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        濕法煙氣處理噴淋塔內(nèi)流場的數(shù)值模擬

        2022-02-04 08:17:32李戀李錄芬楊仲曹張俠挺沙策
        化工與醫(yī)藥工程 2022年6期
        關(guān)鍵詞:噴淋塔塔內(nèi)液滴

        李戀,李錄芬,楊仲曹,張俠挺,沙策

        (浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 溫州 325016)

        隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大氣污染問題日益得到人們的廣泛關(guān)注。2021 年12 月15 日,生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)和工業(yè)和信息化部等18 部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”時(shí)期“無廢城市”建設(shè)工作方案》。《工作方案》指出,到2025 年,主要大氣污染物排放量大幅降低,無害化處置能力得到有效保障[1]。長期以來,工業(yè)煙氣的排放一直是大氣污染的一個(gè)主要原因。濕法煙氣處理技術(shù)由于反應(yīng)速度快、脫除效率高、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為工業(yè)煙氣處理的一個(gè)重要手段[2]。噴淋塔作為濕法煙氣處理的核心,其內(nèi)部流場對(duì)于脫除效率及運(yùn)行成本有著重要影響。

        當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)煙氣處理噴淋塔都進(jìn)行了一些相關(guān)研究,主要集中在噴淋塔的工藝參數(shù)[3],尺寸[4]及結(jié)構(gòu)[5]等。薄佳燕[6]等人研究了有無噴淋對(duì)于塔內(nèi)煙氣流場的影響。馬如[2]等人發(fā)現(xiàn)噴淋塔內(nèi)的阻力受到噴淋層數(shù)的影響最為顯著。楊丁[7]通過在吸收塔進(jìn)出口處設(shè)置導(dǎo)流板,使塔內(nèi)流場得到了明顯改善。此外,當(dāng)前國外對(duì)于噴淋塔所涉及的煙氣脫硫機(jī)理及漿液液滴的運(yùn)動(dòng)方面亦有研究[8-9],而國內(nèi)的相關(guān)研究則不多見。

        本文利用Ansys Fluent 進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)某濕法煙氣處理噴淋塔內(nèi)的流場進(jìn)行了研究,分析了噴淋漿液、入口角度、噴淋粒徑大小及速度對(duì)塔內(nèi)流場的影響,從而對(duì)工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)意義。

        1 物理模型

        以某項(xiàng)目濕法煙氣處理噴淋塔為研究對(duì)象,其簡化的物理模型及各尺寸參數(shù)如圖1 所示(其中θ為煙氣入口角度)。為簡化計(jì)算,根據(jù)研究重點(diǎn),作出如下假設(shè):

        圖1 噴淋塔物理模型Fig.1 Physical model of spray tower

        (1)漿液池液面設(shè)為靜止液面,忽略液面起伏變化帶來的影響;

        (2)忽略噴嘴上方除霧器對(duì)塔內(nèi)流場產(chǎn)生的影響;

        (3)忽略噴嘴自身對(duì)塔內(nèi)流場的影響,模擬時(shí)采用坐標(biāo)噴淋的方式;

        (4)忽略漿料和煙氣之間的化學(xué)反應(yīng)及漿料的蒸發(fā)作用。

        2 數(shù)值計(jì)算模型

        2.1 煙氣連續(xù)相湍流模型

        本文將煙氣視為連續(xù)、定常、不可壓縮流體,采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,湍流黏性系數(shù)為:

        其中,等式右端項(xiàng)分別表示生成項(xiàng)、耗散項(xiàng)及壁面項(xiàng)。各常數(shù)的值如下:

        Cμ= 0.09,cε1= 1.45,cε2= 1.92,σk= 1.0,σε= 1.3,Prt= 0.9

        雷諾應(yīng)力的渦黏性:

        式中us——平行于壁面的流動(dòng)速度。

        2.2 液滴離散項(xiàng)模型

        本文中漿液所采用的模型為DPM 離散項(xiàng)模型:

        式中 右端第一、二項(xiàng)分別表示單位顆粒質(zhì)量所受阻力、流體對(duì)液滴顆粒的重力項(xiàng),N;

        fx——附加加速度項(xiàng),m/s2;

        u、up——分別為連續(xù)相速度及顆粒速度,m/s;

        ρp——液滴顆粒密度,kg/m3。

        2.3 初始條件及邊界條件

        根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)際使用場景,煙氣的密度為0.95 kg/m3,黏度為2.04×10-5pa·s,漿液的流量為10 kg/s,密度為1 126 kg/m3。噴淋塔壁面定義為無滑移壁面,液滴在壁面處設(shè)置為escape,在漿液液面處定義為trap。煙氣入口處為壓力入口,表壓25 Pa,出口處為壓力出口,表壓為0。噴霧液滴粒徑定義為0.001 m。本文建立噴淋塔的二維模型,坐標(biāo)系如圖1 所示。利用ICEM 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,整個(gè)模型均采用了四邊形網(wǎng)格。

        3 模擬結(jié)果分析

        3.1 噴淋漿液對(duì)塔內(nèi)流場的影響

        在未加噴淋與加入噴淋兩種情況下分別進(jìn)行模擬,塔內(nèi)煙氣跡線如圖2 所示。通過對(duì)比,顯然加入噴淋后跡線發(fā)生明顯變化。相較于未加噴淋,加入噴淋后右上角的大渦旋消失,左下角的渦旋狀況有明顯改善,塔內(nèi)流線變得比較均勻。另外,在未加噴淋時(shí),煙氣直接沖擊壁面,不利于煙氣的脫除。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要在于,在噴淋漿液的作用下,進(jìn)入塔內(nèi)的高速煙氣被迫減速,從而使得高速氣流帶收窄,不能形成“封閉區(qū)域”,渦旋減弱。還有少量的煙氣流向漿液池液面,受阻后改變方向,與撞擊塔壁的氣流“對(duì)沖”,從而削弱了對(duì)塔壁的沖擊。總的來說,噴淋的漿液具有改善塔內(nèi)流場的作用。

        圖2 兩種情況下塔內(nèi)流場跡線Fig.2 Flow field trace in the tower under two conditions

        3.2 入口角度對(duì)塔內(nèi)流場的影響

        煙氣入口角度作為實(shí)際生產(chǎn)中易于控制的結(jié)構(gòu)參數(shù),本文選擇45°、60°、75°及90°四個(gè)不同的角度,對(duì)塔內(nèi)流動(dòng)效果進(jìn)行模擬研究。圖3 為不同煙氣入口角度下塔內(nèi)速度分布,可以看出,整體而言,不同入口角度下,速度分布規(guī)律整體趨于一致,差異主要在左側(cè)壁面附近處。在煙氣入口角度為45°和60°時(shí),左側(cè)壁面附近速度波動(dòng)較大,而對(duì)于75°和90°入射時(shí),情況則有明顯改善。進(jìn)一步觀察,可以發(fā)現(xiàn),煙氣入口角度為75°時(shí),速度分布整體比較均勻,速度變化范圍較90°更窄,總體速度值低于90°入射時(shí),這將導(dǎo)致煙氣在塔內(nèi)停留時(shí)間更長,有利于提高脫除效率。因此,綜合來看,煙氣的入口角度不宜過小,設(shè)置在75°附近較為合適,本文后續(xù)均采用75°作為煙氣入口角度進(jìn)行研究。

        圖3 不同煙氣入口角度下y = 18 m 處塔內(nèi)速度分布Fig.3 Velocity distribution in the tower at y = 18 m under different flue gas inlet angles

        3.3 噴淋液滴粒徑對(duì)塔內(nèi)流場的影響

        噴淋的液滴粒徑對(duì)塔內(nèi)煙氣的減速至關(guān)重要。因此,本文選擇噴淋液滴粒徑為1 mm、1.5 mm、2 mm 三種情況,對(duì)塔內(nèi)流場進(jìn)行模擬研究。圖4 ~ 5反映了不同液滴粒徑下,漿液粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間及質(zhì)量濃度分布云圖。隨著粒徑的增加,漿液粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間從3.06 s 逐漸下降至2.18 s,而塔內(nèi)漿料濃度整體分布較為均勻,最大濃度維持在6.1 kg/ m3左右。一般情況下,液滴粒徑越小,與煙氣接觸面積越大,熱濕交換效果越好,但是從圖4 ~ 5 來看,漿液粒徑越小,其“逃逸”的數(shù)量越多,且存在進(jìn)入煙道的可能,會(huì)對(duì)煙道的防腐層造成破壞。因此,綜合來看,為保證漿液的停留時(shí)間,同時(shí)避免對(duì)煙道造成破壞,粒徑宜選取在1.5 ~ 2 mm 之間,本文后續(xù)均采用1.8 mm粒徑進(jìn)行研究。

        圖4 漿液粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間(s)Fig.4 Time of slurry particle movement (s)

        圖5 漿液粒子質(zhì)量濃度(kg/m3)Fig. 5 Slurry particle mass concentration (kg/m3)

        3.4 噴淋液滴速度對(duì)塔內(nèi)流場的影響

        有研究[10]表明,合適的噴淋液滴速度對(duì)于噴淋塔的性能具有較大影響。因此,本文選擇噴淋液滴速度為3 m/s、5 m/s 及7 m/s 三種情況,對(duì)塔內(nèi)流場進(jìn)行模擬研究。圖6 ~ 7 反映了不同液滴速度下,漿液粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間及塔內(nèi)流場跡線。隨著噴淋液滴速度的增大,漿液粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間從2.44 s 逐漸下降至2.14 s,而在此過程中漿液粒子運(yùn)動(dòng)軌跡及場內(nèi)流場總體變化不大,只在速度為7 m/s 時(shí),左下角處渦旋情況有所改善。這主要是因?yàn)楫?dāng)噴淋漿液速度較大時(shí),使得煙氣湍流流動(dòng)增強(qiáng),氣液之間撞擊現(xiàn)象更加嚴(yán)重,從而使得氣流無法形成“閉環(huán)”。另外,考慮到流速的增加有利于氣液兩相間的熱濕交換。因此,結(jié)合3.3 節(jié)噴淋液滴粒徑的影響,在工程實(shí)際中可通過適當(dāng)增大噴淋液滴粒徑及流速的方法改善噴淋塔的性能,減少煙氣回流區(qū),提高塔內(nèi)空間利用率。

        圖6 漿液粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間(s)Fig.6 Time of slurry particle movement (s)

        圖7 液滴速度對(duì)煙氣流場分布的影響(m/s)Fig.7 Influence of droplet velocity on flue gas flow field distribution (m/s)

        4 結(jié)論

        (1)噴淋漿液對(duì)塔內(nèi)流場具有整合作用。在未加入噴淋漿液時(shí),塔內(nèi)流場中存在多個(gè)大渦旋,流速分布不均勻,有煙氣“短路”現(xiàn)場。加入噴淋漿液后,塔內(nèi)的高速氣流被迫減速,使得塔內(nèi)流場分布較為均 勻。

        (2)煙氣入口角度對(duì)塔內(nèi)速度分布具有重要影響。通過對(duì)不同煙氣進(jìn)口角度下的塔內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)煙氣入口角度設(shè)置過小時(shí),塔內(nèi)煙氣速度波動(dòng)范圍廣,當(dāng)入口角度為75°時(shí),塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)較為穩(wěn)定,流速比較均勻。

        (3)噴淋液滴粒徑大小對(duì)其在塔內(nèi)的停留時(shí)間具有較大影響,且對(duì)噴淋液滴的“捕捉”影響較大。應(yīng)盡量控制液滴粒徑在1.5 ~ 2 mm 之間時(shí),可保證漿液的停留時(shí)間,同時(shí)避免對(duì)煙道造成破壞。

        (4)噴淋液滴速度具有一定的整合流場的作用。應(yīng)盡量控制噴淋液滴速度在7 m/s,同時(shí)結(jié)合控制合適的液滴粒徑大小,以此在保證停留時(shí)間的基礎(chǔ)上,減少煙氣回流區(qū),提高塔內(nèi)空間利用率。

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