矩形截面喷淋塔的数值模拟与优化设计

洪文鹏，裴彩锋，刘广林

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)

近年来，我国火力发电厂建设得到迅猛发展，随着我国煤炭等能源资源紧缺，人们节能降耗意识的日益增强.国家政策对环境保护的要求越来越高。目前，我国发电能源构成中还是以煤为主(占80%)，虽然今后将大力开发西部水电资源，但预测在本世纪30-40年内以煤为主的结构还不会改变。到2020年全国总装机容量将达到9.5亿千瓦左右，发电量将达到42000亿千瓦时左右，其中火电装机比重仍然占70%。火电机组在为人们提供电和热的同时，产生了大量的废弃物，严重污染环境。氨法脱硫技术是以氨作为吸收剂脱除燃煤烟气中的二氧化硫，具有脱硫成本随煤的含硫量增加而下降、装置阻力小、工艺节能优化、脱硫装置可靠、装置配备设备少、既脱硫又脱硝等优势，在电厂脱硫行业中逐渐开始应用［1-2］。

喷淋塔是氨法脱硫设备的主体，塔内流场的优劣直接影响脱硫效率与运行成本［3］。目前，我国尚无喷淋塔设计与制造标准，国内的研究主要是针对截面为圆形的喷淋塔，截面为矩形的喷淋塔少见研究与应用。由于矩形截面的喷淋在外部结构建造及内部设备吊运安装上比较简便，矩形截面的脱硫塔在国外的大机组上已有应用。本文利用流体计算软件(CFD)Fluent对几种长宽比不同的矩形截面喷淋塔内部流场进行数值模拟，以其为矩形截面喷淋塔的优化设计作出研究。

1 模拟对象及基本参数

1.1 模拟对象

由当前研究成果得知，烟气进入喷淋塔内主要受进气口对面及两侧的墙壁限制，喷淋塔截面的形状对烟气流场有直接影响［4］;因此，本文以某电厂圆柱形喷淋塔为参照对象，建立截面积、高度相同，截面长宽比不同的矩形截面喷淋塔。喷淋塔采用氨水立式喷淋，烟气入口垂直于塔体，无导流板等优化措施，烟气从下部进气口进入，经过喷淋后从上部流出的方式。针对相同负荷下、喷淋层双开的方式，考查截面长宽比不同的喷淋塔的烟气流场。喷淋塔浆液池液面以上部分见图1［5］。

图1 三种喷淋塔模型

1.2 喷淋塔的基本参数

表1 喷淋塔的基本参数

2 模型简化与数值模拟方法

2.1 模型简化与假设

(1)将烟气视为不可压缩牛顿流体;

(2)假设浆液滴为球形，不考虑浆液滴的碰撞、破碎及聚并;

(3)不考虑烟气与液滴之间的传质、传热和化学反应;

(4)不考虑烟气中的硫化物与氨水液滴之间的化学反应。

3 数学模型

3.1 基本控制方程

采用欧拉法将烟气处理为连续相对其进行描述。基于上述假设与简化，不可压烟气流场的连续控制方程可表示为［6］:

3.2 动量守恒方程

式(2)-式(4)中p为静压，ρ为烟气密度，V为烟气的速度，Fx、Fy、Fz为浆液滴对烟气流场的反作用力。采用时均方法可将式(2)-式(4)处理为雷诺平均的Navier-Stokes方程。

3.3 液滴颗粒运动方程

采用拉格朗日法来描述液滴的运动，即选用Discrete Phase Models(DPM)模型来跟踪液滴运动。吸收塔内的浆液液滴受到诸如重力、曳力、浮力等力的作用，本文主要考虑重力和曳力对液滴的作用，液滴颗粒的运动方程可表示为:

式中:FD(ug-up)为颗粒受烟气的单位质量曳力;ρp为液滴密度;g为重力加速度;ug、up分别为烟气和液滴速度;FD为曳力系数。

3.4 液滴粒径分布

采用Rosin-Rammler模型来描述液滴的粒径分布:

3.5 烟气与液滴间的作用

在DPM模型中烟气(连续相)与液滴(离散相)之间的作用可表示为:

式中:Fo为其它作用力;mp为颗粒质量。

4 数值模拟方法

计算体为浆液面以上部分，运用Gambit建立三维模型，采用分块划分生成结构化网格;运用fluent6.3软件，湍流模型采用标准k-e方程，紊流边界条件选用水力直径与紊流强度，压力采用SIMPLE算法，近壁面处采用壁面函数修正。

5 模拟结果与讨论

为比较几种模型的流场，主要考察有无喷淋时三维模型内烟气迹线、烟气速度、塔内压强的指标［7］。

图2 无喷淋时烟气迹线

图3 双层喷淋时烟气迹线

由图2中可以看出，在模型Ⅱ中旋流最大，模型Ⅲ中旋流最小，这是由于模型Ⅱ中截面边长长(Y)大于边宽(X)，截面宽度与进气口宽度相近，烟气进入塔内无法向两侧扩散，直接冲击入口对面墙壁，烟气产生向上及向下的速度，因此在上、下方向产生的旋流较大，在模型Ⅲ中，截面边长(Y)小于边宽(X)，烟气可向两侧扩散，冲壁现象较弱，由此产生的旋流较小。

双层喷淋时，由于液滴的重力及粘性作用，烟气流场受到压制，液滴的喷淋对烟气的分布起到重新分配的作用，由图3可以看出三种模型中旋流区域均变小。为考察塔内烟气流速，在两层喷淋层上、下及Z轴17.5米及20.5米处建立截面观察烟气速度分布。

图4 双层喷淋时烟气速度分布

由图4可以看出，由于液滴的喷淋作用，烟气的动能得到消耗，速度随着高度的增加而减少，在速度分布方面，模型Ⅰ、Ⅲ中速度梯度较少，速度分布较均匀，延长了烟气与液滴接触时间，提高了反应效率;但模型Ⅲ中烟气入口侧墙壁附近烟气速度较低，压强较大。由图5中可以看出，模型Ⅲ中压强较高，阻力较大，因此会增大循环水泵与增压风机电耗，增加运行成本，模型Ⅰ、Ⅱ中压强相差较小。

图5 双层喷淋时塔内压强分布

6 结 论

(1)在同等负荷下，截面积相同的三种模型中，截面边长小于边宽(Ⅲ)或边长等于边宽(Ⅰ)的模型在流场的均匀性及塔内烟气速度的分布方面要优于截面长大于宽(Ⅱ)的模型;

(2)模型Ⅲ的流场较模型Ⅰ均匀，但进气口墙壁侧速度较低，压强较高，致使阻力增大，增加了运行电耗，但具体的经济性，还需考虑考虑建材造价、运行成本等指标;

(3)对比分析模拟结果，截面边长小于边宽或边长等于边宽的模型经济性较好，模拟结果可作为矩形截面喷淋塔的工程设计及运行优化的依据。

［1］邓新云，肖怀秋，禹练英.我国燃煤烟气脱硫技术研究进展［J］.广州化工，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］郭伟，李彩亭，曾光明，等.伞罩型湿式脱硫除尘塔入口结构优化模拟［J］.环境工程学报，2009，3(6):1060-1064.

［4］汪洋.湿法脱硫喷淋塔数值模拟［D］.北京:华北电力大学，2006.

［5］贾勇，钟秦，杜冬冬，等.氨法烟气脱硫模型的研究［J］.动力工程，2009，29(10):960-965.

［6］林永明，高翔，施平平.大型湿法烟气脱硫喷淋塔内阻力特性数值模拟［J］.中国电机工程学报，2008，28(5):28-33.

［7］肖国俊.湿法脱硫喷淋塔烟气入口角度优化数值模拟［J］.电站辅机，2007(3):18-21.