（热能工程专业论文）600mw湿法烟气脱硫塔内部流场数值模拟研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文6 0 0 m w 湿法烟气脱硫塔内部流场数 值模拟研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：三塑 e t期：垄坠i ：! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： ”导师签名： ：? 一 r r 。! 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 湿法脱硫技术是目前世界上技术最成熟、使用最为广泛的s 0 2 排放控制技术。 本文应用f l u e n t 软件对6 0 0 m w 机组内隔板喷淋塔进行数值模拟。应用结构化 非结构化混合网格技术，采用标准k 一艿湍流模型描述塔内烟气湍流运动，颗粒轨道 模型跟踪液滴运动，液滴蒸发模型描述液滴在喷淋塔中的受热蒸发过程，随机跟踪 模型模拟颗粒湍流扩散，用s i m p l e 算法对脱硫塔内气液流场情况及不同设计和运 行条件下喷淋吸收塔内的压力场进行了数值模拟，模拟结果表明：圆柱形内隔板喷 淋塔的弧形塔壁使入射烟气形成对称的旋转上升的气流，而且壁面使烟气形成受限 射流；浆液喷淋对吸收塔内烟气流场具有整合作用；喷淋区和进出口区是吸收塔内 压降构成的主要区域。 关键词：内隔板喷淋塔，数值模拟，k 一模型，流场，压力场 a b s t r a c t w e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g yw i t hh i g he f f i c i e n c yi sb e i n ga p p l i e dm o s t w i d e l yf o rc o n t r o lt e c h n o l o g yo fs 0 2a l lo v e rt h ew o r l d i nt h i sp a p e r , t h es p r a ya b s o r b e r w i t hi n n e rd i a p h r a g mb a s e do nt h e6 0 0 m wu n i th a sb e e ns i m u l a t e db yf l u e n t s o f t w a r e b yt h eu s eo fs t r u c t u r a l i z e d n o n s t r u c t u r a l i z e dh y b r i dg r i dt e c h n o l o g y ，t h e s t a n d a r dk 一t u r b u l e n tm o d e lw h i c hd e s c r i b et h ef l u eg a st u r b u l e n tm o t i o ni nt h et o w e r ， t h ed i s c r e t ep h a s em o d e lw h i c ht r a c et h em o v e m e n to fd r o p l e t s ，d r o p l e te v a p o r a t i o n m o d e lw h i c hd e s c r i b ed r o p l e t se v a p o r a t i o np r o c e s s ，d i s c r e t er a n d o mw a l km o d e l w h i c h d e s c r i b et h et u r b u l e n tm o t i o ni nf l u e n tt ot h em o v e m e n to fd r o p l e t s ，t h eg a s - l i q u i df l u i d f l o wf i e l da n dp r e s s u r ef i e l do fd i f f e r e n td e s i g na n do p e r a t i o nc o n d i t i o n i n g si ns p r a y i n g t o w e rw e r es i m u l a t e dw i t ht h es i m p l ec a l c u l a t i o nm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d ： t h ec o l u m na b s o r b e r sa r cf a c ec a nm a k et h es y m m e t r i c a li n g o i n gg a sc i r c u m g y r a t ea n d r e s t r a i n e de f f l u x i o n s l u r r ys p r a y i n gc a nb r i n gi n t e g r a t i o nt of l u eg a sf l o wf i e l di ns p r a y t o w e ls p r a yz o n ea n dt h ei n l e t o u t l e tz o n em a d et h em a i np r e s s u r ed r o pi ns p r a y i n g t o w e r w a n gx u ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e nh o n g w e i k e yw o r d s ：b a f f l e ds p r a ya b s o r b e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，k em o d e l ，f l o wf i e l d ， p r e s s u r ef i e l d t 扣 华北电力大学硕士学位论文目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 1 1 二氧化硫排放现状1 1 1 2 我国二氧化硫污染和酸雨现状2 1 1 3 二氧化硫污染控制状况3 1 2 二氧化硫排放控制技术3 1 3 国内外研究湿法烟气脱硫技术综述6 1 3 1 脱硫塔内流场的实验和模拟研究6 1 3 2 脱硫反应过程的实验研究6 1 3 3 喷淋塔内脱硫反应模型的研究7 1 4 课题背景及研究内容8 第二章石灰石石膏湿法f g d 技术1 0 2 1 石灰石石膏湿法f g di 艺的基本原理1 0 2 1 1 湿法烟气脱硫的物理化学过程1 0 2 1 2 脱硫化学反应原理1 0 2 2 石灰石石膏湿法烟气脱硫喷淋塔工艺流程l l 2 3 典型的石灰石石膏湿法f g d 技术1 2 2 3 1 填料塔1 2 2 3 2 液柱塔1 3 2 3 3 鼓泡塔1 4 2 3 4 喷淋塔1 4 第三章喷淋塔内流动过程的数值计算模型1 6 3 1 气相湍流模型：1 6 3 2 气液两相湍流模型1 8 3 2 1 离散相模拟1 8 3 2 2 颗粒相和气相间的耦合1 9 3 3 液滴蒸发模型2 0 3 4 颗粒的湍流脉动2 l 第四章f l u e n t 对喷淋塔内过程的数值模拟2 4 华北电力大学硕士学位论文目录 1f l u e n t 软件介绍 4 1 1 前处理器g a m b i t 4 1 2 求解器f l u e n t 4 1 3 后处理器t e c p l o t 4 2 模拟对象 4 2 1 模型简化 4 2 2 喷淋塔基本参数 4 2 3 初始条件与边界条件 4 2 4 网格划分 第五章脱硫塔内数值模拟结果与分析 5 1 喷淋塔无内部构件时空塔流场分布 5 1 1 无内部构件时空塔入口烟道流场分布 5 1 2 无内部构件时空塔中心截面流场分布 5 1 3 无内部构件时空塔沿塔高方向流场分布 5 1 4 无内部构件时空塔出c i 烟道流场分布 5 2 喷淋塔有内部构件时空塔塔内流场分布 5 2 1 有内部构件时空塔入口烟道流场分布 5 2 2 有内部构件时空塔中心截面流场分布 5 2 3 有内部构件时空塔沿塔高方向流场分布： 5 2 4 有内部构件时空塔出口烟道流场分布 5 3 喷淋塔内气液两相流场的数值计算结果 5 3 1 塔内离散相流场模拟效果图 5 3 2 加喷淋后塔内的流场分布情况 5 3 3 塔内有喷淋时的流场分析 5 4 塔内的阻力特性研究 5 5 小结 第六章结论 参考文献 致谢 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 2 4 2 4 2 4 2 5 2 5 2 6 2 7 2 7 2 8 2 9 2 9 3 1 3 2 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 2 4 3 4 5 4 6 4 8 4 9 5 0 5 4 5 5 吨 一 乱 一 p 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 二氧化硫是一种无色，具有强烈刺激性气味的气体。s 0 2 主要是含硫燃料，如 煤、燃料油、石油、焦碳等燃烧的产物，而以燃烧化石燃料为基础的火力发电厂， 是世界上最大的s 0 2 排放源之一。据联合国环境规划署( u n e p ) 的统计资料显示， 燃煤产生的s 0 2 占全球每年s 0 2 总排放量的5 0 ，它是产生s 0 2 的最大来源。汽油 和柴油燃烧产生的s 0 2 占总排放量的2 5 3 0 。如果不采取合理的控制s 0 2 排放措 施，其污染必将对人类的健康及社会生存环境造成严重的危害。 1 1 1 二氧化硫排放现状 我国是一个发展中国家，是世界上最大的煤炭生产和消费国。在我国一次能源 和发电能源构成中，煤占据了绝对的主导地位，而且在已探明的一次能源储备中， 煤炭仍是主要能源。据有关专家预测，到2 0 5 0 年，煤在一次能源中所占比例仍在 5 0 以上。这表明在很长的一段时间内，我国一次能源以煤为主的格局不会发生根 本改变。我国煤炭中硫分含量较高，而且含量变化较大，从o 1 - 1 0 不等【lj 。大 量的燃煤和煤中较高的含硫量必然导致大量的s 0 2 的排放，1 9 9 5 年我国s 0 2 排放量 达到2 3 7 0 万t ，超过欧洲和美国，成为世界s 0 2 排放第一大国，之后连续多年排放 量超过2 0 0 0 万t 。图1 1 是我国2 0 0 0 2 0 0 8 年s 0 2 的排放情况。从图中可以看出， 2 0 0 0 年我国二氧化硫排放量为1 9 9 5 万t ，2 0 0 8 年我国二氧化硫排放达到了2 5 4 9 万 t ，比2 0 0 0 年增加2 7 。 营 r 咖 辎 慧 o 年份 图1 - 1 中国s o ：年排放量分布图 华北电力大学硕士学位论文 在我国，电力工业是能源工业的重要组成部分，而电力企业是用煤大户。表1 1 为2 0 0 2 2 0 0 6 年全国及电力二氧化硫排放情况( 注：数据来源于云南节能网) 。 表1 - 12 0 0 2 - - 一2 0 0 6 年全国及电力二氧化硫排放情况 年份 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 全国二氧化硫排放量( 万吨)1 9 2 72 1 5 92 2 5 52 5 4 92 5 8 9 电力二氧化硫排放量( 万吨) 8 2 01 0 0 01 2 0 01 3 0 01 3 5 0 电力占全国二氧化硫排放量比例( )4 2 6 4 6 3 5 3 25 l5 2 1 电力二氧化硫排放绩效( 克千瓦时) 6 16 36 66 4 5 7 从表1 1 中可以看出电力企业二氧化硫排放量逐年增加，从2 0 0 2 年的8 2 0 万t 增加到2 0 0 6 年的1 3 5 0 万t ，增长了1 6 倍，年均增长9 8 。同时占工业二氧化硫 排放量的比例也是逐年升高，至2 0 0 4 年超过了一半，达到5 3 2 。尽管目前节能减 排力度加大，脱硫设施建设进展加快，但2 0 0 6 年电力企业二氧化硫排放量仍然保 持增长态势，占工业二氧化硫排放量的比例达到5 2 1 。 1 1 2 我国二氧化硫污染和酸雨现状 二氧化硫的大量排放必然对环境和人类生活产生极大的危害。酸雨可以使一些 古文物腐蚀；使工业机械锈蚀，缩短使用寿命；使湖泊、河流中沉淀的某些重金属 化合物溶出进入水生生物体内，危害人体健康；甚至使湖泊、河流毁灭；酸雨可以 使土壤酸化，造成农作物大幅度减产；酸雨可损害森林、植被，对自然生态系统造 成严重的危害。 目前，全球有三大块酸雨地区，我国是仅次于西欧和北美的第三大酸雨区。我 国酸雨面积已占国土面积的3 0 以上，因酸雨造成的年总损失为1 3 0 亿元。经专家 测算，每排放一吨二氧化硫造成的经济损失约为两万元人民币( 国外对二氧化硫造 成的经济损失评估为3 0 0 0 美元t ) 。 图1 2 为2 0 0 6 年我国降水p h 年均值等值线图。从图中可以看出，我国的酸雨 主要分布于长江以南、青藏高原以东地区及四川盆地，包括浙江省、江西省、湖南 省、福建省、重庆市的大部分地区以及长江、珠江三角洲地区。但北方工业集中的 大城市如青岛、哈尔滨、北京、天津在夏季大雨和暴雨时，也时常出现酸雨。近年 来，我国酸雨污染程度逐年加重，污染区域逐年扩大，东南半壁广大湿润、半湿润 区均已受到酸雨的危害。 2 华北电力大学硕士学位论文 图1 - 2 全国降水p h 年均值等值线图 1 1 3 二氧化硫污染控制状况 随着环境问题在全球范围内越来越突出，世界各国也纷纷加大了环境治理力 度。许多国家都相应地颁布了关于控制二氧化硫排放的法律法规。美国1 9 7 0 年就 颁布了清洁空气法( c l e a na i ra c t ) ，是最早出台的大气污染物排放控制方面较 为系统的法规。德国1 9 7 4 年颁布了控制大气排放法。目前，我国控制工业污染 的法律体系已经比较完善。而针对大气污染尤其是s 0 2 污染的防治，国家还先后特 别出台了两控区酸雨和二氧化硫污染防治“十五一计划、燃煤二氧化硫排放污 染防治技术政策、关于加强燃煤电厂二氧化硫污染防治工作的通知等政策性文 件。这些政策从各个方面对企业进行约束，也使企业采取措施控制或者减排污染物 的动力增加。结果表明这些政策的推出，收到了明显的成效，但环境保护的任务依 然艰巨。 燃煤电厂是s 0 2 排放大户，各国都加大了其减排力度，采取了很多减排措施， 主要包括：更换燃料、限产关停高硫煤矿、加快发展动力煤洗加工：大力发展清洁 发电技术，逐步降低发电煤耗；关停污染严重的小火电机组；合理布局电厂，实施 “西电东送”战略等。但要实现我国火电厂s 0 2 排放量的控制目标，关键要靠加装 烟气脱硫装置，采用先进的脱硫技术i z j 。 1 2 二氧化硫排放控制技术 自2 0 世纪6 0 年代起，一些工业化国家相继制定了严格的规范和标准，限制煤 炭燃烧过程中s 0 2 等污染物的排放，这一措施极大地促进了s 0 2 控制技术的发展。 据美国环保署( e p a ) 1 9 8 4 年统计，世界各国开发、研制、使用的s 0 2 控制技术已 达1 8 4 种，而目前的数量已超过2 0 0 种。这些技术概括起来可分为三大类：燃烧前 脱硫、燃烧中脱硫及燃烧后脱硫i i 】。 燃烧前脱硫技术主要是指煤炭选洗技术，应用物理方法、化学方法或微生物法 3 华北电力大学硕士学位论文 煤中所含的硫分和灰分等杂质，从而达到脱硫的目的。目前，化学选 数十种之多，但因普遍存在操作过程复杂、化学添加剂成本高等缺点 或中试阶段，尚无法与其他脱硫技术竞争。物理选洗因投资少、运行 广泛采用的煤炭选洗技术。我国的煤炭入洗率一直较低，约为3 0 ， 家中最低的；美国为4 0 以上，英国为9 4 9 ，法国为8 8 7 ，日本 高煤炭的入洗率有望显著减轻燃煤s 0 2 的污染。目前，发达国家正在 技术脱硫降狄的研究，将煤粉通过摩擦电选机，分离出无机质( 主要 燃烧中脱硫技术，即炉内脱硫，是在煤中加入固硫剂，在煤的燃烧过程中，煤 中的硫燃烧氧化，再与煤中的碱性物质或固硫剂反应生成硫酸盐而留在渣中，从而 减少烟气中的s 0 2 浓度。典型的技术史循环流化床锅炉技术、型煤燃烧固硫技术。 燃烧后脱硫技术，即烟气脱硫技术，是在烟道处加装脱硫设备，主要利用各种 碱性吸收剂或吸附剂捕集烟气中的二氧化硫并将其转化为较为稳定且易于机械分 离的硫化合物或单质硫，从而达到脱硫的目的，是目前控制酸雨和s 0 2 污染的最为 有效地和主要的技术。 f g d 技术的分类方法和命名方式有很多，如根据脱硫原理，可分为吸收、吸附 法和氧化、还原法；以脱硫产物的用途为根据，可分为抛弃法和回收法；按照脱硫 剂是否循环使用分为再生法和非再生法：按脱硫剂的种类划分，可分为钙法、镁法、 钠法、氨法、海水法、活性炭吸附等；根据吸收剂及脱硫产物在脱硫过程中的干湿 状态分为湿法、干法和半干( 半湿) 法。湿法f g d 技术，即采用含有吸收剂溶液或 浆液在湿状态下脱硫和处理脱硫产物，该法具有脱硫反应速度快、煤种适应性强、 脱硫效率高和吸收剂利用率高等优点，但普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高及易 造成二次污染等问题：干法f g d 技术的脱硫吸收和产物处理均在于状态下进行，该 法具有无污水废酸排出、设备腐蚀小，烟气在净化过程中无明显温降、净化后严烟 温高、利于烟气扩散等优点，但存在脱硫效率低，反应速度较慢、吸收剂消耗量大 等问题。干法f g d 技术由于能较好地回避湿法f g d 技术存在的腐蚀和二次污染等 问题，近年来得到了迅速的发展和应用。半干法f g d 技术兼有干法与湿法的一些特 点，是脱硫剂在干燥状态下脱硫在湿状态下再生( 如水洗活性炭再生流程) 或者在 湿状态下脱硫在干状态下处理脱硫产物( 如r c f b 、喷雾干燥法) 的f g d 技术。特 别是在湿状念下脱硫在干状态下处理脱硫产物的半干法，以其既有湿法脱硫反应速 度快、脱硫效高的优点，又有干法无污水废酸排出、脱硫后产物易于处理的好处而 受到人们广泛的关注。图1 3 为f g d 技术的总貌，在工程实践中常采用以脱硫剂命 名的工艺流程。 4 华北电力大学硕士学位论文 f g d 技 术 石灰石一亚硫酸钙法 尢 。亚硫i c a c u 3 、c a o , c a ( o h h 钙法 。、 。 喷雾干燥法 尢 。亚硫l1 ，r 、 ， 炉内喷钙、l i f a c 尢 亚硫l l 烟道喷钙法如c d s i 等 尤 。亚硫l 氨一酸法 酸化 j 氨法i n h 3 , 铵盐 。 氨一亚硫酸铵法 无 亚i i r 氨一酸铵法 氧化 。硫 、电予柬e b a 电晕法无 。； r 慨l ，亚硫酸钠循环法热再生 。j 吸f 钠碱法 n a 2 c 0 3 、n a o h 、n a 2 s 0 3 亚硫酸钠法无 。亚 l 一( r l 收钠盐一酸分解法酸化 。浓 法 l 钠盐一石膏法再生反应 。： r 一一 碱式硫酸铝- 石膏法酸化 一 城任筑限铬 一r 4 x 铝法 l 碱式硫酸铝s 0 2 法 热再生 。! 。 氧化镁法 酸化 浓s 金属氧化物法 镀属7 1托h陆垃嚣 热；p t 土。- - 7 。讥 l 氧化砰法 7 蝴 j = - j。c上j!ff - i 簿水、琢刀玎刑乳化 l 海水法i。 l ，r 。碲睨l 活件炭吸附法 吸l ；f t 法“ 分了筛吸附法 r 】 健化氧化法l l 催化还原法 图1 - 3f g d 技术总貌 5 华北电力大学硕士学位论文 1 3 国内外研究湿法烟气脱硫技术综述 1 3 1 脱硫塔内流场的实验和模拟研究 t h o m a s 等【8 】对喷淋塔气液流动特性对吸收塔压降、除雾性能和系统脱硫效率等 的影响进行了综述性分析，提出优化气液流动的观点。 m i c h a l s k i 1 0 - i l l 通过建立喷淋塔内流体动力学模型，对逆流塔和顺流塔内单颗粒 液滴的受力情况进行分析，结合影响压降的分散相浓度和液滴停留时间提出了双参 数( 液滴初始速度和液滴相互影响因子) 阻力模型。 m a r k u s 等【1 2 】在两相流和液滴碰撞理论的基础上建立了多喷嘴喷淋模型，通过分 析颗粒碰撞对液滴粒径分布的影响，提出了在研究喷淋塔流动特性时，应当考虑颗 粒碰撞的影响。 曾芳等【b 】通过应用颗粒轨道模型对水平布置的简易喷淋塔内部流场进行了三 维数值模拟，研究发现喷嘴布置方式及喷淋初始速度对流场有很大的影响。 过小玲等【m 】对装有多孔板的脱硫喷淋塔进行数值模拟研究。计算结果表明，多孔 板对塔内流场、温度场和压力场都有一定的影响，小孔径时流场明显均匀化；引入 喷淋液后，由于喷淋液滴对塔内流场强烈的整流作用，内部速度明显趋于均匀化。 唐志永等1 1 5 】对某电厂2 0 0 m w 机组的喷淋塔进行了空塔模拟，得出塔体形状对 流场具有很大的影响。 耿萍等【1 6 】对3 0 0 m w 机组配套的烟气脱硫喷淋塔空塔的流场进行了数值模拟， 计算结果表明喷淋塔烟气入口角度对烟气流场分布具有很大的影响。 赵拮等【1 7 l 对某电厂3 0 0 m w 机组的喷淋塔进行数值模拟，经研究发现颗粒轨道 模型能够很好地预测喷淋塔内部两相流场。 由文献可知，目前对喷淋塔的流场模拟主要局限于冷态条件，然而烟气温度也 是影响喷淋塔脱硫效率的重要因素之一，因此需要对喷淋塔内部的热态流场进行研 究，从而为喷淋塔塔体结构和塔内部件布置的优化设计奠定基础【4 】。 1 3 2 脱硫反应过程的实验研究 国内外众多学者对脱硫反应过程的研究主要集中在实验研究上，通过建立喷淋 塔实验台，或者针对运行的大型喷淋塔进行实验研究，重点考察二氧化硫的浆液p h 值、液气比、烟气温度等重要操作运行参数对脱除效率的影响规律。 g e r b e e 等【1 8 1 以斯洛文尼亚s o s t a n j 电厂的喷淋塔为研究对象，采用强制氧化的 方式，在烟气流量、持液槽体积、塔径一定的情况下，测量了不同p h 值和l g 下 的脱硫效率。 6 华北电力大学硕士学位论文 k i k k a w a 等【1 9 】通过对实验规模的喷淋塔进行研究，测量了不同类型石灰石下的 脱硫效率和p h 值。 s p a r m a n n 等1 2 0 】研究了v e a gi a n c h w w a l d e 电厂的喷淋塔内的反应过程，主要研 究浆液中固相的沉积、结块和石膏品质。 孔华【2 2 1 建立了实验规模的喷淋塔，塔径0 4 5 m ，塔高3 5 5 m ，烟气流量 1 7 1 6 8 m 3 h ，2 层喷淋层，通过调节浆液量，研究了p h 值、l g 比、烟气温度等操 作参数对脱硫效率的影响。 ：一 李仁刚【2 3 】以实验规模的喷淋塔为对象，研究了喷淋空塔内烟气流速、液气比和 吸收区高度等因素对气相阻力的影响，并且研究了烟气流速对脱硫效率的影响。 邓永强【2 4 】建立了实验规模的喷淋塔，在烟气流速为1 6 3 5 m s ，液气比5 2 0 范 围内，研究了烟气流速和液气比对脱硫效率的影响。 由上述可知，虽然许多学者对喷淋塔进行了实验研究，但是研究结果一般局限 于单因素对脱硫效率的影响，即在其他操作运行条件不变的情况下考虑某个参数变 化对脱硫效率的影响规律。然而脱硫过程是一个复杂的涉及到气液固三相反应的过 程，各个运行操作参数之间都会互相作用，共同影响着脱硫效率，所以单因素分析 具有较大的局限性【4 1 。 1 3 3 喷淋塔内脱硫反应模型的研究 早期对f g d 的过程模拟主要集中在文丘里脱硫塔上【2 6 1 ，这些模型主要建立在 流动力学的研究上，对塔内的化学反应过程的描述比较缺乏，并且很多参数都是采 用经验数据。 m e h t a 等【2 8 】对s 0 2 的气液传质和c a c 0 3 的溶解度进行了研究，得到了以下结 论，二氧化硫的传质受到气相和液相阻力的影响，并且应用近似的表面更新理论来 模拟液相的传质，通过应用膜理论来描述c a c 0 3 的溶解。 d a n c k w e r t s t 2 9 1 认为二氧化硫被水吸收的过程是一个瞬时反应过程，吸收速率可 以通过渗透模型来计算。 郝文阁等【3 l 】为揭示石狄石湿法脱硫体系中喷淋塔内s 0 2 的浓度和脱硫效率的变 化情况，针对喷淋塔内石灰石在气膜控制、气液膜控制和固体溶解控制的3 个不同 阶段，以双膜理论为基础，以单个石灰石颗粒为研究对象，通过石灰石在不同阶段 的转化率和粒径变化，得到s 0 2 在不同阶段脱硫效率随时间的变化规律，建立s 0 2 吸收的数学模型。 李荫堂等1 3 2 】提出了一个喷淋塔设计参数，即平均容积吸收率，其可作为喷淋塔 本体设计的控制指标，并可以确定塔的吸收区高度。运行和设计经验表明，一般喷淋 7 0 2 将 对 石 灰 上 分 内 总 的传质系数建立了液滴吸收气相成份的传质速率模型。通过气液两相之间各个成份 的物量平衡分析，建立了吸收区的控制容积平衡方程。 由文献可知，国内外学者较多地使用双膜理论和表面更新理论来模拟喷淋塔内 脱硫反应过程。虽然许多学者对脱硫反应过程进行了大量的模拟研究，但是针对喷 淋塔的模型研究较少，并且均为稳态模型，并且对于烟气中h c i 含量对脱硫效率的 影响规律研究比较少。 1 4 课题背景及研究内容 喷淋塔是在石灰石( 石灰) 脱硫工艺中应用最为广泛的一种脱硫塔【4 2 1 。本文以 某电厂6 0 0 m w 机组的隔板式喷淋塔作为研究对象，对塔内烟气流动，以及烟气与 液滴的两相流动进行了研究，通过c f d 计算得到塔内气液两相流动的流体动力学特 性及流动规律，为脱硫塔安全经济运行提供设计和运行参数，同时也为我国实现烟 气脱硫装置的国产化，掌握烟气脱硫系统的核心技术提供技术支持。在以往的数值 模拟研究中，考虑塔内构件( 如喷淋管、喷嘴及除雾器等) 对流场的影响较少。本 文在此基础上，研究了加入喷淋管和除雾器的流场分布情况。 本文研究内容： ( 1 ) 利用g a m b i t 软件建立喷淋塔物理模型，并对模型进行计算所需的网格 划分。 ( 2 ) 对脱硫塔内的气相湍流流动、气一液两相流动、液滴蒸发，颗粒湍流脉动 建立数值计算模型。 ( 3 ) 运用f l u e n t 软件对喷淋塔内无构件的流场进行模拟。再对有构件的塔 8 内流场进 ( 4 ) 行数值模 9 华北电力大学硕士学位论文 第二章石灰石石膏湿法f g d 技术 2 1 石灰石石膏湿法f g d 工艺的基本原理 2 1 1 湿法烟气脱硫的物理化学过程 湿法烟气脱硫的物理化学过程的实质是气液两相的吸收反应过程，气液之间的 传质是建立在气液两相流动的基础上的，传质现象伴随两相流动而进行，采用含有 微溶难溶固体颗粒的浆液来吸收烟气中的s 0 2 是一个复杂的气一液一固三相反应过 程。该过程大致分为四个阶段【1 】： ( 1 ) 气态反应物质从气相主体向气一液界面的传递。 ( 2 ) 气态反应物穿过气一液界面进入液相，并发生化学反应。 ( 3 ) 液相中的反应物由液相主体向相界面附近的反应区迁移。 ( 4 ) 反应生成物从反应区向液相主体的迁移。 烟气脱硫装置由吸收塔和氧化浆液池组成。吸收塔是脱硫系统的核心装置，在 塔内将完成气液吸收反应过程，在塔内组织流体流动的目的就是为了促进气液两相 混合和质量传递。氧化浆池的目的在于实现脱硫剂的溶解，中间产物的氧化，脱硫 产物的结晶等一系列复杂的化学过程，进而影响和促进吸收段内气液之间的吸收反 应，而吸收段的气液传质反应过程又影响氧化浆液池中的化学反应过程，两者密切 相联，相辅相成，构成一个统一体，缺一不可p 引。 2 1 2 脱硫化学反应原理 如图2 1 ，为吸收塔各区域化学反应原理图，从图中我们可以分析出脱硫过程 的化学反应步骤如下【4 3 】： 石灰石的溶解过程： c a c 0 3 + 2 h + - , c a 2 + + c 0 2 + h 2 0 s 0 2 的吸收过程： s 0 2 + h 2 0 - - - * h 2 s 0 3 h 2 s 0 3 叶h + + h s 0 3 。( 低p h 值时) ( 吸收区下部) h 2 s 0 3 _ 2 h + + s 0 3 2 ( 高p h 值时)( 吸收区上部) c a 2 + + 2 h s 0 3 - - - - , c a ( h s 0 3 ) 2 c a 2 + + s 0 3 2 - - - c a s 0 3 反应产物的氧化： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 c a ( h s 0 3 ) 2 + 0 2 - - * c a s 0 4 + 2 h 2 0 2 c a s 0 3 + 0 2 - - 2 c a s 0 4 结晶生成石膏： c a s 0 4 + 2 h 2 0 - - - c a s 0 4 2 h 2 0 搠$ 羞 图2 - 1 吸收塔各区域化学反应原理图 2 2 石灰石石膏湿法烟气脱硫喷淋塔工艺流程 两_ 醴o n m h a r m i d j o f l 椭i - f 袁峨投：蒙德鞫 * 、1 师q 聪矗暧 0 c 如n “m 9 0 缸口h 6 , 5 湿式石灰石一石膏法脱硫工艺是一种利用脱硫剂洗涤吸收烟气的二氧化硫工 艺。图2 2 是目前技术较为成熟的脱硫系统工艺流程示意图【4 3 1 。 除尘后的烟气由一侧进气口进入吸收塔，吸收塔内部设有烟气隔板，烟气在上升区 与雾状浆液逆流接触，处理后的烟气在吸收塔顶部翻转向下，从位于吸收塔烟气入 口同一水平位置的烟气出口排至烟气再热系统。在烟气的流动过程中，烟气与喷嘴 喷出的再循环浆液进行有效的接触。脱硫后的烟气通过安装在吸收塔出口水平烟道 上的除雾器后从烟囱排出。吸收了s 0 2 的再循环浆液落入吸收塔反应池，反应生成 物c a c 0 3 被通过氧化风机鼓入的空气强制氧化，生成c a c 0 4 ，继而生成石膏。为了 使浆液池中的硫酸钙保持一定的浓度，生成的石膏需不断排出，新鲜的石灰石浆液 黔 黼稀h 淼裟躯“i l l 然默确 孽罴一 缓缓疆缓缓缓缀缀缪致缓缓缀缓m缪 ，施缓缢笏缀缀籀缀毳 害芏一5 一odq o中文石=v o 竹z 华北电力大学硕士学位论文 需要连续补充，石膏浆液经脱水后得到纯度较高的石膏。 图2 - 2 脱硫系统工艺流程示意图 2 3 典型的石灰石石膏湿法f g d 技术 目前，国外对于灰石石膏湿法烟气脱硫系统的研究比较深入，技术上也日趋 成熟，发展出多种吸收塔型和技术工艺，包括普通喷淋塔、川崎喷淋塔、文丘里喷 淋塔、b & w 合金托盘、鼓泡塔、填料塔、液柱塔、双循环工艺和简易湿法工艺等。 2 3 1 填料塔 填料塔( 见图2 3 ) 是早期的石灰石石膏湿法中较为典型的一种塔型，它是在 吸收塔内设置一般为格栅型的填料，脱硫剂通过分配到头部朝上的各个管口，从管 口流出的脱硫剂落到塔内填料上形成液膜。绝大部分的传质过程是通过烟气与湿液 膜接触在液膜上行成的。通常塔内设置2 3 层填料，每层高度一般为2 4 m 。填料 塔的缺点是：如果运行参数控制不当、p h 值波动较大或氧化不充分时容易结垢，处 理起来比较困难，而且运行维护的工作量和费用也大。随着喷淋喷嘴技术的不断发 展，这种塔型近几年已不大被采用【l 】。 1 2 华北电力人学硕士学位论文 2 3 2 液柱塔 图2 - ：3 填料塔示意 液柱塔( 见图2 4 ) 是在氧化槽上部安装向上喷射的喷嘴，循环泵将石灰石浆 液打到喷管，再由喷管上安装的自清洗喷嘴喷出【i 】。烟气和浆液可采用并流、对流 和错流多种组合形式，吸收塔可采用单塔式或双塔式。吸收塔从向上的喷嘴喷射高 密度浆液，高效率地进行气液接触，大量的液滴向上喷出时液滴与烟气的接触面积 很大。液柱顶端速度为零，液滴向下掉落时与向上的液滴碰撞，形成很密的更细的 液滴，加大气液接触。由于液体在向上喷出时，形成湍流，所以s 0 2 的吸收速度很 快。喷射出的浆液及滞留在空中的浆液与烟尘产生惯性冲击，因而具有极高的除尘 性能，液柱喷射形式见图2 5 。液柱塔喷嘴见图2 - 6 。 c l 捧螺嘎i 1 1 日 豫霉馨 撅j i 丸j ? 蚤 图2 - 4 液柱塔示意 1 3 难。但鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，股效率较低。 液体 p t 体 ，上、 气体 、， 、弋觥 图2 7 鼓泡塔反应器 ，既 刁o 泡塔 无困 2 3 4 喷淋塔 喷淋塔是在吸收塔内布置几层喷嘴，脱硫剂通过喷嘴喷出形成液雾，通过液滴 与烟气的充分解出来完成传质过程，净化烟气，这是应用最多的塔型。根据燃煤含 硫量、脱硫效率等，一般在脱硫塔内布置两层以上喷嘴，每层之间一般在1 5 m 2 m 左右。喷嘴形式和喷淋压力对液滴直径有明显的影响，减少液滴直径，可以增加传 质表面积，延长液滴在塔内的停留时间，两者对脱硫效率均起积极作用。液滴在塔 1 4 华北电力人学硕士学位论文 内的停留时问与液滴直径、喷嘴出口速度和烟气流动方向有关。 逆流喷淋塔是比较常用的湿法脱硫吸收塔，烟气从吸收塔的下部进入吸收塔， 脱硫剂通过上部的喷嘴喷淋成雾滴，烟气逆向与雾滴接触，塔内烟气流速一般为 2 5 4 o m s ，可以使大部分液滴保持在悬浮状态，大液滴一般停留时间为l l o s ，小 液滴在一定条件下处于悬浮状态，在吸收塔出口一般设置两级除雾器，以除去烟气 中携带的雾滴。世界各国丌发了许多各具特色的喷淋塔，图2 8 为典型的喷淋塔示 意图。 图2 - 8 典型喷淋塔示意 1 5 能量方程： 及颗粒运动 化，并忽略 ( 3 1 ) ( 3 _ 2 ) 考碱于) 2 考谛) 协3 ， 因为存在未知的脉动关联项“；“：，方程不封闭。1 8 7 7 年，b o u s s i n e s q 提出的湍 流粘性系数的概念，各湍流扩散项可以表示为： 一p 妒= 鸬( 荨+ 蔷 - 詈以吒 一面2 参考 1 6 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ， h 华北电力大学硕士学位论文 一而2 告考 湍流模型：标准k s 双方程模型 湍动能方程j | ： ( 3 6 ) 掣+ 掣= 毒丝口r k 1 j 堕& r jk j 岍胆却s 。 b 7 ， 扩散方程占： 掣+ 掣= 邻+ 刳外吒c g c ，剐屯p 譬+ 疋 8 ， 式中，f 、，、k 为常数，且f 、，、k = l ，2 ，3 ：为层流粘性系数，鸬为湍流粘度 系数；p 为气体密度；p 为压力；方程中g k 表示由层流速度梯度而产生的湍流动能； g 。是由浮力产生的湍流动能；由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动； c i 。，c 2 。，c 3 。是常量，o k 和盯。是k 方程和s 方程的湍流p r a n d t l 数，瓯和s c 是用户定义 的。 至此，已经得到了封闭的标准k 一占双方程模型，如省去平均号“一 并计入颗 粒作用源项，则可将上述气相三维湍流方程组表达成如下的通用形式： j ( ，矽) = 毒 考 + s ( 3 9 ) 式中痧为通用变量，l 为输运系数，q 为气相自身及相问作用源项。对不同的 变量、l 和s 的表达式见下表3 - 1 。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 表3 - 1 公式( 3 - 9 ) 中各项的含义 方程 矽 ls ， 连续性 方程 loo x 轴向动鼙 一至上旦 锄a 抛。 a抛 2 a ( p k ) 方程 u j p 唾 p 娟秀 一 p 蛆 - 弘礤靠3 班叙苏 砂 c o z - y 轴向动量 o p 。a 抛a 抛。 a 抛： 2a ，小 方程 u j ， 社唾 蔷 i 毒 + 3 却妒j砂叙砂 瑟p 固执 一 ， 。 一 z 轴向动量 一印a i ) u ， a 锄。 a 抛： 2ar 从 方程 u z 够 p 堙i g z i + l 礤麦 i 8 za ) c 砂 瑟 p 两i g z3i g z 妒3 p 唾 湍动能 k g k 一 o k p 嚼 c i g k k 占2 湍流耗散率 g i c i 其中：= + 鸬，鸬= 以七2 e ， 表3 2 所示。 g 。销( 玺+ 刳。各通用常数的取值如 表3 - 2 通用常数取值 经验常数e c l c 2 盯仃e 0 0 91 4 41 9 21 o1 3 需要注意的是，上述湍流模型都是针对充分发展段的湍流才是有效地，也就是 说，该模型只能用于求解湍流核心区的流动。而对于近壁面区，流动情况变化很大， 特别是粘性底层，流动几乎是层流，湍流应力几乎不起作用，因此不能用上面介绍 的湍流模型来求解。工程上可采用壁面函数法来解决这一问题。用一组半经验的公 式( 即壁面函数) 将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量连续起来，这就 是壁面函数法1 4 。壁面函数能够为大多数高雷诺数的边界限制流提供合理、精确的 预测。 3 2 气液两相湍流模型 3 2 1 离散相模拟 在烟气湿法脱硫过程中，始终进行着脱硫剂浆液液滴对烟气的喷淋过程。在这 一过程中，气、液两相之间发生传热、传质，因此，在研究气相流场时，必须结合 1 8 华北电力大学硕士学位论文 有关两相流的理论，将液滴颗粒对气相流体的作用考虑在内。本文用颗粒轨道模型 来描述气液两相流动。 在气液两相流的计算中将液滴颗粒作为离散相，根据作用在颗粒( 液滴，气泡) 上力平衡，可以给出颗粒在l a g r a n g i a n 坐标系下的运动方程： 鲁= 一甜p ) + g ( 砟一p ) 砟+ e ( 3 1 0 ) 式中，5 尚百c o r e ；“为气相时均速度为颗粒速度；帕颗粒密度； p 为流体密度：g 为重力加速度；r e 为相对雷诺数，定义为： r e ：垒! 睦二划( 3 - 1 1 ) 其中，d ，为颗粒粒径；c d 为阻力系数，与雷诺数和颗粒形状有关，可以表示为： c d = q + 惫+ r e a 3 ：( 3 - 1 2 ) 式中，对于球形颗粒，q 、岛为常数，由不同雷诺数范围给出。 等式( 3 1 0 ) 右端的第一项为单位质量颗粒受到的阻力，第二项为颗粒重力与所 受浮力之差，最后一项f 代表颗粒受到的其它作用力。主要包括质量力、热泳力、 布朗力、s a f f m a n 力等。由于在气液两相流中，气体的密度远远小于颗粒的密度， 与颗粒本身的惯性相比，这些力均很小，可忽略不计。 3 2 2 颗粒相和气相问的耦合 图3 - 1 离散相与连续相之间的热量、质量与动量交换 1 9 的作用，图3 1 示意 离散相的动量值。颗 ( 3 - 1 3 ) 离散相的热量值。当 ( 3 - 1 4 ) m 。为控制体内的颗粒平均质量：m 。颗粒初始质量；c 。颗粒比热容：a l 为 控制体内颗粒的温度变化；a m 。为控制体内颗粒的质量变化；h 。为挥发份析出潜热； h 。，为挥发份析出时热解所需热量：c 。，为析出挥发份的比热；瓦为离开控制体颗 粒的温度；t r o f 为焓所对应的参考温度；t h 。为跟踪颗粒的初始质量流率。 质量交换。当颗粒穿过每个模型的控制体时，通过计算颗粒的质量变化来求解 连续相传递给离散相的质量值。颗粒质量的变化值可简写为： 3 3 液滴蒸发模型 a m ， m = 上历f ，o m p , o ( 3 1 5 ) 本文为研究液滴在喷淋塔中的受热蒸发过程，所用的计算公式按如下假设【4 j ： ( 1 ) 假定液滴为球形，蒸发过程中均为球对称的：