循環流化床煙氣脫硫塔內氣液兩相流場數值模擬

李少華，羅坤，王虎

(東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012)

目前國內應用的循環流化床煙氣脫硫工藝大多為引進技術［1－4］，但是存在諸多問題，因此對煙氣循環流化床脫硫技術進行進一步研究有重要的意義。影響循環流化床脫硫率的最大因素之一就是氣液固三相是否能夠有效均勻的混合反應［5－7］。本文是以某熱電有限公司所使用的循環流化床脫硫塔為研究對象，采用FLUENT軟件來模擬脫硫塔內部流場的變化情況，主要是關注于氣液兩相流，不考慮固體脫硫劑的噴入情況，只考慮被處理煙氣與霧化水混合的流場情況，即不帶化學反應的氣液兩相流動［8－10］。分析其工作原理以及過程，對脫硫塔內部流場進行研究。

1 數學模擬平臺的建立

1.1 數學模型

為了更好地研究氣液兩相的流場，省略了固體脫硫劑的加入。為了計算方便，對模擬段進行了一定的簡化，如圖1所示。

圖1為模擬時所用的模型，以某熱電有限公司脫硫塔為原型進行簡化，煙氣入口為文丘里擴充段，假設煙氣在文丘里段已經流動均勻?；緟等缦?

圖1 脫硫塔結構簡圖

表1 脫硫塔簡化后尺寸

1.2 邊界條件

本文在模擬過程中對邊界條件進行了簡化，入口氣流為空氣，壁面采用無滑移壁面邊界條件，主流采用空氣。

(1)脫硫塔入口邊界條件:采用速度入口邊界條件，入口邊界上的氣速、水速根據運行參數確定。氣體速度為8.2 m/s，霧化水的速度為0.035 m/s。

(2)脫硫塔出口邊界條件:出口邊界條件取為壓力出口條件。

(3)脫硫塔壁面邊界條件:固體壁面采用無速度滑移、無質量滲透邊界條件。

2 數值模擬結果分析

2.1 脫硫塔縱向速度分布

圖2(a)為脫硫塔內部Y=0面上速度變化示意圖。從圖中可以看出速度隨著高度的上升，有逐漸降低的趨勢，到達30 m處速度降到最低。因為當熱煙氣進入脫硫塔的時候，在文丘里擴充段遇到了帶有速度的霧化水，此時噴嘴的布置方式是45度角，即順流布置，來流煙氣與霧化水同方向向上運動，所以速度有所上升，在10 m左右速度有一個較高值，但是隨著高度的增加，速度逐漸下降，到脫硫塔出口處回到最小值。如圖2(b)所示，為X=0面上的速度變化示意圖，從圖中可以看出在X=0面上，速度分布也很不均勻，偏向X軸負方向。因為進入脫硫塔的煙氣在X=0這個中心面上遇到噴出的霧化水，氣流受到擾動偏向了X軸負方向。

圖2 (a)Y=0的速度變化等值線圖

圖2 (b)X=0的速度變化等值線圖

2.2 脫硫塔橫向速度分布

圖3 (a)Z=0時速度分布等值線圖

圖3 (b)Z=15時速度分布等值線圖

圖3 (c)Z=20時速度分布等值線圖

圖3 (d)Z=30時速度分布等值線圖

圖3(a)到圖3(d)為模擬松花江熱電有限公司的脫硫塔所得到的結果，分別是不同橫截面上的速度分布。從圖中我們可以看出，不同橫截面速度會有不一樣的分布。Z=0 m時左側速度較右側大，那是因為來流氣體遇到霧化水，霧化水的噴出方向為45度，霧化水的噴出改變了氣體的流動方向，對左側沖刷較嚴重，所以左側速度較大。隨著高度的增加，氣體與噴出的霧化水逐漸混合，分布趨于均勻，到達Z=30 m處，即脫硫塔出口處，出口兩側速度大致相同。

從圖4中更容易看出不同橫截面上在中心處的速度分布以及隨著高度變化的趨勢。Z=0 m的時候，速度正處于最高值，左側壁面由于噴嘴布置角度原因速度比右側壁面速度大。到達Z=15 m的時候速度有了明顯的降低，靠近左側壁面的速度高峰慢慢有向右側偏移的趨勢。到達Z=20 m的時候速度波動比較明顯，那是因為氣流方向在此處有向右側偏轉的趨勢，可以明顯的看到右側壁面的速度高于左側壁面。到達Z=30 m的時候速度波動就不那么明顯，逐漸趨于平和與一致。

圖4 不同橫截面上中心速度分布圖

2.2 脫硫塔縱向溫度分布

從圖中可以看出，塔內溫度場變化不劇烈，溫差也不大，噴嘴的加入對氣流溫度影響也不太大，只是在脫硫塔中部有少許變化，即降低了少許溫度。從圖中可以明顯的看出脫硫塔進出口溫差不大，脫硫塔出口溫度為100℃，有關研究表明出口煙溫越高，絕熱飽和溫差越大，則煙氣中含濕量越小，越不易于脫硫化學反應的進行;出口煙溫越低，絕熱飽和溫差越小，越有益于脫硫反應的進行，但容易粘壁腐蝕。在設計脫硫塔，布置噴嘴的時候應該同時考慮易于脫硫反應的進行以及避免粘壁腐蝕。

圖5 (a)Y=0的溫度變化等值線圖

圖5 (b)X=0的溫度變化等值線圖

2.3 脫硫塔橫向溫度分布

圖6(a)和圖6(d)為當Z=0以及Z=15時的橫截面上溫度分布。從圖中可以看出在Z=0面上，右側的溫度有些許降低，這是因為常溫霧化水與熱的氣體混合，霧化水的噴出方向是沖著左側的，所以右側水量較充足，隨著霧化水的噴出，受到熱煙氣的蒸發作用，所以左側溫度會比右側溫度稍高。高溫煙氣攜帶者常溫的霧化水在塔內運動，到達Z=15 m處，左側壁面溫度稍微有所降低。

從圖6(a)到圖6(d)中可以看出，隨著高度的增加，溫度變化始終不明顯且塔體左側溫度較右側較高。噴嘴45度角布置不能很好的使得高溫煙氣有所降溫而且對左側壁面的沖刷比右側壁面嚴重。

圖6 溫度分布等值線圖

3 脫硫塔數值模擬的可行性分析

本文選取了三個工作日內同一時間上的溫差壓差與模擬值相對比。三個工作日內，13時的處理煙氣量與噴水量如表2所示，模擬值與實測值相對比的表如表3所示。從表中可以看出，實測值與模擬值的溫差相差不多，這是因為霧化水本身就有降低煙溫的作用，同時氣固兩相以及液固兩相的相關化學反應產熱量不大。但是由于沒有固體脫硫劑的加入，壓降有了明顯的降低。所以本文所用模型可以較好的模擬出脫硫塔內部流場以及溫度場的變化情況。

表2 工作日內測量值

表3 實測值與模擬值的對比

3 結論

(1)通過采用數值模擬的方法分析了實際運行的脫硫塔內部速度場分布、溫度場分布以及湍流強度，模擬值和實測值吻合較好，為脫硫塔反應器結構的優化設計奠定了一定的理論基礎。

(2)噴嘴角度為45度，對來流氣體有向左側沖擊的趨勢，進入塔體的氣流受到噴入水的影響，向左側偏移，且對左側壁面沖刷腐蝕較為嚴重;脫硫塔進出口煙氣溫差不太理想;左側壁面的湍流強度高于右側壁面，湍流強度變化不規律。

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