流化床烟气脱硫反应器内气固流场数值模拟与分析

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(北京航天动力研究所，北京 100076)

流化床烟气脱硫反应器内气固流场数值模拟与分析

王会宁，丁建亮

(北京航天动力研究所，北京 100076)

为了更好地了解烟气脱硫塔内气固流场的分布规律，以Fluent软件为计算平台，采用双流体模型对脱硫塔内气固流动进行数值模拟研究，得到了塔体内气体和颗粒相的速度以及浓度场分布。研究发现在喉口区域形成低速流动区，且沿塔体高度低速流动区逐渐减小。与单侧进气方式相比，采用双侧进口布置，可以减轻气流对低速流动区域的影响，改善塔体内气固两相流场分布。

脱硫反应塔；流化床；气固流场；数值模拟；双流体模型

0 引言

根据脱硫剂及副产物进出脱硫反应器的状态，烟气脱硫技术分为干法、半干法和湿法烟气脱硫。因地制宜采用不同的烟气脱硫工艺可有效地控制燃煤电厂二氧化硫的排放，满足环境质量标准的要求。因此，开发适合我国国情、拥有自主知识产权的、工艺简单、脱硫效率高、投资小、便于设备改造的烟气脱硫工艺以及设备大型化具有重要的意义。

CFB-FGD(循环流化床烟气脱硫技术)工艺是以循环流化床原理为基础，吸收剂在反应器内多次再循环，延长了吸收剂与烟气的接触时间，从而大大提高了吸收剂的利用率。因此，CFB-FGD工艺不仅具有流程简单、占地少、投资低以及副产品可以综合利用等特点，而且能在钙硫比很低(Ca/S=1.1～1.2)的情况下达到与湿法脱硫工艺相当的脱硫效率，即95%左右[1-3]。然而，脱硫过程中反应器内吸收剂与烟气流动及混合的复杂性将会导致脱硫效率减小和气固流动阻力增大，使得反应器性能降低。李锦时等[4]应用粒子动态分析仪(PDA) 对循环流化床脱硫塔试验台内气固两相流场进行测试。结果表明脱硫塔内气固流场呈环核流动特性，边壁颗粒浓度高、 中心颗粒浓度低。高原[5]采用Fluent软件，应用标准k-ε模型对脱硫塔内气相流动进行模拟，分析了不同负荷条件下吸收塔内烟气流场的分布。谭金生等[6]以半干法循环流化床脱硫反应塔为研究对象，采用标准k-ε湍流模型，对脱硫塔进行了空塔冷态流场模拟计算。魏星等[7]采用直接模拟蒙特卡诺方法对脱硫塔气固两相流场优化进行了数值模拟研究，研究表明通过改变文丘里管直径、加装直导流板或弯曲导流板均可以将流场调节均匀，达到理想状态。本文运用双流体模型，对结构复杂的脱硫反应器内气固两相流体动力特性进行模拟研究。

1 数学模型

CFB-FGD脱硫塔反应器结构主要由入口段、塔体和出口三部分组成。塔体是流化床反应主体，为圆形截面，见图1所示。脱硫塔入口段(文丘里)结构对流场的分布具有很大的影响，采用对喷入口形式，可以加强混合。烟气在入口段管道中加速后进入塔体。气固两相流动基本方程应满足质量和动量守恒。气体和颗粒质量守恒方程为

(1)

(2)

式中ε——体积浓度;

ρ——密度;

v——速度;

t——时间;

g、s——代表气相和颗粒相。

气相和颗粒相动量守恒方程为

(3)

(4)

式中 g——重力加速度;

pg——气体压力;

β——气-固相间曳力系数;

τg、τs——气相和颗粒相的应力张量。

在这里，气相应力的计算依赖于气相湍流计算模型，本文采用的是RNGk-e模型预测气体湍流粘度。颗粒相应力按颗粒动理学模型进行计算[8]。

本文采用Fluent软件[9]对脱硫塔反应器进行数值模拟，利用六面体网格对脱硫反应器进行网格划分。考虑网格对于计算结果的影响[10]，首先对于网格敏感性进行了研究。分别采用网格数为260万，210万，170万的不同尺寸大小的网格进行模拟，通过比较颗粒浓度的分布，发现：当网格较粗时，颗粒浓度在反应器中的分布被低估，而细网格与中等网格预测出的颗粒浓度数值上很相近。考虑到计算精度以及计算时间的代价，选取中等网格尺寸作为模拟的计算网格，底部区域计算网格见图1所示。模拟时长为30 s，计算步长为1 e～4 s，在20 s以后流动达到了准稳态。为了保证足够的统计稳定性，取模拟计算的20～30 s结果作为不同参数统计时均值的计算样本。

模拟中，入口设置为速度边界条件，其中：气体和颗粒进口速度均为14.5 m/s，颗粒浓度为0.01。颗粒直径和密度分别为200 mm和2 000 kg/m3。气体温度为105℃，出口设置为压力边界条件，出口压力为1 000 Pa。壁面按照无滑移边界条件进行计算，即气相和固相的切向和法向速度均为零。

图1 脱硫塔反应器和入口区计算网格

2 模拟结果与讨论

图2表示沿x-z和y-z截面的时均气体速度的分布。由图可见，气体经入口段加速后进入塔体底部。由于塔体底部喉口流通截面的收缩，气体被加速。沿x-z截面，塔体中心区域气体速度较低，壁面附近区域速度相对较高。这是由于当气体经过喉口后，喉口中心的高速气体随流通截面的扩大而发生横向扩散，使得中心区域速度降低，而壁面区域速度提高。这种中心区域速度低、壁面区域速度高的流动结构将有助于塔体内气体与颗粒之间的脱硫反应。在喉口的出口区域，由于侧向气体入口的影响，中心处轴向速度发生了轻微偏移，使得沿y-z截面气体速度分布不均，低速流动移向壁面区域。由于气体进入塔体底部后，流动方向迅速改变，在喉口加速后，气体速度分布不均匀。由此可见，气体在流经塔体底部和喉口后，流动状态复杂，速度分布不均匀，进而影响气体在塔体上部的空间分布。在出口区域，由于出口流通截面的缩小，气体被加速。出口压力降低，产生较大的气体流动压降。由于该压降的节流作用，使得气体速度分布得以均化。

图2 气体速度分布

由气体速度分布可见，气体在塔体内出现非均匀分布特征。为更好地体现气体速度沿塔体的变化，在这里引入了气体速度分布非均匀度来表征各截面上气体的分布情况。气体速度分布非均匀度定义为

(5)

式中ui——局部气体速度;

u——截面平均速度。

由气体速度非均匀度的定义可知，非均匀度数值愈小，反映气体速度空间分布愈均匀。反之，非均匀度数值愈大，表明气体速度空间分布不均匀性较大。表1给出了5个不同高度处气体速度分布比均匀度的统计结果，其中统计截面高度见图1中所示。

表1 各截面气体速度分布非均匀度

由表可知，在塔体底部区域，气体速度分布相对比较均匀。通过喉口处(C截面)，气体分布不均匀性增大。随之，沿塔体高度方向，气体速度分布非均匀度减小，气体速度分布趋于均匀。由此可见：气体在通过喉口扩散段时出现低速和回流现象，低速区域会一直延伸到塔体的中部区域。此后，随着高度的增加，气体径向混合不断得到加强，气体速度在径向方向的分布也逐渐趋向平稳。气体流至塔体出口区域时，其速度沿径向位置分布基本达到均匀。因此为避免喉口区域的气体回流，需要进一步优化入口结构，降低气体速度的不均匀性，从而增加塔体内气体扩散，提高塔体内气固反应速率。

图3 颗粒浓度沿径向的分布

图4 颗粒速度沿径向的分布

图3表示不同高度下时均颗粒浓度沿径向的分布。从图中可以看出，在喉口区域(C截面)，颗粒浓度中心区域低，边壁区域高。这是由于在中心区域有高的气体速度，颗粒被携带向上流动。在壁面区域，颗粒速度较低，形成气体回流，携带颗粒向下流动，颗粒沿边壁回落，在边壁处形成了较高的颗粒浓度。同时，颗粒浓度沿径向分布差异较大，颗粒沿径向呈现非均匀分布特性。随着塔体高度的增加，颗粒浓度逐渐降低，颗粒浓度径向分布差异逐渐变小。在塔体高度E区域，颗粒浓度分布较为均匀。中心区域颗粒浓度沿高度方向变化相对较小，而在壁面区域，颗粒浓度沿高度逐渐降低。由此可见，增加塔体高度将降低壁面区域的颗粒浓度。

图4表示不同高度下时均颗粒速度沿径向的分布。从图中可以看出，由于受到气固相间曳力的作用，颗粒的流动特性与气体的流动特性十分相似。在喉口(C)区域，中心处颗粒速度较大，沿径向逐渐降低，在边壁区域颗粒速度较小。同时，在边壁区域颗粒速度为负值，表明此区域颗粒向下流动，造成颗粒聚集堆积，形成大量的颗粒团聚物。在中心区域颗粒速度为正值，表明此区域颗粒被上升气体所携带，这样沿截面形成了中心区域为上升流动、壁面区域为下降流动的复杂流动结构。在塔体高度D和E区域，中心区域颗粒速度较低。在±(0.1～0.3)R范围内颗粒速度达到最大。在壁面区域颗粒速度逐渐降低。直到壁面速度为零。总的来说，在塔体中心区域形成了一个低速流动区，沿高度方向，低速流动区范围逐渐减小，表明沿径向方向颗粒速度差异逐渐减小，流动趋于均匀。

3 结论

运用双流体模型，对于结构复杂的脱硫反应塔内的气固流动特性进行预测，获得了反应器内气固浓度和速度分布规律。研究发现在塔体底部的喉口区域形成低速流动区，且低速区范围沿高度逐渐减小，沿径向方向气体和颗粒的最大速度出现在(0.1～0.3)R处。同时采用气体速度分布非均匀度来表征沿高度方向气体速度分布均匀性的变化，结果表明沿高度方向气体速度分布均匀性得到改善。

通过对不同气体进口结构的影响发现，采用单侧气流进口时，气流分布不对称性显著，塔体内气体回流严重，同时，塔体产生的流动压力损失较大。因此，建议采用双侧进口的结构布置。

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[6]谭金生，黄昌凤.循环流化床脱硫塔流场数值模拟与入口导流板结构优化[J].中国煤炭，2013，39(7)：89-92.

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AnalysesandSimulationofHydrodynamicsofGasandParticlesinFluidizedBedFlueGasDesulphurizationTowers

WANG Hui-ning,DING Jian-liang

(Beijing Aerospace Propulsion Institute,Beijing 100076,China)

To obtain fundamental knowledge of flow behaviors of gas and solids phases in the fluidized bed flue gas desulphurization tower, simulations are carried out by means of two-fluid model with Fluent commercial code. The distributions of velocity and concentration are predicted. The results show that the zone with low velocity is formed near the throat of the tower. The range of low velocity zone is reduced with the increase of height of tower. Compared with one-side inlet structure, two-side inlet will reduce the effect of inlet arrangement on low velocity zone, and improve hydrodynamics in the fluidized bed flue gas desulphurization tower.

flue gas desulphurization tower;fluidized bed;dynamic of gas-solid phases;numerical simulation；two-fluid model

2014-04-23修订稿日期2014-05-07

王会宁(1982～)，男，工学硕士,工程师,研究方向为加热设备和粉煤灰的综合利用。

TK229.6+6

A

1002-6339 (2014) 04-0324-03