矩形截面噴淋塔的數值模擬與優化設計

洪文鵬，裴彩鋒，劉廣林

(東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012)

近年來，我國火力發電廠建設得到迅猛發展，隨著我國煤炭等能源資源緊缺，人們節能降耗意識的日益增強.國家政策對環境保護的要求越來越高。目前，我國發電能源構成中還是以煤為主(占80%)，雖然今后將大力開發西部水電資源，但預測在本世紀30-40年內以煤為主的結構還不會改變。到2020年全國總裝機容量將達到9.5億千瓦左右，發電量將達到42000億千瓦時左右，其中火電裝機比重仍然占70%。火電機組在為人們提供電和熱的同時，產生了大量的廢棄物，嚴重污染環境。氨法脫硫技術是以氨作為吸收劑脫除燃煤煙氣中的二氧化硫，具有脫硫成本隨煤的含硫量增加而下降、裝置阻力小、工藝節能優化、脫硫裝置可靠、裝置配備設備少、既脫硫又脫硝等優勢，在電廠脫硫行業中逐漸開始應用［1-2］。

噴淋塔是氨法脫硫設備的主體，塔內流場的優劣直接影響脫硫效率與運行成本［3］。目前，我國尚無噴淋塔設計與制造標準，國內的研究主要是針對截面為圓形的噴淋塔，截面為矩形的噴淋塔少見研究與應用。由于矩形截面的噴淋在外部結構建造及內部設備吊運安裝上比較簡便，矩形截面的脫硫塔在國外的大機組上已有應用。本文利用流體計算軟件(CFD)Fluent對幾種長寬比不同的矩形截面噴淋塔內部流場進行數值模擬，以其為矩形截面噴淋塔的優化設計作出研究。

1 模擬對象及基本參數

1.1 模擬對象

由當前研究成果得知，煙氣進入噴淋塔內主要受進氣口對面及兩側的墻壁限制，噴淋塔截面的形狀對煙氣流場有直接影響［4］;因此，本文以某電廠圓柱形噴淋塔為參照對象，建立截面積、高度相同，截面長寬比不同的矩形截面噴淋塔。噴淋塔采用氨水立式噴淋，煙氣入口垂直于塔體，無導流板等優化措施，煙氣從下部進氣口進入，經過噴淋后從上部流出的方式。針對相同負荷下、噴淋層雙開的方式，考查截面長寬比不同的噴淋塔的煙氣流場。噴淋塔漿液池液面以上部分見圖1［5］。

圖1 三種噴淋塔模型

1.2 噴淋塔的基本參數

表1 噴淋塔的基本參數

2 模型簡化與數值模擬方法

2.1 模型簡化與假設

(1)將煙氣視為不可壓縮牛頓流體;

(2)假設漿液滴為球形，不考慮漿液滴的碰撞、破碎及聚并;

(3)不考慮煙氣與液滴之間的傳質、傳熱和化學反應;

(4)不考慮煙氣中的硫化物與氨水液滴之間的化學反應。

3 數學模型

3.1 基本控制方程

采用歐拉法將煙氣處理為連續相對其進行描述。基于上述假設與簡化，不可壓煙氣流場的連續控制方程可表示為［6］:

3.2 動量守恒方程

式(2)-式(4)中p為靜壓，ρ為煙氣密度，V為煙氣的速度，Fx、Fy、Fz為漿液滴對煙氣流場的反作用力。采用時均方法可將式(2)-式(4)處理為雷諾平均的Navier-Stokes方程。

3.3 液滴顆粒運動方程

采用拉格朗日法來描述液滴的運動，即選用Discrete Phase Models(DPM)模型來跟蹤液滴運動。吸收塔內的漿液液滴受到諸如重力、曳力、浮力等力的作用，本文主要考慮重力和曳力對液滴的作用，液滴顆粒的運動方程可表示為:

式中:FD(ug-up)為顆粒受煙氣的單位質量曳力;ρp為液滴密度;g為重力加速度;ug、up分別為煙氣和液滴速度;FD為曳力系數。

3.4 液滴粒徑分布

采用Rosin-Rammler模型來描述液滴的粒徑分布:

3.5 煙氣與液滴間的作用

在DPM模型中煙氣(連續相)與液滴(離散相)之間的作用可表示為:

式中:Fo為其它作用力;mp為顆粒質量。

4 數值模擬方法

計算體為漿液面以上部分，運用Gambit建立三維模型，采用分塊劃分生成結構化網格;運用fluent6.3軟件，湍流模型采用標準k-e方程，紊流邊界條件選用水力直徑與紊流強度，壓力采用SIMPLE算法，近壁面處采用壁面函數修正。

5 模擬結果與討論

為比較幾種模型的流場，主要考察有無噴淋時三維模型內煙氣跡線、煙氣速度、塔內壓強的指標［7］。

圖2 無噴淋時煙氣跡線

圖3 雙層噴淋時煙氣跡線

由圖2中可以看出，在模型Ⅱ中旋流最大，模型Ⅲ中旋流最小，這是由于模型Ⅱ中截面邊長長(Y)大于邊寬(X)，截面寬度與進氣口寬度相近，煙氣進入塔內無法向兩側擴散，直接沖擊入口對面墻壁，煙氣產生向上及向下的速度，因此在上、下方向產生的旋流較大，在模型Ⅲ中，截面邊長(Y)小于邊寬(X)，煙氣可向兩側擴散，沖壁現象較弱，由此產生的旋流較小。

雙層噴淋時，由于液滴的重力及粘性作用，煙氣流場受到壓制，液滴的噴淋對煙氣的分布起到重新分配的作用，由圖3可以看出三種模型中旋流區域均變小。為考察塔內煙氣流速，在兩層噴淋層上、下及Z軸17.5米及20.5米處建立截面觀察煙氣速度分布。

圖4 雙層噴淋時煙氣速度分布

由圖4可以看出，由于液滴的噴淋作用，煙氣的動能得到消耗，速度隨著高度的增加而減少，在速度分布方面，模型Ⅰ、Ⅲ中速度梯度較少，速度分布較均勻，延長了煙氣與液滴接觸時間，提高了反應效率;但模型Ⅲ中煙氣入口側墻壁附近煙氣速度較低，壓強較大。由圖5中可以看出，模型Ⅲ中壓強較高，阻力較大，因此會增大循環水泵與增壓風機電耗，增加運行成本，模型Ⅰ、Ⅱ中壓強相差較小。

圖5 雙層噴淋時塔內壓強分布

6 結 論

(1)在同等負荷下，截面積相同的三種模型中，截面邊長小于邊寬(Ⅲ)或邊長等于邊寬(Ⅰ)的模型在流場的均勻性及塔內煙氣速度的分布方面要優于截面長大于寬(Ⅱ)的模型;

(2)模型Ⅲ的流場較模型Ⅰ均勻，但進氣口墻壁側速度較低，壓強較高，致使阻力增大，增加了運行電耗，但具體的經濟性，還需考慮考慮建材造價、運行成本等指標;

(3)對比分析模擬結果，截面邊長小于邊寬或邊長等于邊寬的模型經濟性較好，模擬結果可作為矩形截面噴淋塔的工程設計及運行優化的依據。

［1］鄧新云，肖懷秋，禹練英.我國燃煤煙氣脫硫技術研究進展［J］.廣州化工，2008，36(1):24-27.

［2］Michalski J A.Aerodynamic Characteristics of flue gas Desulfurization Spray Tower Spoly Dispersity Consideration［J］.Ind.Eng.Chem.Res，2000，39(9):3314-3324.

［3］郭偉，李彩亭，曾光明，等.傘罩型濕式脫硫除塵塔入口結構優化模擬［J］.環境工程學報，2009，3(6):1060-1064.

［4］汪洋.濕法脫硫噴淋塔數值模擬［D］.北京:華北電力大學，2006.

［5］賈勇，鐘秦，杜冬冬，等.氨法煙氣脫硫模型的研究［J］.動力工程，2009，29(10):960-965.

［6］林永明，高翔，施平平.大型濕法煙氣脫硫噴淋塔內阻力特性數值模擬［J］.中國電機工程學報，2008，28(5):28-33.

［7］肖國俊.濕法脫硫噴淋塔煙氣入口角度優化數值模擬［J］.電站輔機，2007(3):18-21.