徐 威 楊后文 劉 豐 張賢福

(1. 南京工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2. 江蘇省(中圣)工業(yè)節(jié)能技術(shù)研究院, 江蘇 南京 211112)

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境治理投入的加大，更嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，SO2作為主要的大氣污染物，其排放量必須控制。目前市場(chǎng)上針對(duì)燃煤鍋爐的脫硫技術(shù)呈現(xiàn)多樣化，總體分為燃燒前脫硫技術(shù)、燃燒中脫硫技術(shù)和燃燒后脫硫技術(shù)。燃燒前脫硫技術(shù)是從污染源頭入手，包括物理法、化學(xué)法和生物法等[1,2]。燃燒中脫硫技術(shù)是指在燃燒過(guò)程中脫硫，包括型煤燃燒脫硫、循環(huán)流化床鍋爐燃燒脫硫和爐內(nèi)噴鈣脫硫等[3,4]。這種脫硫技術(shù)因成本高，效率低，且無(wú)法達(dá)到環(huán)保要求而未被廣泛應(yīng)用。燃燒后脫硫包括電子束脫硫、活性炭吸附法、循環(huán)流化床煙氣脫硫(CFB-FGD)、濕法脫硫等[5-7]。其中，濕法脫硫因脫硫劑資源豐富、價(jià)格低廉、對(duì)煤種的適應(yīng)性強(qiáng)、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)成為市場(chǎng)主導(dǎo)。濕法脫硫工藝中的吸收塔多采用逆流噴淋塔，煙氣由塔側(cè)面進(jìn)氣口進(jìn)入，在塔內(nèi)與噴淋漿液逆流接觸，從而除去煙氣中的SO2。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從SO2吸收原理及流場(chǎng)優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究[8-10]，取得了較大進(jìn)展。

通過(guò)對(duì)脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)的研究可知，塔內(nèi)裝置的結(jié)構(gòu)、位置等對(duì)煙氣流動(dòng)、煙氣與漿液的反應(yīng)等有較大影響，從而影響整個(gè)脫硫塔的脫硫效率。本文針對(duì)某濕法煙氣脫硫塔內(nèi)結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)煙氣不同入口角度下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，得出最佳煙氣入口角度，為改善脫硫塔內(nèi)部煙氣流動(dòng)，提高脫硫效率設(shè)計(jì)提供參考。

2 理論模型

2.1 物理模型

根據(jù)某濕法煙氣脫硫塔內(nèi)結(jié)構(gòu)，針對(duì)煙氣流動(dòng)區(qū)域建立三維簡(jiǎn)化模型，如圖1所示，忽略煙氣出口對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的影響，并考慮氣帽設(shè)置的影響。脫硫塔直徑?=6.5 m，高35.7 m(z方向)，煙氣入口夾角為β。A-A、B-B分別為z=10 m和z=25 m處的截面。

圖1 某脫硫塔三維簡(jiǎn)化模型Fig. 1 Three-dimensional simplified model of a desulfurization tower

2.2 基本假設(shè)

(1) 煙氣流動(dòng)為三維、定常、不可壓縮流體；

(2) 煙氣為混合不可壓縮理想氣體；

(3) 忽略相變及化學(xué)反應(yīng)的影響；

(4) 重力加速度沿-z方向，g=9.8 m/s2；

(5) 煙氣物性參數(shù)不隨溫度變化；

(6) 煙氣湍流區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。

2.3 基本方程

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

式中，ui、uj為速度，ρ為密度，p為壓力，F(xiàn)i為體積力，keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，E表示能量，τeff為能量耗散系數(shù)，τij為應(yīng)力張量，其表達(dá)式如下：

(4)

湍流區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型表示雷諾應(yīng)力，壁面湍流采用壁面函數(shù)的方法處理。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型的湍動(dòng)能κ和耗散率ε方程如下：

(5)

(6)

其中，Gk是平均速度梯度引起的湍動(dòng)能，Gb是浮力影響引起的湍動(dòng)能,μt為湍流粘性系數(shù), 取C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0,σε=1.3。

2.4 邊界條件設(shè)置

入口邊界為質(zhì)量入口，出口邊界為自由出口，脫硫塔壁面及端面為絕熱邊界。

3 仿真計(jì)算與分析

本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件，針對(duì)煙氣入口角度β=5°、10°、12°、15°、17°、20°六種工況下的脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算與分析。煙氣質(zhì)量入口取43.22 kg/s，煙氣組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：CO2—22.30%、H2O—4.17%、N2—69.83%、O2—3.51%、SO2—0.19%。參考?jí)毫?01 325 Pa，為減少計(jì)算量，建立1/2模型，采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2所示。利用SIMPLE算法，密度、動(dòng)量和能量的離散采用二階迎風(fēng)格式。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

圖3為煙氣入口角度β=5°、10°、12°、15°、17°、20°六種工況下脫硫塔內(nèi)部流線(xiàn)的分布情況。從圖3中可以看出，煙氣不同入口角度下塔內(nèi)形成了大小不一的渦流。當(dāng)β=5°時(shí)，在近煙氣進(jìn)口側(cè)壁及對(duì)壁端面形成兩個(gè)較大渦流，大部分煙氣繞過(guò)渦流沿z軸方向流出，如圖3(a)所示。由于大量煙氣以較快速度沖擊對(duì)壁面并反彈流向氣帽區(qū)域，部分煙氣在氣帽區(qū)域碰到壁面再次反彈，與沿近煙口壁面進(jìn)入塔內(nèi)的少量低流速煙氣相互作用，形成一個(gè)氣體的滯留區(qū)，即流動(dòng)死區(qū)。同理，煙氣在z軸負(fù)方向上的速度分量沖擊端面形成了另一個(gè)流動(dòng)死區(qū)。當(dāng)β增至10°或12°時(shí)，煙氣在z軸負(fù)方向的速度分量增大，導(dǎo)致近煙道入口處的渦流區(qū)影響進(jìn)一步擴(kuò)大，如圖3(b)、(c)所示。當(dāng)β=15°時(shí)，煙氣沿z軸負(fù)方向的速度分量繼續(xù)增加，但是由于底面對(duì)煙氣的反彈作用，反而增加了煙氣在氣帽下方的流動(dòng)空間，抑制了近煙口壁面煙氣流動(dòng)死區(qū)的形成，局部渦流幾乎完全消失，如圖3(d)所示。當(dāng)β繼續(xù)增大時(shí)，在近煙口側(cè)壁面和對(duì)壁底面的兩個(gè)煙氣流動(dòng)死區(qū)再次形成，流體流動(dòng)空間減小，如圖3(e)-(f)所示。由此可見(jiàn)，當(dāng)煙氣入口角度β=15°時(shí)，脫硫塔內(nèi)煙氣流動(dòng)死區(qū)最少，流動(dòng)空間最大。

為進(jìn)一步分析不同入口角度對(duì)塔內(nèi)煙氣流動(dòng)速度的影響，圖4給出了脫硫塔內(nèi)縱向截面(x=0)處的速度分布云圖。從圖4中可以看出，當(dāng)β由5°增加到15°時(shí)，氣帽下方(負(fù)z軸方向)脫硫區(qū)域的高速度和低速度區(qū)域面積逐漸減小，速度分布越來(lái)越均勻；當(dāng)β由15°增加到20°時(shí)，該區(qū)域的高低流速面積增大，速度均勻性變差。由此可見(jiàn)，當(dāng)煙氣入口角度β=15°時(shí)，脫硫塔內(nèi)縱向截面的速度分布最均勻。

圖5和圖6給出了脫硫塔內(nèi)不同入口角度下橫向截面A-A(z=10 m)處的速度分布云圖及該截面的速度方差曲線(xiàn)。由圖5可以看出，隨著煙氣入口角度β的增加，脫硫塔內(nèi)橫向截面A-A(z=10 m)處的速度變化過(guò)程為不均勻—均勻—不均勻。結(jié)合圖6給出的該截面速度方差曲線(xiàn)可知，當(dāng)煙氣入口角度β=15°時(shí)，截面速度方差最小，意味著此角度下該區(qū)域的速度分布最均勻。

圖6 煙氣不同入口角度下A-A截面(z=10 m)的速度方差曲線(xiàn)

圖7為煙氣不同入口角度下橫向截面B-B(z=25 m)的速度分布云圖。由圖7可知，不同角度下的截面速度分布規(guī)律基本相同，速度分布較A-A截面對(duì)應(yīng)角度下更均勻。由此可見(jiàn)，氣帽的設(shè)置有助于尾部流場(chǎng)的分布更均布。

4 結(jié)論

(1) 煙氣不同入口角度下脫硫塔內(nèi)形成了大小不一的流動(dòng)死區(qū)，β=15°時(shí)，塔內(nèi)流體流動(dòng)死區(qū)最少，流動(dòng)空間最大；

(2) 隨著煙氣入口角度β的增加，氣帽下方(負(fù)z軸方向)脫硫區(qū)域的高速度和低速度區(qū)域面積先減小后增加，β=15°時(shí)速度分布最均勻。

圖7 煙氣不同入口角度下脫硫塔B-B截面(z=25m)處的速度分布云圖

(3) 煙氣不同入口角度下，經(jīng)過(guò)氣帽后的流場(chǎng)分布規(guī)律基本相同，尾部速度分布較均勻。由此可見(jiàn)，氣帽的設(shè)置有助于尾部流場(chǎng)的分布更均勻。