大型脱硫塔喷淋段气液两相流动与传热的数值仿真及验证.docx

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1、大型脱硫塔喷淋段气液两相流动与传热的数值仿真及验证摘要：对大型湿法脱硫塔喷淋段内部的气液两相流动和传热过程进行模拟，并将模拟结果同现场运行数据进行对比.结果表明：良好的喷淋层和喷嘴布置可对塔内烟气流动起到很好的整流作用；在烟气入口对面的浆液池上方存在一气相的最高压区；原烟气的高速冲入对浆液滴的运动轨迹产生明显的影响，使得烟气入口处形成了一个斜向下呈带状的液滴浓度高值区；喷淋塔内温度梯度变化较大的区域在靠近吸收塔入口的位置，且此区域随烟气量的增大而扩大一一简单忽略塔内气相温度场的不均匀性势必将给计算带来误差；喷淋塔内的气相温度场和水蒸气浓度场分布有明显的一致性规律，证明了塔内的降温过程主要为蒸发

2、冷却.关键词：大型喷淋塔；气液两相流；传热；温度场；水蒸气；数值仿真随着环保标准的日益严格，对烟气脱硫装置的设计和运行也提出了更高要求.当仅模拟了几个喷嘴.已有的文献大多受限于计算机的运算速度，故常常对模拟的脱硫塔几何尺寸进行缩减，或仅计算少量喷嘴以减少颗粒轨迹计算和两相耦合迭代的计算开销15,由此限制了研究结果在大型脱硫塔上的应用和推广.本文借助上海市超级计算机中心的硬件平台，采用计算流体力学仿真的方法，对某大型喷淋塔的全尺寸喷淋段进行研究，详细模拟了塔内的气液两相流场和上百个喷嘴的喷淋，充分考虑了气液两相间的耦合作用（传动量、传热和传质过程），并将气相湍流脉动对颗粒运动的影响也考虑在内，从

3、而获得较精确的塔内温度分布和烟气组分（主要是水蒸气）分布.以此揭示脱硫塔内气相和液滴颗粒相的分布特点，并讨论塔内传热、传质的规律及对脱硫过程的影响.模拟结果和现场实测数据进行对比，以进一步验证模拟的正确性.1数学模型及控制方程本文的气液两相流模拟采用欧拉-拉格朗日方下处理离散相（液滴）.对于气相，为了封闭Reynolds时均方程组中的二阶关联项，本文采用标准k-e模型.离散相颗粒的轨道通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解.文中还考虑了气相湍流扩散对颗粒相的分布和轨迹的影响，通过颗粒随机轨道模型来计dtt蕾/%）+言4。/式中：FD为颗粒驰豫时间；Re为颗粒的相对Reynolds数；u

4、i为流体相速度；upi为液滴颗粒相速度；口为流体相动力黏度；PP为液滴颗粒密度；dp为颗粒直径；gi为外力对液滴颗粒的加速度.式右边依次为流体对液滴颗粒的曳力项、重力项（包括浮力作用）和其他作用力项.气相湍流对颗粒相的分布和轨迹的影响通过颗粒随机轨道模型来计算.设流体湍流各向同性，认为流体速度脉动值iu符合高斯分布.当颗粒穿过湍流涡团时，对流体速度随机取样=?（2%/3产,其中/为服从正态分布的随机数.将流体瞬H寸速度% =用+ ：代入颗粒轨迹方.柄：对时间积分即可求出颗粒轨迹.1.2 气液两相间的耦合1.2.1 动量交换当颗粒穿过模型的捽制单元忖,通过计算颗粒的动；R变化来求解连续和传递给离

5、散和的动层值.颗粒的动量变化值为右=2（雪鹭气（与 一 “）+ Ghcr 匹，（2）p Lp式:中：G）为火力系数；而为颗粒的质量流率；/为日寸间步长；AM 为除虫,刀外其余的气液间相互作用力对液滴颗粒的加速度.1.2.2 质量交换质量交换的源项为(3)加7nM = -th.p.up*式中:吗o为井粒的初始质量;A呻为颗粒的质量变化量1.2.3 热量交换1)气液间传热不伴随液滴相变湿法脱硫净化前后的烟气温度均远低广炉膛温度，故无而考虑幅射换热.当气液间传热不伴随液滴相变时用如下的热平衡方程来关联颗粒温度 rp与颗粒表面的对流换热：%。箸=4(匕一 4)式中：s为液滴颗粒的质量；外 为液滴颗粒的

6、热容；ap为液滴颗粒的衣面积；tv为气相的当地温度；rp为液滴颗粒温度；为对流换热系数.2)液滴蒸发液滴的蒸宏量由梯度如 散石角定，即由蒸汽向气相中的扩散流率取决于液滴与主气流之可的蒸汽浓度梯度：乂 =入.93 Cw,_ )(5)式中：N. 为水蒸气的阜尔流率；/?w 为液滴表而水蒸气向气相主体的传质系数；6s为液滴表面的蒸汽浓度；G.8为气相主流中的水蒸气浓度-所对(6)液滴表面的蒸汽分田假定等于液滴温度7P应的饱和压力/7w.sal,则液滴表面的蒸汽浓度为U =(北)ws _ RTV式小R为通用气体福数.主气流中的蒸汽浓度由水蒸气的组分输运方程求解得到，即4.8 = xw 3(7)H弋中：

7、Xw为水蒸气的当地摩尔分数；为当地绝对压力.式(5)中的传质系数由 Shei-wood 关联式得到，即Sh = - = 2.0 + O.6/eeo5Sc,/3(8)Qv.mSc =巴PD5大中：D、v.m为主气流中水蒸气的扩散系数；SC为Schmidt 数.2模拟对象及模型简化本文以某实际运行的大型喷淋塔为模拟研究对象，采用ANSYSFluentl2. 0计算平台进行模拟.喷淋塔设计烟气量120万m3/h,原烟气入口温度130, C,原烟气湿度7%(体积分数).共4层喷淋，最上层与最下层喷淋层及喷嘴的布置方式相同.各喷淋层的位置高度为8,限10,m、11. 75, m和13.5,m,底层喷淋距

8、吸收塔入口顶部1. 5, m.每层有41个实心锥喷嘴，单喷嘴流量56. 6, t/h,喷射角度90 .喷射液滴颗粒的平均直径为1. 7, mm,液滴颗粒服从Rosin-Rammler分布.喷淋层结构和喷嘴布置见图1.(a)第1层图1(b)第2层(c)第3层各喷淋层的结构和喷嘴布置吸收塔的模拟范围从浆液池的顶部开始，直至除雾器的入口为止，目的是充分模拟吸收塔内喷淋段的气液两相流动和传热过程.吸收塔入口尺寸为8,mX4. 5, m,吸收塔直径11, m,模拟段高度如图2所示；烟气入口在第1层下的入口处，烟气出口在上方，各喷淋层的位置也标示其中.边界条件：入口条件为速度入口，出口条件为压力出口.采用

9、Launder和Spaleding提出的标准壁面函数法来进行壁面处理.模拟过程中不考虑浆液管路和喷嘴本体对流动的影响.模型总共划分网格数170万，采用六面体网格.由于采用随机颗粒轨道模型，在整个计算过程中，离散相迭代更新一次总共需跟踪656, 000条颗粒轨迹线.因迭代计算量大，所以本文的模拟借助于上海市超级计算机中心的公共平台.2H算区上或及网格划分根据工程实际情况，本文的计算模型对脱硫塔内的烟气-浆液两相流动做如下的简化和假设.将烟气视作不可压缩牛顿流体.(2)忽略气液两相与塔壁面间的传热；忽略塔内化学反应热和烟气组分在水中的溶解热.(3)将烟气视为理想气体，将液滴视为刚性球体考虑.(4)

10、计算中不考虑液滴颗粒之间的碰撞、破碎及聚并效应.不考虑因为液滴蒸发、变形和传质过程导致的烟气流速和曳力系数的变化.(5)液滴碰壁后使中止液相对气相源项的计算.3数值模拟结果与分析3. 1气液两相流动的模拟结果图3为纯气和模拟(不考虑液相)情况下的纵向中心截面的速度矢量场图.可见在没有浆液喷淋的情况下，由于原烟气的刚性和惯性，高速冲入吸收塔后，势必向入口对面的塔壁冲去并折流向上.由于高处仍有较大的气流速度差异.并且由于烟气刚性造成的偏流，使得在吸收塔的左上部和右下侧形成了两个明显的大旋涡.图3 纯气相的速度矢量场速度“ins ) 10. 10 r教H 7.59 6 06H s 70H 5 07

11、4 IR I 7 2.54 i I 2XI，()(- ().02图4为底层喷淋和顶层喷淋的模拟结果，其中忽略了烟气流动的影响.很明显,图4(b)所示顶层喷淋下来浆液的停留时间更长，因此气液接触时间也更长.从图4(a)可以看出，喷嘴排布设计达到了很好的截面覆盖率.并目,各层喷嘴交错布置(如佟11所示)，这样可以照顾到最大的截面覆盖率，强化气液接触效果，为烟气的快速降温和高效洗涤创造了很好的条件.f 予 FN H lliiJ/s J氏左“啖;林停留时间/s3.02.72.42.1070.60.30I.X（b ）顶层喷淋图4吸收塔内的底层喷淋和顶层喷淋图5为气液两相流情况下的纵向中心截面的气相相场流

12、线图（坐标用气流速度m/s表征）.与图3纯气相时塔内明显偏流相比，在上百个实心锥喷嘴的大喷淋下，烟气偏流的情况得到了很好的克服，而且各层喷嘴互相交错、弥补了前一层可能的气流“短路”，因此气液接触效果很充分.可以看出，高温烟气起初以高速的刚性气流冲入吸收塔，但水平速度分量在大喷淋的作用下急剧衰减，还不到塔中心水平动量就消减得很小了，烟气转而垂直向上，和喷淋液呈逆向流动.与图3相比，图5中底层喷淋上部的烟气速度已趋向一致，烟气偏流导致的高速区也消失，气相在塔中的“充满度”明显提高，消除了大部分旋涡；并且吸收塔出口处的气流速度也非常均匀.烟气在截面.上分布均匀，在塔内的停留时间也越长，使气液接触效果

13、趋好.7.ei5.703.80I .90OU速 Jit/ in s气液两相流情况下的气相场流线图6为气液两相流情况下纵向中心截面的压力分布图.可见，由于整流效果良好，因此烟气入口轴线以上的区域基本可视作平推流，即截面上的速度差异已经很小，可以认为基本只有垂直向上的速度分量.此时，压力分布云图上的等压线和烟气流动方向基本垂直.随着烟气向上流动，静压逐渐降低.7j/PaO-50- 1()0一 1 so一 200一 250-300-350-400-450-550图6气液两相流情况下纵向中心截面的气相压降图6中在吸收塔的右下侧有个压力最高区，对比图5可知，这是由于一部分烟气进入吸收塔后转而向下，朝浆液

14、池冲去，受阻后又向上运动，致使在烟气入口对面的浆液池上部产生一个高压区.质量浓度/(kg - m1)15.013.512.010.59.07.56.04.53.01.507 吸收塔内的离散相（液和）的质量浓度分布图7为纵向中心截面的离散相浆液滴浓度分布（4层喷淋）.图中红色区域为纵向中心截面正好经过的喷嘴的出口浓度，由于恰为喷嘴的中心，因此离散相浓度最高,而对各喷嘴来说，沿喷射方向离散相浓度逐渐降低（这在图7最上两层喷嘴表现得尤为明显），这显然是喷嘴雾化和液滴扩散的体现.由图7可见，底层喷淋以下的浆液高质量浓度区域范围最大，因为各层喷淋的浆液最终都叠加到喷淋塔下部；沿轴向向上则逐层降低，顶层喷淋的浆液滴质量浓度最低，这和实际情况是吻合的.由图7还可发现，在烟气入口处形成了一个斜向下呈“带状”的液滴质量浓度高值区.这主要是由于原烟气的高速冲入，使得浆液滴改变原先垂直下降的轨迹，而产生一个水平侧向的动量；同时.，也因为高温烟气将一部