循环流化床烟气脱硫塔内气液两相流场数值模拟

李少华，罗坤，王虎

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)

目前国内应用的循环流化床烟气脱硫工艺大多为引进技术［1－4］，但是存在诸多问题，因此对烟气循环流化床脱硫技术进行进一步研究有重要的意义。影响循环流化床脱硫率的最大因素之一就是气液固三相是否能够有效均匀的混合反应［5－7］。本文是以某热电有限公司所使用的循环流化床脱硫塔为研究对象，采用FLUENT软件来模拟脱硫塔内部流场的变化情况，主要是关注于气液两相流，不考虑固体脱硫剂的喷入情况，只考虑被处理烟气与雾化水混合的流场情况，即不带化学反应的气液两相流动［8－10］。分析其工作原理以及过程，对脱硫塔内部流场进行研究。

1 数学模拟平台的建立

1.1 数学模型

为了更好地研究气液两相的流场，省略了固体脱硫剂的加入。为了计算方便，对模拟段进行了一定的简化，如图1所示。

图1为模拟时所用的模型，以某热电有限公司脱硫塔为原型进行简化，烟气入口为文丘里扩充段，假设烟气在文丘里段已经流动均匀。基本参数如下:

图1 脱硫塔结构简图

表1 脱硫塔简化后尺寸

1.2 边界条件

本文在模拟过程中对边界条件进行了简化，入口气流为空气，壁面采用无滑移壁面边界条件，主流采用空气。

(1)脱硫塔入口边界条件:采用速度入口边界条件，入口边界上的气速、水速根据运行参数确定。气体速度为8.2 m/s，雾化水的速度为0.035 m/s。

(2)脱硫塔出口边界条件:出口边界条件取为压力出口条件。

(3)脱硫塔壁面边界条件:固体壁面采用无速度滑移、无质量渗透边界条件。

2 数值模拟结果分析

2.1 脱硫塔纵向速度分布

图2(a)为脱硫塔内部Y=0面上速度变化示意图。从图中可以看出速度随着高度的上升，有逐渐降低的趋势，到达30 m处速度降到最低。因为当热烟气进入脱硫塔的时候，在文丘里扩充段遇到了带有速度的雾化水，此时喷嘴的布置方式是45度角，即顺流布置，来流烟气与雾化水同方向向上运动，所以速度有所上升，在10 m左右速度有一个较高值，但是随着高度的增加，速度逐渐下降，到脱硫塔出口处回到最小值。如图2(b)所示，为X=0面上的速度变化示意图，从图中可以看出在X=0面上，速度分布也很不均匀，偏向X轴负方向。因为进入脱硫塔的烟气在X=0这个中心面上遇到喷出的雾化水，气流受到扰动偏向了X轴负方向。

图2 (a)Y=0的速度变化等值线图

图2 (b)X=0的速度变化等值线图

2.2 脱硫塔横向速度分布

图3 (a)Z=0时速度分布等值线图

图3 (b)Z=15时速度分布等值线图

图3 (c)Z=20时速度分布等值线图

图3 (d)Z=30时速度分布等值线图

图3(a)到图3(d)为模拟松花江热电有限公司的脱硫塔所得到的结果，分别是不同横截面上的速度分布。从图中我们可以看出，不同横截面速度会有不一样的分布。Z=0 m时左侧速度较右侧大，那是因为来流气体遇到雾化水，雾化水的喷出方向为45度，雾化水的喷出改变了气体的流动方向，对左侧冲刷较严重，所以左侧速度较大。随着高度的增加，气体与喷出的雾化水逐渐混合，分布趋于均匀，到达Z=30 m处，即脱硫塔出口处，出口两侧速度大致相同。

从图4中更容易看出不同横截面上在中心处的速度分布以及随着高度变化的趋势。Z=0 m的时候，速度正处于最高值，左侧壁面由于喷嘴布置角度原因速度比右侧壁面速度大。到达Z=15 m的时候速度有了明显的降低，靠近左侧壁面的速度高峰慢慢有向右侧偏移的趋势。到达Z=20 m的时候速度波动比较明显，那是因为气流方向在此处有向右侧偏转的趋势，可以明显的看到右侧壁面的速度高于左侧壁面。到达Z=30 m的时候速度波动就不那么明显，逐渐趋于平和与一致。

图4 不同横截面上中心速度分布图

2.2 脱硫塔纵向温度分布

从图中可以看出，塔内温度场变化不剧烈，温差也不大，喷嘴的加入对气流温度影响也不太大，只是在脱硫塔中部有少许变化，即降低了少许温度。从图中可以明显的看出脱硫塔进出口温差不大，脱硫塔出口温度为100℃，有关研究表明出口烟温越高，绝热饱和温差越大，则烟气中含湿量越小，越不易于脱硫化学反应的进行;出口烟温越低，绝热饱和温差越小，越有益于脱硫反应的进行，但容易粘壁腐蚀。在设计脱硫塔，布置喷嘴的时候应该同时考虑易于脱硫反应的进行以及避免粘壁腐蚀。

图5 (a)Y=0的温度变化等值线图

图5 (b)X=0的温度变化等值线图

2.3 脱硫塔横向温度分布

图6(a)和图6(d)为当Z=0以及Z=15时的横截面上温度分布。从图中可以看出在Z=0面上，右侧的温度有些许降低，这是因为常温雾化水与热的气体混合，雾化水的喷出方向是冲着左侧的，所以右侧水量较充足，随着雾化水的喷出，受到热烟气的蒸发作用，所以左侧温度会比右侧温度稍高。高温烟气携带者常温的雾化水在塔内运动，到达Z=15 m处，左侧壁面温度稍微有所降低。

从图6(a)到图6(d)中可以看出，随着高度的增加，温度变化始终不明显且塔体左侧温度较右侧较高。喷嘴45度角布置不能很好的使得高温烟气有所降温而且对左侧壁面的冲刷比右侧壁面严重。

图6 温度分布等值线图

3 脱硫塔数值模拟的可行性分析

本文选取了三个工作日内同一时间上的温差压差与模拟值相对比。三个工作日内，13时的处理烟气量与喷水量如表2所示，模拟值与实测值相对比的表如表3所示。从表中可以看出，实测值与模拟值的温差相差不多，这是因为雾化水本身就有降低烟温的作用，同时气固两相以及液固两相的相关化学反应产热量不大。但是由于没有固体脱硫剂的加入，压降有了明显的降低。所以本文所用模型可以较好的模拟出脱硫塔内部流场以及温度场的变化情况。

表2 工作日内测量值

表3 实测值与模拟值的对比

3 结论

(1)通过采用数值模拟的方法分析了实际运行的脱硫塔内部速度场分布、温度场分布以及湍流强度，模拟值和实测值吻合较好，为脱硫塔反应器结构的优化设计奠定了一定的理论基础。

(2)喷嘴角度为45度，对来流气体有向左侧冲击的趋势，进入塔体的气流受到喷入水的影响，向左侧偏移，且对左侧壁面冲刷腐蚀较为严重;脱硫塔进出口烟气温差不太理想;左侧壁面的湍流强度高于右侧壁面，湍流强度变化不规律。

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