雙接觸式液柱塔流場的CFD 模擬

方立軍，胡月龍

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071000)

0 引言

在眾多的濕法煙氣脫硫技術中，雙接觸式液柱塔煙氣脫硫是最先進的一種，由于具有氣液交融強烈、效率高、處理量大、易控制和成本低等特點，獲得了廣泛的應用。

郭瑞堂等［1］、周山明等［2］對濕法脫硫液柱沖擊塔內的流場和壓力場進行了研究，他們的研究大多都側重于塔內流場分布或者SO2的吸收機理研究，而對不同噴嘴數量不同液氣比條件下的流動狀況很少涉及。而本文通過建立三維射流液柱塔內數學模型，運用流體計算軟件Fluent 對特定工況進行數值模擬，描述了塔內不同噴嘴數量不同液氣比條件下氣液流動狀況。

1 模型和計算參數

1.1 物理模型

本文模擬對象是華北電力大學能源動力與機械工程學院的雙接觸式液柱塔煙氣脫硫裝置。裝置圖見文獻［3］。本文以反應塔煙氣入口段、塔體反應段、煙氣出口段作為主要計算區域，由于塔體本身的結構特點故采用非結構性網格，求解區域共劃分為117870 個網格。計算區域及網格劃分見圖1。

反應塔內兩相流截面選取如圖2。在Y 軸上面分別截取Y1=20 mm，Y2=40 mm，Y3=60 mm，Y4=80 mm，Y5=100 mm;在X 軸上面分別截取X1=20 mm，X2=40 mm，X3=60 mm，X4=80 mm時候的截面(噴嘴數量為20 個時候由于X1=20 mm，X2=40 mm，X3=60 mm，X4=80 mm 時截面會取在布置噴嘴的玻璃管上，影響對流體運動方式的分析，所以對此情況截面提取均增加10mm，亦即X1=30 mm，X2=50 mm，X3=70 mm，X4=90 mm)。

圖1 計算區域和網格劃分圖Fig.1 Computational area and mesh

圖2 塔內兩相流截面選取圖Fig.2 Two-phase flow cross-section diagram in scrubber

1.2 數學模型

1.2.1 空氣流場的模擬

RNG k-ε 雙方程模型［4］是由Yakhot 及Orzag提出的，本文就是通過此模型來模擬反應塔內氣相湍流:

1.2.2 霧化液滴相的模擬液滴顆粒相采用隨機軌道模型進行模擬，在拉格朗日坐標系中建立液滴的運動方程。液滴在流場中所受的力包括:重力、浮升力、氣流阻力、Magnus 力、壓力梯度作用力等［5］。由于吸收塔內氣液兩相流場并不是高溫相流，因此后面的幾個力對液滴運動影響較小，為簡化模型，可忽略，只考慮重力、浮升力以及氣流曳力的作用［6］。即

2 數值模擬結果分析

2.1 空塔壓力場及流場特性

分別選取氣體流量為200 m3/h 且無噴液時的不同噴嘴數量布置條件下塔內X2截面和Y2方向的計算結果，對壓力場和流場進行分析結果如下。

(1)截面X2壓力場及流場分析

X2方向不同噴嘴數量下壓力場變化如圖3 所示。對三種噴嘴布置方式下的X2截面進行對比，可以看到空塔條件下隨著噴嘴數量的增加塔內整體壓強下降，并越來越明顯。這主要是由于隨著噴嘴數量的增加，其對氣流的阻力增加。

圖3 X2方向不同噴嘴數量下壓力場變化Fig.3 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

如圖4 所示的三種情況下的空塔內流場變化，通過對比可以發現，其速度變化并不明顯，但在(a)、(b)兩圖偏下方的位置會有一段速度較大的位置，主要是因為兩側布置噴嘴的玻璃管使得大量的氣流從空隙中通過，相當于流量不變但是流通面積卻減少了，從而增大了氣流速度。而這種情況在噴嘴數量為35 個時卻不存在，主要在于此時因為噴嘴數量較大，在X=20 mm 的截面仍然是切在管上面的，所以在圖中并不能表現出來。

圖4 X2方向不同噴嘴數量下流場變化Fig.4 Flow field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

(2)截面Y3壓力場及流場分析

截面Y3壓力場如圖5 所示。當噴嘴數量過多的時候，液柱塔壓降變化明顯，這點在(c)圖中表現得很明顯，圖(a)、(b)相對比而言不是很明顯。并且在噴嘴附近明顯看到壓力呈現出漸變性，這與氣流的運動方向也是一致的。由于在模擬過程中設定塔下方為trap 的界面類型，所以其會對塔底上方的氣流形成一個阻礙面，控制氣體的逃逸，因此可以保證氣流沿塔高度方向運動。

圖5 Y3方向不同噴嘴數量下壓力場變化Fig.5 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

由圖6 的Y3切面上可以得知，氣流通過噴嘴布置的玻璃管時的流動特性，由于煙氣入口段與塔體呈直角布置，塔內氣流偏斜現象嚴重，導致在靠近煙氣入口側塔壁處形成一個煙氣回流區，煙氣主要從遠離煙氣入口側塔壁處流過，該區域煙氣流速較高。隨著噴嘴數量增加，當噴嘴數量達到35 個時回流區域出現在塔體中部。仔細觀察流場(a)、(b)兩圖，可以看到管道將氣流分成了相應份數;而在(c)圖中，在塔的中部形成一個條狀低速區域，這主要還是因為玻璃管的強阻礙作用造成的。

圖6 Y3方向不同噴嘴數量下流場變化Fig.6 Flow field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

2.2 氣液兩相流壓力場及流場特性

(1)截面X2壓力場及流場分析

以下取噴液量為0.5 m3/h，空氣流量為200 m3/h 時不同噴嘴數量條件下X2，Y3截面。

截面X2壓力場如圖7 所示。對比三種情況下的X2截面，在噴嘴數量為15 個時，塔體最上面部分壓降相對于噴嘴數量為20 個的情況要小，這是由于噴液量相同，噴嘴數量少時射流高度相對較高，在氣流和噴液雙重作用下會對層面壓強有一個抬高作用。很明顯，在20 個噴嘴時，射流噴射的塔內壓降變化范圍要明顯低于噴嘴數量較小的情況。這點在噴嘴數量為20 個與35 個的塔內模擬結果是相同的。

此時在圖8 所示的流場中，(b)、(c)的流場相對而言要比(a)的更加紊亂，這就表明大范圍的射流對塔內流場的影響占主要位置，可以看到噴嘴數量越多，塔內流場愈加紊亂。隨著噴嘴數量的增加，塔內的流速呈現降低的趨勢，這與單噴嘴流量的變化有一些不同(單噴嘴流量從大到小排列為噴嘴數量分別為15 個，35 個，20個)，這是因為噴嘴數量增加的同時會對塔內的氣流起到很大的阻礙作用，大量的氣體被噴嘴布置阻礙，塔內的兩相流的混合速度下降。

圖7 X2方向不同噴嘴數量下壓力場變化Fig.7 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

圖8 X2方向不同噴嘴數量下流場變化Fig.8 Flow field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

(2)截面Y3壓力場及流場分析

截面Y3壓力場如圖9 所示。當噴液量為0.5 m3/h 時，隨著噴嘴數量的增多，壓降變化越來越明顯，并呈現很明顯的漸變性。

從圖10 流場Y3切面上可以看到氣流進入塔內與噴液之間的流場情況。當噴液量為0.5 m3/h時，隨著噴嘴數量的增加，塔內流場逐漸偏于紊亂，且塔內的流速降低。在液柱噴射過程中，塔內流場分布趨于均勻，說明在噴液狀態下，噴嘴數量的增加對于煙氣流場具有一定的整流作用，可以使塔內氣液流場分布均勻性得到改善。

圖9 Y3方向不同噴嘴數量下壓力場變化Fig.9 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

圖10 Y3方向不同噴嘴數量下流場變化Fig.10 Flow field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

2.3 實驗數據與模擬結果的比較

圖11 試驗數據與模擬結果的對比Fig.11 Comparison of the experimental data and simulation results

由圖11 可以看出，選取GK1，GK2，GK3三種工況分別進行試驗數據與模擬結果的對比，GK1為單層噴嘴布置噴液量0.5 m3/h，煙氣流量200 m3/h;GK2為雙層噴嘴布置噴液量0.5 m3/h，煙氣流量200 m3/h;GK3為雙層噴嘴布置噴液量1 m3/h，煙氣流量200 m3/h。在本文所采用的試驗參數范圍內，塔內床層壓降變化的模型計算值和試驗值吻合程度較好。

3 結論

(1)通過對液柱射流塔內氣液兩相流場的模擬計算發現，無液柱噴射時噴嘴數量的增加將會導致塔內整體壓強的下降，塔內氣流偏斜現象嚴重，導致在靠近煙氣入口側塔壁處形成一個煙氣回流區，煙氣主要從遠離煙氣入口側塔壁處流過，該區域煙氣流速較高。

(2)在液柱噴射階段，隨著噴嘴數量增加，壓降變化范圍減小，但是階段性變化卻更加明顯，塔內流場分布趨于均勻。說明在噴液狀態下，噴嘴數量的增加對于煙氣流場具有一定的整流作用，可以使塔內氣液流場分布均勻性得到改善。

(3)通過對特定工況的數值模擬，描述了塔內不同噴嘴數量不同液氣比條件下氣液流動狀況。計算與試驗結果吻合較好，表明所建立的模型和采用的算法具有良好的預測性和可靠性。

［1］郭瑞堂，高翔，王君，等.液柱塔內流場和SO2吸收的CFD 模擬和優化［J］.浙江大學學報 (工學版)，2007，41 (3):494-498，503.Guo Ruitang，Gao Xiang，Wang Jun.et al.CFD simulation and optimization of flow field and SO_ 2 absorption in impinging stream scrubber ［J］.Journal of Zhejiang University(Engineering Science)，2007，41 (3):494-498，503.

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［3］方立軍，常艷超，胡月龍，等.液柱塔霧化特性研究［J］.電力科學與工程，2012，28 (2):46-50.Fang Lijun，Chang Yanchao，Hu Yuelong.et al.Study on atomization performance of liquid column tower ［J］.Electric Power science and Engineering，2012，28 (2):46-50.

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