基于CFD的活性炭煙氣脫硫數(shù)值模擬

楊忠國(guó) ,荀海川 ,都基圣

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院,黑龍江大慶 163319;2.大慶市高新熱力有限公司,黑龍江大慶 163316)

0 前言

隨著能源需求的增長(zhǎng)和清潔燃煤技術(shù)的發(fā)展,二氧化硫污染及酸雨危害成為了我國(guó)大氣污染的主要問(wèn)題[1]。目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的 SO2的控制途徑有 3種,即燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫(即煙氣脫硫)[2]。煙氣脫硫是目前世界唯一大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的脫硫方式,是控制 SO2污染和酸雨的主要技術(shù)手段?；钚蕴繜煔饷摿蚴且环N先進(jìn)、高效率的干法脫硫技術(shù),它是 20世紀(jì) 70年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)脫硫技術(shù)。根據(jù)煙氣脫硫過(guò)程是否有水參與及脫硫產(chǎn)物的干濕狀態(tài)可分為濕法、半干法和干法煙氣脫硫[3]。其中濕法煙氣脫硫反應(yīng)速度快,脫硫效率高,應(yīng)用最廣[4-6]。濕法煙氣脫硫技術(shù)包括:石灰石/石膏法、雙堿法氧化鎂法、檸檬酸鹽法、海水法、氨法等。近年來(lái),我國(guó)科技工作者研究出了一些脫硫新技術(shù),如微生物脫硫、硫化堿脫硫、膜吸收法等,這些技術(shù)還有待繼續(xù)研究。

1 模型的建立

1.1 物理模型的建立及簡(jiǎn)化

移動(dòng)床反應(yīng)器采用的是三維模型,對(duì)于吸附反應(yīng),移動(dòng)床氣體入口和出口直徑皆為 1 000 mm,活性炭入口直徑為2 000mm,出口直徑1 200mm,床層高6 000mm。對(duì)于脫附反應(yīng),移動(dòng)床氣體入口直徑為500mm,出口直徑為500mm,活性炭入口直徑為1 000mm,活性炭出口直徑600mm,床層高3 000mm。模型見(jiàn)圖1。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

使用CFD軟件進(jìn)行計(jì)算,選用標(biāo)準(zhǔn) k-ε兩方程湍流模型,控制方程離散采用二階迎風(fēng)差分格式,空間區(qū)域離散選擇外節(jié)點(diǎn)法劃分網(wǎng)格,對(duì)壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法求解。流體運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律是由物理學(xué)三大守恒定律[7-9]規(guī)定的,即質(zhì)量守恒定律,動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

(1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)

圖1 移動(dòng)床反應(yīng)器模型簡(jiǎn)圖

式中u、ν、w分別為x、y、z坐標(biāo)軸上的速度。

(2)動(dòng)量方程

式中,Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為源項(xiàng)。

(3)能量方程

式中,λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù);Sh為流體的內(nèi)熱源;pdiνU為表面力對(duì)流體微元體所做的功,一般可以忽略;Φ為耗散系數(shù)。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 SO3濃度場(chǎng)的模擬

選擇煙氣入口速度v=0.5m/s,床層空隙率a=0.35的情況,對(duì)SO3濃度場(chǎng)進(jìn)行模擬,t=2 s、3 s、4 s、5 s時(shí)SO3的濃度場(chǎng)見(jiàn)圖2。

圖2 不同時(shí)刻SO3濃度(mg/m3)等值線圖

由圖2可以看出:

(1)在反應(yīng)的初始階段,移動(dòng)床活性炭出口的 SO3濃度較大,隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,濃度逐漸變小。這是因?yàn)榛钚蕴课搅艘欢康?SO2后,隨著新鮮活性炭的補(bǔ)充,吸附了 SO2的活性炭由出口排出。

(2)煙氣進(jìn)口、煙氣出口和活性炭進(jìn)口的 SO3濃度變化不大。

(3)SO2和O2被活性炭吸附后,進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),生成SO3,隨活性炭向下運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致活性炭出口處的SO3濃度最大。

(4)當(dāng) SO3的反應(yīng)區(qū)超過(guò)煙氣出口處時(shí),活性炭將失去吸附作用,這時(shí)應(yīng)降低煙氣的速度或者加快活性炭下移的速度,以保證脫硫效率。

2.2 煙氣入口速度對(duì)脫硫效果的影響

對(duì)于不同的鍋爐,煙氣的排放速度有很大的差別。煙氣入口速度是影響脫硫效率的一個(gè)非常重要的因素,對(duì)脫硫過(guò)程的影響也較為復(fù)雜。如何使活性炭在高空速條件下保持較好的脫硫效果,已經(jīng)成為工業(yè)中煙氣脫硫面臨的難題。模擬采用4個(gè)不同的氣體速度(0.5 m/s、0.9m/s、1.1m/s、1.6m/s),對(duì)脫硫過(guò)程進(jìn)行模擬,氣體入口SO2濃度對(duì)SO2濃度的影響見(jiàn)圖3和圖4。

圖3以直線(0,0)為研究對(duì)象,得出不同煙氣入口速度對(duì)SO2濃度的影響曲線,從圖3可以看出:

(1)由于 SO2分子在活性炭中的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的作用,在離煙氣入口較近的區(qū)域內(nèi),SO2濃度迅速下降,然后趨于平穩(wěn)。

(2)在同一位置,SO2濃度隨著煙氣入口速度的增加而增加。

圖4為不同煙氣入口速度下 SO2出口濃度隨時(shí)間的變化曲線圖,由圖4可以看出:隨著煙氣入口速度的增大,煙氣出口處的SO2濃度變化較為明顯。其中煙氣入口速度為0.5m/s時(shí)的曲線變化較為平緩。

2.3 煙氣入口SO2濃度對(duì)脫硫效果的影響

在活性炭煙氣脫硫工藝中,煙氣中 SO2的濃度對(duì)脫硫效果有很大影響。在煙氣中 SO2的平均體積濃度分別為1 310mg/m3、2 200mg/m3、3 100mg/m3、3 950mg/m3的情況下進(jìn)行模擬,煙氣入口SO2濃度對(duì)SO2濃度的影響見(jiàn)圖5和圖6。

圖5以直線(0,0)為研究對(duì)象,得出不同煙氣入口SO2濃度對(duì)SO2濃度的影響曲線。從圖5中可以看出:(1)某點(diǎn)的SO2濃度隨煙氣入口SO2濃度的增加而增加,然后逐漸下降,趨勢(shì)基本相同。(2)隨著煙氣入口SO2濃度增大,活性炭和SO2之間的濃度梯度也相應(yīng)增大,化學(xué)反應(yīng)速率增加,SO2濃度下降較快。

圖6中橫坐標(biāo)為吸附時(shí)間,縱坐標(biāo)為氣體出口的 SO2濃度,從中可以看出,在吸附過(guò)程中,煙氣入口SO2體積濃度為1 310mg/m3的時(shí)候,煙氣出口處的SO2濃度下降較慢,SO2吸附和氧化反應(yīng)速率較慢,隨著煙氣入口SO2濃度的增大,煙氣出口的SO2濃度下降速度增加,SO2吸附和氧化反應(yīng)速率增大。

3 結(jié)論

利用CFD軟件對(duì)移動(dòng)床內(nèi)的SO3濃度場(chǎng)、煙氣速度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,通過(guò)模擬,得出了煙氣入口速度、煙氣入口 SO2濃度對(duì)脫硫效率的影響關(guān)系,模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有非常重要的指導(dǎo)價(jià)值。

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