雙接觸式液柱塔流場的CFD 模擬

方立軍，胡月龍

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071000)

0 引言

在眾多的濕法煙氣脫硫技術(shù)中，雙接觸式液柱塔煙氣脫硫是最先進(jìn)的一種，由于具有氣液交融強(qiáng)烈、效率高、處理量大、易控制和成本低等特點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。

郭瑞堂等［1］、周山明等［2］對(duì)濕法脫硫液柱沖擊塔內(nèi)的流場和壓力場進(jìn)行了研究，他們的研究大多都側(cè)重于塔內(nèi)流場分布或者SO2的吸收機(jī)理研究，而對(duì)不同噴嘴數(shù)量不同液氣比條件下的流動(dòng)狀況很少涉及。而本文通過建立三維射流液柱塔內(nèi)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用流體計(jì)算軟件Fluent 對(duì)特定工況進(jìn)行數(shù)值模擬，描述了塔內(nèi)不同噴嘴數(shù)量不同液氣比條件下氣液流動(dòng)狀況。

1 模型和計(jì)算參數(shù)

1.1 物理模型

本文模擬對(duì)象是華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院的雙接觸式液柱塔煙氣脫硫裝置。裝置圖見文獻(xiàn)［3］。本文以反應(yīng)塔煙氣入口段、塔體反應(yīng)段、煙氣出口段作為主要計(jì)算區(qū)域，由于塔體本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)故采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，求解區(qū)域共劃分為117870 個(gè)網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分見圖1。

反應(yīng)塔內(nèi)兩相流截面選取如圖2。在Y 軸上面分別截取Y1=20 mm，Y2=40 mm，Y3=60 mm，Y4=80 mm，Y5=100 mm;在X 軸上面分別截取X1=20 mm，X2=40 mm，X3=60 mm，X4=80 mm時(shí)候的截面(噴嘴數(shù)量為20 個(gè)時(shí)候由于X1=20 mm，X2=40 mm，X3=60 mm，X4=80 mm 時(shí)截面會(huì)取在布置噴嘴的玻璃管上，影響對(duì)流體運(yùn)動(dòng)方式的分析，所以對(duì)此情況截面提取均增加10mm，亦即X1=30 mm，X2=50 mm，X3=70 mm，X4=90 mm)。

圖1 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Computational area and mesh

圖2 塔內(nèi)兩相流截面選取圖Fig.2 Two-phase flow cross-section diagram in scrubber

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 空氣流場的模擬

RNG k-ε 雙方程模型［4］是由Yakhot 及Orzag提出的，本文就是通過此模型來模擬反應(yīng)塔內(nèi)氣相湍流:

1.2.2 霧化液滴相的模擬液滴顆粒相采用隨機(jī)軌道模型進(jìn)行模擬，在拉格朗日坐標(biāo)系中建立液滴的運(yùn)動(dòng)方程。液滴在流場中所受的力包括:重力、浮升力、氣流阻力、Magnus 力、壓力梯度作用力等［5］。由于吸收塔內(nèi)氣液兩相流場并不是高溫相流，因此后面的幾個(gè)力對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)影響較小，為簡化模型，可忽略，只考慮重力、浮升力以及氣流曳力的作用［6］。即

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 空塔壓力場及流場特性

分別選取氣體流量為200 m3/h 且無噴液時(shí)的不同噴嘴數(shù)量布置條件下塔內(nèi)X2截面和Y2方向的計(jì)算結(jié)果，對(duì)壓力場和流場進(jìn)行分析結(jié)果如下。

(1)截面X2壓力場及流場分析

X2方向不同噴嘴數(shù)量下壓力場變化如圖3 所示。對(duì)三種噴嘴布置方式下的X2截面進(jìn)行對(duì)比，可以看到空塔條件下隨著噴嘴數(shù)量的增加塔內(nèi)整體壓強(qiáng)下降，并越來越明顯。這主要是由于隨著噴嘴數(shù)量的增加，其對(duì)氣流的阻力增加。

圖3 X2方向不同噴嘴數(shù)量下壓力場變化Fig.3 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

如圖4 所示的三種情況下的空塔內(nèi)流場變化，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，其速度變化并不明顯，但在(a)、(b)兩圖偏下方的位置會(huì)有一段速度較大的位置，主要是因?yàn)閮蓚?cè)布置噴嘴的玻璃管使得大量的氣流從空隙中通過，相當(dāng)于流量不變但是流通面積卻減少了，從而增大了氣流速度。而這種情況在噴嘴數(shù)量為35 個(gè)時(shí)卻不存在，主要在于此時(shí)因?yàn)閲娮鞌?shù)量較大，在X=20 mm 的截面仍然是切在管上面的，所以在圖中并不能表現(xiàn)出來。

圖4 X2方向不同噴嘴數(shù)量下流場變化Fig.4 Flow field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

(2)截面Y3壓力場及流場分析

截面Y3壓力場如圖5 所示。當(dāng)噴嘴數(shù)量過多的時(shí)候，液柱塔壓降變化明顯，這點(diǎn)在(c)圖中表現(xiàn)得很明顯，圖(a)、(b)相對(duì)比而言不是很明顯。并且在噴嘴附近明顯看到壓力呈現(xiàn)出漸變性，這與氣流的運(yùn)動(dòng)方向也是一致的。由于在模擬過程中設(shè)定塔下方為trap 的界面類型，所以其會(huì)對(duì)塔底上方的氣流形成一個(gè)阻礙面，控制氣體的逃逸，因此可以保證氣流沿塔高度方向運(yùn)動(dòng)。

圖5 Y3方向不同噴嘴數(shù)量下壓力場變化Fig.5 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

由圖6 的Y3切面上可以得知，氣流通過噴嘴布置的玻璃管時(shí)的流動(dòng)特性，由于煙氣入口段與塔體呈直角布置，塔內(nèi)氣流偏斜現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致在靠近煙氣入口側(cè)塔壁處形成一個(gè)煙氣回流區(qū)，煙氣主要從遠(yuǎn)離煙氣入口側(cè)塔壁處流過，該區(qū)域煙氣流速較高。隨著噴嘴數(shù)量增加，當(dāng)噴嘴數(shù)量達(dá)到35 個(gè)時(shí)回流區(qū)域出現(xiàn)在塔體中部。仔細(xì)觀察流場(a)、(b)兩圖，可以看到管道將氣流分成了相應(yīng)份數(shù);而在(c)圖中，在塔的中部形成一個(gè)條狀低速區(qū)域，這主要還是因?yàn)椴ＡЧ艿膹?qiáng)阻礙作用造成的。

圖6 Y3方向不同噴嘴數(shù)量下流場變化Fig.6 Flow field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

2.2 氣液兩相流壓力場及流場特性

(1)截面X2壓力場及流場分析

以下取噴液量為0.5 m3/h，空氣流量為200 m3/h 時(shí)不同噴嘴數(shù)量條件下X2，Y3截面。

截面X2壓力場如圖7 所示。對(duì)比三種情況下的X2截面，在噴嘴數(shù)量為15 個(gè)時(shí)，塔體最上面部分壓降相對(duì)于噴嘴數(shù)量為20 個(gè)的情況要小，這是由于噴液量相同，噴嘴數(shù)量少時(shí)射流高度相對(duì)較高，在氣流和噴液雙重作用下會(huì)對(duì)層面壓強(qiáng)有一個(gè)抬高作用。很明顯，在20 個(gè)噴嘴時(shí)，射流噴射的塔內(nèi)壓降變化范圍要明顯低于噴嘴數(shù)量較小的情況。這點(diǎn)在噴嘴數(shù)量為20 個(gè)與35 個(gè)的塔內(nèi)模擬結(jié)果是相同的。

此時(shí)在圖8 所示的流場中，(b)、(c)的流場相對(duì)而言要比(a)的更加紊亂，這就表明大范圍的射流對(duì)塔內(nèi)流場的影響占主要位置，可以看到噴嘴數(shù)量越多，塔內(nèi)流場愈加紊亂。隨著噴嘴數(shù)量的增加，塔內(nèi)的流速呈現(xiàn)降低的趨勢，這與單噴嘴流量的變化有一些不同(單噴嘴流量從大到小排列為噴嘴數(shù)量分別為15 個(gè)，35 個(gè)，20個(gè))，這是因?yàn)閲娮鞌?shù)量增加的同時(shí)會(huì)對(duì)塔內(nèi)的氣流起到很大的阻礙作用，大量的氣體被噴嘴布置阻礙，塔內(nèi)的兩相流的混合速度下降。

圖7 X2方向不同噴嘴數(shù)量下壓力場變化Fig.7 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

圖8 X2方向不同噴嘴數(shù)量下流場變化Fig.8 Flow field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

(2)截面Y3壓力場及流場分析

截面Y3壓力場如圖9 所示。當(dāng)噴液量為0.5 m3/h 時(shí)，隨著噴嘴數(shù)量的增多，壓降變化越來越明顯，并呈現(xiàn)很明顯的漸變性。

從圖10 流場Y3切面上可以看到氣流進(jìn)入塔內(nèi)與噴液之間的流場情況。當(dāng)噴液量為0.5 m3/h時(shí)，隨著噴嘴數(shù)量的增加，塔內(nèi)流場逐漸偏于紊亂，且塔內(nèi)的流速降低。在液柱噴射過程中，塔內(nèi)流場分布趨于均勻，說明在噴液狀態(tài)下，噴嘴數(shù)量的增加對(duì)于煙氣流場具有一定的整流作用，可以使塔內(nèi)氣液流場分布均勻性得到改善。

圖9 Y3方向不同噴嘴數(shù)量下壓力場變化Fig.9 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

圖10 Y3方向不同噴嘴數(shù)量下流場變化Fig.10 Flow field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的比較

圖11 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比Fig.11 Comparison of the experimental data and simulation results

由圖11 可以看出，選取GK1，GK2，GK3三種工況分別進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比，GK1為單層噴嘴布置噴液量0.5 m3/h，煙氣流量200 m3/h;GK2為雙層噴嘴布置噴液量0.5 m3/h，煙氣流量200 m3/h;GK3為雙層噴嘴布置噴液量1 m3/h，煙氣流量200 m3/h。在本文所采用的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，塔內(nèi)床層壓降變化的模型計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合程度較好。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)液柱射流塔內(nèi)氣液兩相流場的模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，無液柱噴射時(shí)噴嘴數(shù)量的增加將會(huì)導(dǎo)致塔內(nèi)整體壓強(qiáng)的下降，塔內(nèi)氣流偏斜現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致在靠近煙氣入口側(cè)塔壁處形成一個(gè)煙氣回流區(qū)，煙氣主要從遠(yuǎn)離煙氣入口側(cè)塔壁處流過，該區(qū)域煙氣流速較高。

(2)在液柱噴射階段，隨著噴嘴數(shù)量增加，壓降變化范圍減小，但是階段性變化卻更加明顯，塔內(nèi)流場分布趨于均勻。說明在噴液狀態(tài)下，噴嘴數(shù)量的增加對(duì)于煙氣流場具有一定的整流作用，可以使塔內(nèi)氣液流場分布均勻性得到改善。

(3)通過對(duì)特定工況的數(shù)值模擬，描述了塔內(nèi)不同噴嘴數(shù)量不同液氣比條件下氣液流動(dòng)狀況。計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明所建立的模型和采用的算法具有良好的預(yù)測性和可靠性。

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