湿法脱硫喷淋塔空塔流场数值模拟
湿法脱硫喷淋塔空塔流场数值模拟
唐志永1,仲兆平1,孙克勤2,周山明1,金保升1
(1.东南大学“洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室”东南大学热能工程研究所,江苏南京 210096;
2.江苏省电力设计院,江苏南京 210029)
摘 要:利用fluent 软件对喷淋塔空塔的流场进行三维数值模拟。在计算中选择k -ε模型作为计算模型,用SI MP LE 算法进行计算。计算结果表明喷淋塔形状对流场有很大的影响,此结果对现场运行以及喷淋塔的优化设计有一定的指导作用。 关键词:喷淋塔;fluent 软件;数值模拟;k -ε模型;SI MP LE 算法
中图分类号:TK 22 文献标识码:A
收稿日期:2003
-01-02
1 前 言
喷淋塔是气液反应工程中的常用设备。用于脱硫工程的喷淋吸收塔如图1所示,石灰石浆液通过循环泵送至塔中不同高度布置的喷淋层的喷嘴。浆液雾从用耐磨材料制成的喷嘴向下喷出形成分散的小液滴并往下掉落,同时,烟气逆流向上流动,在此期间,气液充分接触并对二氧化硫进行洗涤
。
图1 喷淋塔
影响喷淋塔设计和喷淋塔的脱硫效率的关键因素是塔内复杂的流场,对于喷淋塔这一反应器,仅靠试验难以揭示塔内的流场情况,因此数值模拟在认识喷淋塔气体流动规律与指导设计、放大上起着重要的作用。
Fluent 的软件设计基于“CFD 计算机软件群的
概念”,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适
合于它的数值解法在计算速度,稳定性和精度等各方面达到最佳。从而高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题。fluent 对付工程问题,尤其是边界形状复杂的问题有它自己的优势,特别是gambit 生成非结构化网格很方便。而且fluent 收敛很快。
本文利用fluent 软件对喷淋塔空塔的流场进行三维数值模拟。采用k -ε模型建立数学模型,选择显示差分格式,用SI MP LE 算法进行计算。
2 喷淋塔基本参数
进口烟气速度16.13m/s 烟气温度110.4℃密度0.9292kg/m 3定压比热 1.07k J/kg ?℃进口压力275mmH 2O 出口压力
104mmH 2O
3 喷淋塔空塔流场三维数值模拟
根据流体流动的理论,喷淋塔内的流动是三维湍流问题,由于湍流的复杂性,通常需要借助合适的湍流模型。由于k -ε模型考虑了对流和扩散对脉动速度的影响,因此被运用于计算有回流的流动及三维边界层流动。由于喷淋塔内存在回流,且计算区域较多,我们采用的是应用比较多的湍流模型是K-ε两方程模型。因为其有一定计算精度且计算
量较小。本处理采用的是SI MP LE 算法求解脱硫塔内的流场分布。
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01?文章编号:1001-5523(2003)02-0010-03
能源研究与利用2003年第2期
4 计算结果
4.1
喷淋塔内的流场总观视图
图2 塔内流场从三个不同角度的流动视图
流场视图二可以看出烟气经隔板后向下流动的流场分布,由上向下逐渐收缩的一个过程,这是由于该处流经的横截面是半圆形,由于其圆形边界的约束,边界层和塔壁阻力的影响的缘故。4.2
横截面处的流场分布
图3 塔内流场截面流动视图
截面视图一为塔内距浆液面高度1.6mm 流场视图;当烟气由塔进口进入塔内时,烟气扩容,形成一个逆时针的漩涡。由于进口速度分布的不均匀(在内侧速度很大,速度约为30m/s 左右,右下角形
成一个逆时针的大涡),内侧壁的流场继续保持原有的运动态势,没有较大的偏流,碰到隔板后产生回流,在此处形成强烈湍流区,漩涡在靠近塔壁时速度较大,约为10m/s 左右。沿逆时针塔壁方向烟气由于边界层作用,速度逐渐降低。当烟气沿塔壁回流至进口处时速度仍然很大,约为8m/s 左右,在进口处与进口烟气发生碰撞,湍流程度加大,在塔壁与进口的交界处产生边界层脱离,沿涡漩方向进入涡漩,影响了整个涡漩的流场分布,使涡漩的湍流程度加大。
截面视图二为塔内距浆液面高度4.05m 流场视图;此处截面截取得进口速度截面,在内侧壁处高速烟气区比图1的高速烟气区的平均速度大很多,约为20m/s 左右,因此影响结果比截面视图一更明
显。
截面视图三为塔内距浆液面高度6.5m 流场视图;此处截面截取得进口速度截面为烟气进口截面的上端高速区,速度极大约为40m/s 左右,且在整个靠近上壁面处速度分布较均匀,由于其速度的强势作用,此截面的漩涡较小,但速度较高,流线也更为密集
。
图4 塔内流场截面流动视图
截面视图一为塔内距浆液面高度10.1m 的横截面流场视图;在该截面处有一个极大的漩涡,在左侧部位由于沿塔壁的边界层脱离,流场发生偏移,进入漩涡,形成一个局部的涡流。相比较于大涡,该涡流的速度大,流线密集,有较好的湍流效果,这是由于进口烟气在塔内形成逆时针涡漩,该截面涡漩的
产生正是由于进口烟气的涡漩上升所引起的。
截面视图二为塔内距浆液面高度12.6m 的横截面流场视图;在该截面处涡漩达到稳定,分布较为均匀,沿塔壁边界层脱离的部分已经扩散的稳定,该处形成的涡流湍流程度降低,与大涡较好的融合。
截面视图三为塔内距浆液面高度16.1m 的横截面流场视图;该截面处的流场分布相当均匀,平均速度在13m/s 左右,在此处烟气混合得较为均匀,烟气的流动达到均匀。4.3
烟气进出口流场分布
图5 喷淋塔出口速度场
喷淋塔出口速度场,形成两个逆向的涡;上端的
?11?能源研究与利用
2003年第2期
极小区域烟气速度较高,达到30m/s ,而其他区域的速度则较为平场,两涡的速度差别不大。由于出口管太短,没有反应其应有的流场,对于sim ple 算法而言,有其的应用局限,应将出口管延长(理想的为无穷远)
。
图6 喷淋塔进口面的流场视图
喷淋塔进口面的流场视图,在靠近上壁面处和左上角一小块区域烟气速度很高,速度约为35～40m/s 之间,速度最大处位于左上角区域,速度在40m/s 以上,其速度方向沿管道方向。烟气在截面
右下角形成一个逆时针大涡,从涡外到涡内的速度变化约为30～3m/s 之间。4.4
纵截面流场分布
图7 塔内流场剖面流动视图
喷淋塔轴剖面视图一:喷淋塔在出口方向剖面;在塔内可以看出明显的涡漩;在塔内中部形成一个涡漩,整个烟气呈逆时针旋转上升,在塔两侧的烟气流速最高,静压最小;由于迎风面烟气流量大,使塔内上升气流的中心向后壁推移。同时,在塔内前半部形成一个较大的回流区,使有效通流面积减小;在
塔内径向的空气压力分布是塔壁至塔心压力逐渐减小;烟气经过隔板上面后,汇集成高速气流,速度约为30m/s 左右,到达喷淋塔出口时,由于惯性,发生边界层脱离形成弯流。出口下面的区域由于扩容的作用,形成一个涡漩,但速度较低,约为3m/s 左右,起到气垫底作用。
喷淋塔轴剖面视图二:喷淋塔在进口方向剖面;由于塔内体积的扩容作用,烟气由入口进入时,流场向四周偏移,其高速区域速度逐渐降低,碰塔壁后反弹,形成回流,在此流场中可以看出明显得向上偏移现象,以及在其上侧形成一个明显的低速区,而塔壁侧速度则相对较高,约在10m/s 左右。内部速度较低。
5 结 论
5.1 烟气进入喷淋塔呈旋转上升,湍流程度很大,
有利于气液很好的混合,提高脱硫效率;
5.2 上文所得到的结论和现场运行所出现的问题
基本吻合,这说明应用k -ε模型用于脱硫塔流场的计算,从理论上对脱硫塔流场作出预报是可行的;5.3 Fluent 可以随时调用任何截面的流场图,这样
使结果清晰明朗,易于监测;
5.4 以流体力学理论为指导,用fluent 软件描述喷
淋塔流体力学特性,模型的计算值能较好地符合实验数据,能够用于喷淋塔的设计计算。参考文献:
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