烟气入口角度对脱硫塔内流场影响的数值分析

徐 威 杨后文 刘 丰 张贤福

(1. 南京工程学院 环境工程学院，江苏 南京 211167；2. 江苏省(中圣)工业节能技术研究院, 江苏 南京 211112)

1 引言

随着国家对环境治理投入的加大，更严格的大气污染物排放标准出台，SO2作为主要的大气污染物，其排放量必须控制。目前市场上针对燃煤锅炉的脱硫技术呈现多样化，总体分为燃烧前脱硫技术、燃烧中脱硫技术和燃烧后脱硫技术。燃烧前脱硫技术是从污染源头入手，包括物理法、化学法和生物法等[1,2]。燃烧中脱硫技术是指在燃烧过程中脱硫，包括型煤燃烧脱硫、循环流化床锅炉燃烧脱硫和炉内喷钙脱硫等[3,4]。这种脱硫技术因成本高，效率低，且无法达到环保要求而未被广泛应用。燃烧后脱硫包括电子束脱硫、活性炭吸附法、循环流化床烟气脱硫(CFB-FGD)、湿法脱硫等[5-7]。其中，湿法脱硫因脱硫剂资源丰富、价格低廉、对煤种的适应性强、脱硫效率高等优点成为市场主导。湿法脱硫工艺中的吸收塔多采用逆流喷淋塔，烟气由塔侧面进气口进入，在塔内与喷淋浆液逆流接触，从而除去烟气中的SO2。国内外学者从SO2吸收原理及流场优化等方面进行了研究[8-10]，取得了较大进展。

通过对脱硫塔内流场的研究可知，塔内装置的结构、位置等对烟气流动、烟气与浆液的反应等有较大影响，从而影响整个脱硫塔的脱硫效率。本文针对某湿法烟气脱硫塔内结构建立计算模型，利用计算流体力学软件对烟气不同入口角度下的流场进行数值分析，得出最佳烟气入口角度，为改善脱硫塔内部烟气流动，提高脱硫效率设计提供参考。

2 理论模型

2.1 物理模型

根据某湿法烟气脱硫塔内结构，针对烟气流动区域建立三维简化模型，如图1所示，忽略烟气出口对塔内流场的影响，并考虑气帽设置的影响。脱硫塔直径∅=6.5 m，高35.7 m(z方向)，烟气入口夹角为β。A-A、B-B分别为z=10 m和z=25 m处的截面。

图1 某脱硫塔三维简化模型Fig. 1 Three-dimensional simplified model of a desulfurization tower

2.2 基本假设

(1) 烟气流动为三维、定常、不可压缩流体；

(2) 烟气为混合不可压缩理想气体；

(3) 忽略相变及化学反应的影响；

(4) 重力加速度沿-z方向，g=9.8 m/s2；

(5) 烟气物性参数不随温度变化；

(6) 烟气湍流区域采用标准κ-ε模型。

2.3 基本方程

连续性方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

式中，ui、uj为速度，ρ为密度，p为压力，Fi为体积力，keff为有效导热系数，E表示能量，τeff为能量耗散系数，τij为应力张量，其表达式如下：

(4)

湍流区采用标准κ-ε模型表示雷诺应力，壁面湍流采用壁面函数的方法处理。标准κ-ε模型的湍动能κ和耗散率ε方程如下：

(5)

(6)

其中，Gk是平均速度梯度引起的湍动能，Gb是浮力影响引起的湍动能,μt为湍流粘性系数, 取C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0,σε=1.3。

2.4 边界条件设置

入口边界为质量入口，出口边界为自由出口，脱硫塔壁面及端面为绝热边界。

3 仿真计算与分析

本文利用计算流体力学软件，针对烟气入口角度β=5°、10°、12°、15°、17°、20°六种工况下的脱硫塔内流场进行仿真计算与分析。烟气质量入口取43.22 kg/s，烟气组分(质量分数)：CO2—22.30%、H2O—4.17%、N2—69.83%、O2—3.51%、SO2—0.19%。参考压力为101 325 Pa，为减少计算量，建立1/2模型，采用六面体结构性网格，网格划分如图2所示。利用SIMPLE算法，密度、动量和能量的离散采用二阶迎风格式。

图2 网格划分图

图3为烟气入口角度β=5°、10°、12°、15°、17°、20°六种工况下脱硫塔内部流线的分布情况。从图3中可以看出，烟气不同入口角度下塔内形成了大小不一的涡流。当β=5°时，在近烟气进口侧壁及对壁端面形成两个较大涡流，大部分烟气绕过涡流沿z轴方向流出，如图3(a)所示。由于大量烟气以较快速度冲击对壁面并反弹流向气帽区域，部分烟气在气帽区域碰到壁面再次反弹，与沿近烟口壁面进入塔内的少量低流速烟气相互作用，形成一个气体的滞留区，即流动死区。同理，烟气在z轴负方向上的速度分量冲击端面形成了另一个流动死区。当β增至10°或12°时，烟气在z轴负方向的速度分量增大，导致近烟道入口处的涡流区影响进一步扩大，如图3(b)、(c)所示。当β=15°时，烟气沿z轴负方向的速度分量继续增加，但是由于底面对烟气的反弹作用，反而增加了烟气在气帽下方的流动空间，抑制了近烟口壁面烟气流动死区的形成，局部涡流几乎完全消失，如图3(d)所示。当β继续增大时，在近烟口侧壁面和对壁底面的两个烟气流动死区再次形成，流体流动空间减小，如图3(e)-(f)所示。由此可见，当烟气入口角度β=15°时，脱硫塔内烟气流动死区最少，流动空间最大。

为进一步分析不同入口角度对塔内烟气流动速度的影响，图4给出了脱硫塔内纵向截面(x=0)处的速度分布云图。从图4中可以看出，当β由5°增加到15°时，气帽下方(负z轴方向)脱硫区域的高速度和低速度区域面积逐渐减小，速度分布越来越均匀；当β由15°增加到20°时，该区域的高低流速面积增大，速度均匀性变差。由此可见，当烟气入口角度β=15°时，脱硫塔内纵向截面的速度分布最均匀。

图5和图6给出了脱硫塔内不同入口角度下横向截面A-A(z=10 m)处的速度分布云图及该截面的速度方差曲线。由图5可以看出，随着烟气入口角度β的增加，脱硫塔内横向截面A-A(z=10 m)处的速度变化过程为不均匀—均匀—不均匀。结合图6给出的该截面速度方差曲线可知，当烟气入口角度β=15°时，截面速度方差最小，意味着此角度下该区域的速度分布最均匀。

图6 烟气不同入口角度下A-A截面(z=10 m)的速度方差曲线

图7为烟气不同入口角度下横向截面B-B(z=25 m)的速度分布云图。由图7可知，不同角度下的截面速度分布规律基本相同，速度分布较A-A截面对应角度下更均匀。由此可见，气帽的设置有助于尾部流场的分布更均布。

4 结论

(1) 烟气不同入口角度下脱硫塔内形成了大小不一的流动死区，β=15°时，塔内流体流动死区最少，流动空间最大；

(2) 随着烟气入口角度β的增加，气帽下方(负z轴方向)脱硫区域的高速度和低速度区域面积先减小后增加，β=15°时速度分布最均匀。

图7 烟气不同入口角度下脱硫塔B-B截面(z=25m)处的速度分布云图

(3) 烟气不同入口角度下，经过气帽后的流场分布规律基本相同，尾部速度分布较均匀。由此可见，气帽的设置有助于尾部流场的分布更均匀。