噴霧半干法脫硫塔內(nèi)射流卷吸特性的數(shù)值模擬

秦嶺，丁紅蕾，潘衛(wèi)國，汪臘珍，丁承鋼，郭士義

（1.上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海市 楊浦區(qū) 200090；2.上海電氣電站環(huán)保工程有限公司，上海市 閔行區(qū) 201600；3.上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心，上海市 楊浦區(qū) 200090）

0 引言

根據(jù)中電企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計(jì)，截至2017年，我國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1651萬kW，其中垃圾發(fā)電裝機(jī)容量為790萬kW，占全國生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量的 48%[1]。隨著環(huán)保要求的提高，國家對生物質(zhì)鍋爐排放的SO2等酸性氣體提出了要求。目前應(yīng)用最廣泛的脫硫技術(shù)是石灰石-石膏濕法脫硫[2-3]，但是濕法脫硫投資運(yùn)行成本高，對于處理生物質(zhì)鍋爐這種低含硫量的尾氣，投資成本過高；并且濕法脫硫產(chǎn)生大量廢水難以處理，容易造成土壤鹽堿化[4]，脫硫廢水的處理問題日益嚴(yán)峻，目前針對脫硫廢水的處理還沒有成熟可靠的大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)[5]。噴霧半干法煙氣脫硫技術(shù)是利用霧化的吸收劑漿液與煙氣接觸，反應(yīng)后最終生成干態(tài)產(chǎn)物，具有投資運(yùn)行費(fèi)用低、不會產(chǎn)生廢水、脫硫產(chǎn)物為干態(tài)等優(yōu)點(diǎn)[6-9]，近年來在垃圾發(fā)電廠廣泛投入使用。為了提高噴霧半干法煙氣脫硫效率，本文提出了一種荷電噴霧半干法脫硫的方法，該辦法能夠有效提高漿液霧化效果，增強(qiáng)吸收劑與煙氣的反應(yīng)活性，從而達(dá)到提高脫硫效率的目的[10-12]。

射流噴入一股運(yùn)動的氣流當(dāng)中，這個(gè)運(yùn)動的氣流稱之為伴隨流，噴射的氣流稱之為主射流[13]。

噴霧射流在湍流流場和混合燃燒等方面有著廣泛的應(yīng)用，霧化噴嘴作為噴霧半干法煙氣脫硫塔中重要的設(shè)備，噴霧的流場直接影響著塔內(nèi)煙氣與吸收劑的混合特性，混合不好使吸收劑與煙氣接觸不夠充分，甚至造成塔內(nèi)氣流偏斜，使吸收劑產(chǎn)生黏壁等問題[14]，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研，噴霧半干法煙氣脫硫塔內(nèi)吸收劑黏壁是困擾生產(chǎn)現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。因此研究塔內(nèi)射流流場分布以及卷吸混合特性對于噴霧半干法煙氣脫硫穩(wěn)定運(yùn)行具有重要義。

早在1949年Taylor就提出了卷吸假說，后來 Turner[15]和 Batchelor[16]對該假說進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。Wang X H等[17]人研究了蒸發(fā)射流在稀薄氣固兩相流中的流體動力混合特性，并建立了預(yù)測模型。Chen X等[18]采用PIV對荷電噴霧的噴嘴進(jìn)行流場測量，結(jié)果表明電壓、流量、溫度等會對霧化效果產(chǎn)生影響。Zhentao Wang[19]等用PDA對荷電噴霧雙流體噴嘴的霧化進(jìn)行了研究，并且得到了不同荷電電壓、流量下的流場分布。禹言芳等[20]對不同形狀的噴嘴的射流卷吸特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明三角形狀的噴嘴卷吸率較高。王乃華等[21]利用激光測粒儀對雙流體霧化噴嘴進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并得出了預(yù)測霧化粒徑的經(jīng)驗(yàn)公式，分析了漿液濃度等參數(shù)對汽耗率等的影響。梁欽等[22]對壓力型霧化噴嘴的兩相流特性進(jìn)行了數(shù)值研究，他認(rèn)為在壓力一定時(shí)，射流速度越大，霧化顆粒的漂移能力越強(qiáng)，風(fēng)速的大小對霧化效果有重要影響。陸云峰等[23]對多流體堿霧脫硫裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，對射流流場的速度分布、矢量分布以及霧滴的分布進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

本文運(yùn)用歐拉和拉格朗日相結(jié)合的方法，通過數(shù)值模擬研究了荷電噴霧半干法煙氣脫硫塔內(nèi)噴嘴射流卷吸特性，分析脫硫塔內(nèi)氣液兩相流的流場特性以及氣體軸向速度在不同橫截面上的分布規(guī)律，對于改善脫硫塔內(nèi)氣流的分布，提高氣體與漿液的混合程度具有重要意義。

1 研究對象和計(jì)算方法

1.1 模擬對象

本文模擬對象為實(shí)驗(yàn)室搭建的荷電噴霧半干法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由反應(yīng)塔體、漿液供給系統(tǒng)、模擬煙氣發(fā)生系統(tǒng)、霧化器、直流電源以及測量系統(tǒng)組成?？紤]到吸收劑漿液主要是通過塔體頂部的霧化噴嘴噴入與模擬煙氣在塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，整個(gè)射流過程主要發(fā)生在塔內(nèi)，所以本文選擇反應(yīng)塔體部分作為模擬對象，計(jì)算的反應(yīng)塔模型如圖2所示，塔體高1.8 m，塔體直徑為0.2 m，采用二流體霧化器。

圖1 荷電噴霧半干法煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Electrostatic spraying semi-dry flue gas desulfurization experiment system

圖2 塔體計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分Fig. 2 Tower calculation model and mesh division

1.2 計(jì)算模型

本文將氣體連續(xù)相用歐拉法處理，將噴嘴霧化漿液作為離散相，在拉格朗日坐標(biāo)下跟蹤霧化液滴的軌跡，對荷電噴霧半干法脫硫塔內(nèi)氣液兩相流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬所用的數(shù)學(xué)模型包括描述氣相場的連續(xù)相控制方程和描述噴霧漿液的離散相控制方程。

1.2.1 連續(xù)相的控制方程

可以認(rèn)為反應(yīng)塔中的模擬煙氣是不可壓縮的、黏性流體，采用湍流模型模擬氣體流動穩(wěn)態(tài)下的結(jié)果。氣相控制方程包括了連續(xù)性方程、動量方程。

連續(xù)性方程：

動量方程：

對于湍流模型，本文選擇了工程上最常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，模型描述如下：

式中：Gk是由平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生，Gb由浮力引起的湍動能產(chǎn)生，YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2.2 離散相控制方程

由于模擬煙氣中的吸收劑漿液所占的體積分?jǐn)?shù)很小(低于10%)，本文采用離散相模型(discrete phase model，DPM)來描述吸收劑液滴的運(yùn)動情況，由于吸收劑液滴運(yùn)動的不確定性，本文采用了隨機(jī)軌道模型來模擬吸收劑液滴實(shí)際的運(yùn)動情況。

由于吸收劑液滴的受力及運(yùn)動情況復(fù)雜，做如下簡化假設(shè)：1）吸收劑液滴被認(rèn)為是球形的、非旋轉(zhuǎn)的；2）吸收劑液滴所受的拽力至少比其他受力大一個(gè)數(shù)量級，因此可以忽略顆粒的其他受力，例如熱泳力、布朗力的作用。

吸收劑液滴的運(yùn)動方程描述如下：

式中：FD(u-up)表示單位質(zhì)量所受到的曳力；u為流體的相對速度；up是吸收劑液滴的速度；ρp為吸收劑液滴的密度；ρ為流體的密度；FX是其他作用力；CD為曳力系數(shù)；dp是顆粒直徑；Re為相對雷諾數(shù)；μ為流體的動力黏度。

1.3 邊界條件及求解

計(jì)算區(qū)域邊界包括了入口、出口、噴嘴、塔壁面及流體區(qū)域。參考實(shí)際工程情況，噴霧半干法塔內(nèi)空塔流速一般0.3～0.6 m/s，本試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)流速選取0.5 m/s，入口流量為60 m3/h，出口為自由出流邊界條件。塔壁采用無滑移壁面邊界條件，試驗(yàn)臺塔體外壁設(shè)置保溫層，因此模擬時(shí)認(rèn)為壁面近似設(shè)置為絕熱壁面。對于吸收劑液滴相，參考噴嘴廠家數(shù)據(jù)，液滴粒徑最大為120 μm，最小為80 μm，本文采用了顆粒常用的Rosin-Rammler粒徑分布函數(shù)，最小直徑、最大直徑、平均直徑分別為 80、120、100 μm，漿液的質(zhì)量流量為3 kg/h，在20°的錐角內(nèi)隨機(jī)發(fā)射。入口和出口的邊界條件為escape，由于液滴碰到壁面后即黏附在壁面，因此塔壁面邊界條件也設(shè)置為escape。本文求解器的離散格式使用穩(wěn)定性好、精度高的二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合計(jì)算方法采用Simple算法。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了確定合適的網(wǎng)格數(shù)量用于計(jì)算，分別建立了96 800、183 500、284 400、322 200四種網(wǎng)格數(shù)量的模型，繪制出了如圖3所示的Z軸上氣體速度大小沿Z軸負(fù)方向變化的曲線?？梢钥闯?，沿著Z軸負(fù)方向，氣體在噴嘴出口附近速度達(dá)到最大值，然后逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)，4種網(wǎng)格數(shù)量的模擬結(jié)果均呈現(xiàn)出這樣一種變化趨勢。但是網(wǎng)格數(shù)量從96 800到183 500，速度曲線在從最大速度減小到基本平緩階段，速度大小變化忽大忽小，可以理解為網(wǎng)格數(shù)量不夠充分描述氣體流動情況，但是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從 284 400到322 200，速度曲線變化趨勢基本一致，波動不大。為了節(jié)約計(jì)算資源，選取網(wǎng)格數(shù)量為284 400作為計(jì)算模型。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig. 3 Grid independence verification

2 結(jié)果與討論

本文選取設(shè)計(jì)工況下的情況對荷電噴霧半干法脫硫塔內(nèi)射流情況進(jìn)行模擬，噴嘴的卷吸特性對于氣體與吸收劑的混合、傳熱以及化學(xué)反應(yīng)有重要影響，與自由射流有所不同，射流卷吸特性主要受噴嘴周圍流場分布以及不同伴隨流特性的影響。因此，本文將先對塔內(nèi)射流流場分布及回流情況進(jìn)行分析，以弄清楚噴嘴周圍流場分布情況，然后研究不同伴隨流情況下，噴嘴射流的卷吸量。

2.1 氣相速度分布

圖4為荷電噴霧半干法脫硫塔內(nèi)速度分布云圖，圖5為反應(yīng)塔內(nèi)氣體矢量分布圖。可以看出，噴霧射流在氣動力作用下向下運(yùn)動，在主射流區(qū)，沿軸線方向速度逐漸減小，隨著射流的發(fā)展，速度逐漸趨于穩(wěn)定。從圖4可以看出，在射流區(qū)域，高速射流卷吸周圍氣體，導(dǎo)致強(qiáng)烈回流，卷吸作用形成渦旋區(qū)，增加了周圍的湍流強(qiáng)度，有利于氣體介質(zhì)與吸收劑液滴的混合，同時(shí)，強(qiáng)烈的湍流強(qiáng)度也有利于液滴與氣體介質(zhì)間的傳熱。

圖6為氣體軸向速度沿徑向距離變化關(guān)系曲線，可以看出，氣體在反應(yīng)塔內(nèi)速度呈現(xiàn)中間大兩邊小的對稱曲線分布，同一橫截面上，靠近射流軸線的地方速度較大，遠(yuǎn)離軸線的地方速度逐漸平趨于平緩，沿著射流軸線方向，氣體速度逐漸減小，在遠(yuǎn)離噴嘴出口的充分發(fā)展段，各橫截面軸向速度基本保持不變，塔內(nèi)流動接近于充分發(fā)展的管內(nèi)流動。另外，從圖6中還可以看出，氣體在Y1、Y2、Y3截面靠近反應(yīng)塔壁面附近的地方速度為負(fù)值，這主要是由于在這些地方高速氣流卷吸周圍的氣體，導(dǎo)致區(qū)域壓力突然下降，引起局部回流所造成的。

圖4 氣體速度分布云圖Fig. 4 Gas velocity cloud

圖5 氣體矢量分布圖Fig. 5 Gas vector

圖6 氣體軸向速度大小沿徑向距離變化關(guān)系Fig. 6 The relationship between the axial velocity of gas and the radial distance

2.2 射流卷吸量分析

在荷電噴霧半干法脫硫中，吸收劑漿液經(jīng)過霧化器霧化后，噴入模擬煙氣中，模擬煙氣稱之為伴隨流，二流體噴嘴噴出的氣液混合物稱之為主射流。由于伴隨流與主射流速度大小呈現(xiàn)較大的差異，在黏性的作用下，主射流與伴隨流之間發(fā)生了強(qiáng)烈的動量和質(zhì)量交換，從而對周圍的伴隨流產(chǎn)生了卷吸現(xiàn)象，在主射流區(qū)域形成復(fù)雜的氣液兩相流動。

噴嘴射流卷吸強(qiáng)度的大小對于模擬煙氣與吸收劑漿液的混合程度和化學(xué)反應(yīng)有重要影響。對于射流卷吸量，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究方法是將射流的沿程區(qū)域分割成若干個(gè)小網(wǎng)格，然后在每一個(gè)小網(wǎng)格里面布置速度測點(diǎn)，通過這些測點(diǎn)來獲得射流的速度場分布，某一個(gè)界面上的射流卷吸量等于這個(gè)截面上的射流流量減去初始射流流量。這樣的方法由于要在流場區(qū)域布置較多的測點(diǎn)，這些測點(diǎn)對射流的流場產(chǎn)生了不小的影響，因此本文通過數(shù)值模擬來提取射流沿程每個(gè)截面的速度大小，這樣做可以減小實(shí)驗(yàn)研究中測點(diǎn)的布置對流場的影響。

射流的沿程卷吸量表征了主射流攜帶伴隨流運(yùn)動的能力大小，沿程卷吸量用Qe/Qj表示，Bush& Sojka[22]在研究兩相噴霧射流后指出，在兩相射流中的卷吸氣體質(zhì)量流量同噴嘴出口的液體質(zhì)量流量的比值關(guān)系，與單相射流中卷吸氣體質(zhì)量流量同噴嘴出口的氣體質(zhì)量流量的比值關(guān)系相似。因此本文采用Bush & Sojka[24]對兩相噴霧射流研究后得出下述卷吸特性表達(dá)式：

式中：Qe為被卷吸氣體的質(zhì)量流量，kg/s；Qj為流經(jīng)噴嘴的液體質(zhì)量流量，kg/s；α為射流卷吸系數(shù)；x為距離噴嘴出口距離，m；d0為噴嘴直徑，m；ρe為被卷吸氣體的密度，kg/m3；ρj為噴嘴噴出的氣體密度，kg/m3；ρg為噴嘴噴出的液體密度，kg/m3；GLRα為汽化率；SRβ為噴嘴出口平面上氣體與液體的速度滑移率。

設(shè)體積為V的空氣中含有質(zhì)量為m的粉塵，空氣密度為ρ，含塵氣體密度為ρga，空氣質(zhì)量為ma，由于粉塵體積很小，因此認(rèn)為含塵空氣體積也為V，則有：

定義質(zhì)量比：

聯(lián)立式(9)—(11)可得

本文僅僅考慮噴嘴對周圍氣體混合物的卷吸作用，模擬的為冷態(tài)情況下射流特性，因此空氣密度取常溫狀態(tài)下空氣密度1.185 kg/m3，噴嘴漿液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Ca(OH)2溶液，根據(jù)上文中給出的噴嘴流量3 kg/h，溶質(zhì)質(zhì)量為0.3 kg/h，根據(jù)進(jìn)口空氣流量，計(jì)算可知μ＜＜1，因此卷吸的含塵氣體密度按空氣密度計(jì)算，噴嘴直徑和噴嘴液體的初始流量在前文中已經(jīng)給出。

對于射流卷吸系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[25]的研究可以用以下公式來表示：

當(dāng) Re＞15000時(shí)，α=0.37；當(dāng) Re＜15 000時(shí)，α=0.405 lgRe-1.310α。本文中 Re＞15 000，故α取0.37。

圖7 無量綱Qe/Qj-x/d0坐標(biāo)曲線圖Fig. 7 Dimensional Qe/Qj-x/d0 coordinate graph

根據(jù)數(shù)值模擬和式(9)繪制了如圖7所示的無量綱 Qe/Qj-x/d0坐標(biāo)曲線圖，可以看出，模擬值與經(jīng)驗(yàn)公式值擬合良好，說明模擬結(jié)果是可信的。

圖8為伴隨風(fēng)量Q0分別為60、50、40 m3/h下，射流卷吸量隨射流軸線變化曲線圖，可以看出，沿著射流軸線方向，卷吸量逐漸增大，這是因?yàn)槌跏忌淞鲃幽茉谏淞鞯耐瑫r(shí)，大部分能量傳遞給了周圍的流體，主射流速度一直在減小，但是產(chǎn)生的渦旋卷吸周圍氣體一起向下運(yùn)動，使得卷吸量逐漸增加，隨著伴隨風(fēng)量的增加，卷吸量明顯增多，這與施俊美等[8]人的研究結(jié)果相吻合。

圖8 射流卷吸量隨伴隨風(fēng)量的變化關(guān)系Fig. 8 The relationship between the amount of jet entrainment and the accompanying air volume

3 結(jié)論

本文通過數(shù)據(jù)模擬的方法，針對提出的一種新的噴霧半干法煙氣脫硫塔進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出結(jié)論如下：

1）對冷態(tài)情況下的荷電噴霧半干法脫硫塔內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，塔內(nèi)射流流場呈現(xiàn)中間大，兩邊小的對稱分布規(guī)律，并且在兩邊產(chǎn)生了明顯的回流。

2）射流對周圍的伴隨流體有明顯的卷吸作用，這種卷吸作用是由于射流動能與周圍流體發(fā)生能量交換的結(jié)果。

3）射流沿著軸線方向，卷吸量逐漸增大，隨著射流伴隨風(fēng)量的增加，射流卷吸量也逐漸增加。