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1、计算流体力学软件Fluent在烟气脱硫中的应用0引言烟气脱硫是目前能大规模掌握燃煤造成S 0 2污染最为有效的方法之一，而石灰石一石膏湿 法脱硫技术以其脱硫效率高、汲取剂来源丰富、成本低廉、技术成熟和运行牢靠等优点获得 广泛应用.从气液两相流体力学和化学反应动力学的观点看，脱硫汲取塔内流体流淌的目的 是强化气液两相的混合和质量传递、延长气液两相在塔内的接触时间、增大气液两相的接触 面积并尽量减小汲取塔的阻力.合理的塔内流场分布对提高脱硫效率、降低脱硫投资和运行 成本都具有重要意义.目前，国内外对烟气脱硫汲取塔进行大量讨论，主要采纳试验方法，如讨论塔的阻力特性、 液滴运动速度沿塔高变化和T C
2、A塔内温度场分布等，这些讨论对指导工业应用具有重要意 义，但其结果往往只针对特定的设施或结构，具有较大的局限性.随着计算机技术的快速进 展，计算流体力学（ComputationalFluidDynamic, CFD）已 成为讨论三维流淌的重要方法：周山明等4采用F L U E N T计算空塔和喷淋状态下的 塔热态流场，结果表明脱硫汲取塔入口处流场变化最猛烈、压降损失最大，并依据计算结果 改造来流烟道;孙克勤等采纳混合网格和随机颗粒生成模型对烟气脱硫汲取塔的热态流场进 行数值模拟；郭瑞堂等采纳F LUEN T结合非稳态反应传质一反应理论对湿法脱硫液柱冲 击塔内的流场和S 0 2的汲取进行数值模拟
3、.本文尝试应用FLUENT对某脱硫汲取塔内烟气脱硫过程进行初步数值模拟，通过对内部 流场进行分析验证本文模拟的合理性，进而对脱硫过程中脱硫汲取塔内是否存在湿壁现象进 行深化分析讨论.1基于R A N S求解器的CFD数值模拟方法1. 1掌握方程时均的不行压缩连续性方程和N S方程（RANS方程）如下：a%, Mi ana /du个设叫p dxi网l眄 1 1）式中必明和p都为时均小;3（一丽）.丁诺应 dxj力项.1 . 2湍流模型和多相流模型RNG k.湍流模型供应针对低雷诺数有效黏性的微分解析式，具备数值稳定性好、求解压 力梯度精确以及工程有用等优点，因此本文的数值计算采纳RNGkw湍流模
4、型.多相流模 型采纳欧拉模型.1 . 3 边界条件（1）入口边界条件：采纳速度入口边界条件Vin = V.（2）出口边界条件：采纳出流边界条件.（3 ）物面条件：满意壁面黏附条件，壁面处流体速度与运动边界速度相同.1 . 4 数值离散和求解（1）时间项的离散：采纳直接1阶隐式离散.（2 ）空间项的离散：集中项以中心差分格式进行差分，对流项采纳2阶迎风格式.采纳S I MP L E法处理压力一速度耦合问题，离散方程以G a u s s -S e i d e 1迭代 法求解.2烟气脱硫数值模拟数值模拟对象为某个用于烟气脱硫的脱硫汲取塔，配有喷枪喷射浆液用于烟气脱硫，其脱硫 过程涉及浆液对烟气中有害
5、气体的汲取、浆液中Ca （OH） 2与烟气中硫化物的化学反应 以及浆液的蒸发.考虑到详细计算的时间问题以及实际问题的简单程度，本文作相应简化, 不考虑浆液中C a （OH） 2与烟气中硫化物的化学反应以及实际脱硫过程中的传热蒸发.在 讨论浆液湿壁问题时，本文从烟气及浆液的流动角度（速度分布）进行细致的分析讨论，考虑到实际传热蒸发对烟气湿壁具有很好的抑制作用，因此本文的分析结论偏于保守牢靠.2.1 数值模拟对象汲取塔入口处烟气速度为6m/ s ,喷枪喷射浆液流速度为2 5 m/ s.为便于分析，建立固连于塔体的坐标系，并商定：汲取塔对称面所在的面为x 0 y面，z轴垂直于x 。y面并满意右手法则
6、，汲取塔模型和坐标系见图1 .采纳非结构网格对汲取塔内计算域进 行网格划分，网格数量约为2 0 0万个.图1汲取塔模型和坐标系2.2 流场分析2. 1脱硫汲取塔内部流场分析（1）烟气入口处速度分布匀称，稳定在6m/ s左右；导流板处烟气分布较为匀称；烟气 在进入喷嘴时，由于与高速浆液进行动量交换，速度快速增加到2 Om/ s以上，并显示出如喷枪一样的火焰状喷射轨迹，脱硫汲取塔对称面内烟气速度云 图见图2；脱硫汲取塔内广阔区域速度较小，依据连续性方程，出口处速度应较大，从图2中亦能看到剧增的出口速度.（2 ）喷枪处浆液速度云图见图3 ,显 示出与实际状况相符的火焰状轮廓，在进入脱硫汲取塔内后，由
7、于与烟气混合在一起，脱硫汲取塔内的浆液速度分布几乎与烟气全都.（3）进一步将脱硫汲取 塔内流线示意绘出，见图4,可知脱硫汲取塔内烟气流淌特别简单，烟气在刚进入脱硫汲取 塔内时流淌匀称；而后进入主塔体时形成一对反向旋转的涡对，左边的很大，右边的相比之 下较小但强度很强，并分别向上和向下卷曲延长.导流板处及其上表面均无涡旋，只在趋于 主塔体处形成较强的一次涡和二次分别涡.图2对称面内烟气速度云图图3对称面内浆液速度云图图4 汲取塔内部流线示意2. 2. 2 三喷枪及导流板局部流场分析(1 )浆液喷射轮廓大于烟气，接近实际喷枪，喷射角度近6 0,参加烟气流淌，在脱硫 汲取塔内形成涡旋.(2 ) 3组
8、喷枪所在区域的浆液与空气流场完全全都，选取对称面进行流线分析，绘出浆液 空气流线图.因t e c p 1。t中流线是起点式绘制，而喷枪出口轮廓的起点皆为分别点, 故起点处流线也各个分别，喷枪所在位置处速度云图和流线示意见图5 .图5 喷枪所在位置处速度云图和流线示意(3)导流板处速度分布匀称且未形成涡旋，表明设计的导流板导流效果显著.综上所述，从脱硫汲取塔整体及喷枪局部速度云图和流线可知，FLUEN T具备较好的模 拟脱硫汲取塔在脱硫过程中烟气和浆液流淌的力量.2.3 湿壁状况分析进一步选取较小速度比例给出壁面浆液速度云图，以分析可能的浆液湿壁现象，图69为 中间喷枪和左右2个喷枪在y 0 z
9、面内和相应x 0 z面内的速度云图.由图6和7可知，左 右2个喷枪喷出的浆液流贴近近壁面.进一步截取浆液速度剖面进行分析，在近最大轮廓面 及以下1. 5 m处截取剖面并精细显示速度云图，见图8和9 .可知，左右2个喷枪喷射的 浆液流速度在近壁面处达到36 m/ s ,而从整体流线图看出塔内存在涡旋，考虑到实际 喷枪出流速度大于2 5m/ s时将会使火焰喷射轮廓更大进而射到塔壁上，因此该脱硫汲取 塔的设计方案有可能消失湿壁现象.建议将左右喷枪挪向中部，并收缩喷枪所在管道直径, 增加喷枪数量.6 2,二面 07第3喷怆所 ,二百浆液速度云图处桨族速度7；田由8 近最大轮廓面受浆液速度云图S 9近9
10、大轮吊面1.5 m处浆液速度云图处浆液速度云图X3结论基于商业软件F LUENT采纳多相流模型针对脱硫汲取塔内烟气脱硫过程进行初步模拟, 建立基于RANS方程的烟气脱硫多相流数值模拟方法.通过对脱硫汲取塔内部和喷枪局部 处流场进行分析，模拟得到浆液和烟气在脱硫汲取塔内的流淌规律.从模拟结果看，本文建 立的方法可行.通过对可能的浆液湿壁现象进行分析，认为此种脱硫汲取塔的设计方案有可 能消失湿壁现象，建议将左右喷枪挪向中部，并且收缩喷枪所在管道直径，增加喷枪数量.下 一步工作将在给定的喷枪速度范围内进行系列计算，综合比较给定湿壁影响区域，为施工设 计供应参考；同时、也考虑在进一步的深化计算中加入传热蒸发模型.