìn)入裝置后，在經(jīng)管道向下沖擊，受阻后改變運(yùn)動(dòng)方向向上運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)雙層交錯(cuò)擋板時(shí)，氣流再次改變流向，而后繼續(xù)向上，經(jīng)出口管到達(dá)出口截面。由于雙層交錯(cuò)式擋板對(duì)氣流的阻礙作用，使得氣流在雙層擋板下方、中間以及上方產(chǎn)生了不同程度的渦旋，而且可以看出中間渦旋明顯小于下方和上方的渦旋。結(jié)合圖6速度云圖認(rèn)為，之所以裝置內(nèi)上層和下層渦旋大、中間層渦旋小是由于裝置中間層氣流速度小，而上層和下層氣流速度大造成的。渦旋的存在延長(zhǎng)了氣體的停留時(shí)間，增加了各相的接觸機(jī)會(huì)，有利于各相間凝聚增大，從而提高凈化率。

x＝0截面的壓強(qiáng)云圖如圖7所示。

圖7 x＝0截面的壓強(qiáng)云圖

圖中反映了裝置內(nèi)部壓強(qiáng)的變化情況。氣體流經(jīng)雙層交錯(cuò)擋板時(shí)，由于黏性作用擋板對(duì)煙氣產(chǎn)生摩擦阻力，同時(shí)在擋板兩面產(chǎn)生渦漩，渦漩的運(yùn)動(dòng)不斷地消耗煙氣的機(jī)械能，因此，流經(jīng)雙層擋板后煙氣的壓強(qiáng)下降非常明顯，模擬計(jì)算結(jié)果顯示壓強(qiáng)差約為910 Pa，工程實(shí)測(cè)壓強(qiáng)差為1 000 Pa。結(jié)果表明此次模擬具有可行性。

顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤圖如圖8所示。

圖中不同的顏色表示不同粒徑的顆粒，反應(yīng)了粉塵顆粒在不同時(shí)間段經(jīng)過(guò)的軌跡以及顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從圖中可以看出，粉塵顆粒進(jìn)入裝置后在入口段分布均勻，因慣性的作用繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，碰到壁面后隨氣流折轉(zhuǎn)向上，直徑較粗的顆粒在重力的作用下沉降下來(lái)，直徑較細(xì)的顆粒隨氣流繼續(xù)向上擴(kuò)散，后在雙層交錯(cuò)式擋板的攔截、碰撞下，一部分直徑細(xì)顆粒子沉淀分離出來(lái)，而未沉淀的其它顆粒會(huì)隨氣流流出裝置。

圖8 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤圖

5 結(jié) 語(yǔ)

利用Fluent軟件對(duì)SXJ－Ⅱ-L-6T型除塵脫硫裝置的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)分析裝置內(nèi)氣固二相的速度分布、壓力分布以及顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡等參數(shù)的分布，得出以下結(jié)論：

1）將標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型與DPM模型用于除塵脫硫裝置內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果能較好地符合工程實(shí)際，可用于該類裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行。

2）兩層交錯(cuò)式擋板是產(chǎn)生壓降的主要原因，在不影響凈化效果的前提下對(duì)擋板結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將有效地降低整個(gè)設(shè)備壓力損失，從而降低運(yùn)行成本。

3）該型除塵脫硫一體化裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、維護(hù)方便、成本較低，處理煙氣量適用于中小型供熱鍋爐的除塵脫硫。

4）文中僅對(duì)裝置中氣相以及氣固兩相進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，未考慮液相對(duì)顆粒的捕集作用，這一點(diǎn)將在后續(xù)研究中做進(jìn)一步探討。

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