（热能工程专业论文）液柱冲击塔内的流场特性研究.pdf

1j i 尔大学硕十学伊论文 摘要 液柱冲击塔是一种新的湿法脱硫技术，是在液柱空塔的基础上加装了多孔挡 板改造而成的，具备液柱空塔和多孔盘吸收塔的双重优点，是一种理想的脱硫装 置。液柱冲击塔具有脱硫效率高，性能可靠，适应性强，工艺过程的自动控制水 平高，初投资和运行费用较低等特点，非常适用于工业锅炉的烟气脱硫。目前， 对液柱冲击塔的研究刚刚起步，仅进行过实验室规模的试验研究。因此，对大型 化液柱冲击塔进行研究对以后的工业化应用有很大的意义。 本文以f l u e n t 商业软件为平台，对冲击塔的烟气入口倾角、挡板结构、塔 内风速等进行优化模拟，以达到最佳的气液均混效果，为了给大型化液柱冲击塔 设计提供理论依据。 以液柱冲击塔试验台为物理模型，使用欧拉拉格朗日法对塔内气液两相流 动特性进行数值模拟，研究液柱冲击塔的结构参数和操作参数对气液流场的影 响，得出最佳结构参数和运行参数，为液柱冲击塔试验台的搭建提供设计依据。 试验台运行结构表明，系统脱硫效率高，气液混合效果较好，详见万小涛的硕士 学位论文“碱基工业废弃物用于液柱塔湿法脱硫的试验研究”。研究表明：入口 倾角对塔内流动有显著影响，当入口倾角为1 5 。时，塔内的流场与流速分布最佳； 多孔挡板对气流有显著的整流效果，综合多孔挡板对流场的整流效果和塔内流速 等因素，孔隙率为0 5 时，多孔挡板对气流整流效果最优；塔内的最佳气流速度 为3 m s 。 选取某化工厂2 2 0 t h 锅炉湿法脱硫塔为数值计算的物理模型，使用欧拉拉 格朗日法对塔内气液两相流动特性进行模拟，研究塔内流动分布和压力分布，为 化工厂脱硫塔的结构和运行参数进行优化，对冲击塔大型化设计提供理论依据。 研究表明：浆液的喷淋对塔内流场整流效果显著，气流分布均匀，在多孔挡板区 域形成回流区，加强气液间的混合，延长气流在塔内的停留时间；多孔挡板至浆 液液面之间的高度对冲击塔内气液两相分布有显著影响，当多孔挡板与浆液液面 距离为冲击塔当量直径的1 5 6 倍时，塔内气液两相分布较为均匀，效果最佳； 在冲击塔入1 ：3 至多孔挡板之间的湍流区内，随着高度的增加，同一高度层上的压 力趋向均匀化且呈层状分布，而在多孔挡板至出口，气流的压力无明显变化。 关键词：颗粒轨道模型；液柱喷射；气液两相流；湿法脱硫；数值模拟 山东人学硕十学何论文 a b s t r a c t l i q u i dc o l u m ni m p a c tt o w e ri san e wk i n do fw e td e s u l p h u r i z a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y p o r o u sb a f f l ei sa d d e do nt h eb a s i so fl i q u i dc o l u m ne m p t yt o w e rf o rr e c o n s t r u c t i o n i t h a st h ea d v a n t a g e so ff l u i dc o l u m ne m p t yt o w e ra n dp o r o u sp l a t ea b s o r p t i o nt o w e r , a n di so n ek i n do fi d e a ld e s u l p h u r i z a t i o ni n s t a l l a t i o n s f l u i dc o l u m n i m p a c tt o w e rh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hd e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c y , r e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，s t r o n g a d a p t a b i l i t y , h i g hl e v e l o fa u t o m a t i cc o n t r o li nt e c h n i c a l p r o c e s s ，l o wi n i t i a l i n v e s t m e n ta n dr u n n i n gc o s t sa n ds o o n i ti s g r e a t l y s u i t a b l ef o rf l u e g a s d e s u l f u r i z a t i o ni ni n d u s t r i a lb o i l e r a tp r e s e n t ，t h es t u d yo nl i q u i dc o l u m ni m p a c t t o w e ri sj u s t s t a r t i n g ，a n di ts t i l lk e e p se x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi nt h e l a bs e a l e t h e r e f o r e ，i th a sag r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h el a r g e s c a l ef l u i dc o l u m ni m p a c t t o w e rf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n b a s e do nt h ep l a t f o r mo fb u s i n e s ss o f t w a r ef l u e n t , f l u eg a se n t r a n c e a n g l e ， b a f f l es t r u c t u r e ，w i n ds p e e di nt h et o w e rw e r es i m u l a t e da n do p t i m i z e dt o a c h i e v e g o o dg a s - l i q u i dm i x i n ge f f e c t t h i sw o r kw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g n o fl a r g e s c a l ef l u i dc o l u m n i m p a c tt o w e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a s - l i q u i df l o ww e r es i m u l a t e d b yu s i n ge u l e r - l a g r a n g e m e t h o d ，a n di tt o o kf l u i dc o l u m ni m p a c tt o w e ra st h ep h y s i c a lm o d e l t h ei m p a c t so f t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp a r a m e t e r so ff l u i dc o l u m ni m p a c tt o w e r t ot h eg a s 1 i q u i d f l o wf i e l dw e r es t u d i e d t h eb e s ts t r u c t u r ea n do p e r a t i o np a r a m e t e r sf o rf l u i dc o h l m n s h o c kt o w e rw e r ec o n c l u d e d ，w h i c hp r o v i d e dt h ed e s i g nb a s i sf o rt h ec o n s t m c t i o no f t h ee x p e r i m e n tr i g t h et e s t r u n n i n gs t r u c t u r eo ft h ee x p e r i m e n tr i gs h o w e dt h a t s y s t e mh a dh i g hd e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c y , g o o dg a s - l i q u i dm i x i n ge f f e c t ，p l e a s es e e ”b a s e sf o ri n d u s t r i a lw a s t ef l u i dc o l u m nt o w e rw e td e s u l p h u r i z a t i o n e x p e r i m e n t r e s e a r c h ”p a p e rf o rd e t a i l r e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ee n t r a n c ea n g l eh a ds i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h et o w e rf l o w w h e nt h ee n t r a n c ew a s15 。，t h ef l o wf i e l di nt h et o w e r a n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw e r et h e b e s t ；p o r o u sb a f f l eh a ds i g n i f i c a n tr e c t i f i c a t i o n e f f e c to na i r f l o w w h e nt h ep o r o s i t yf a c t o rw a s0 5 ，t h ei n f l u e n c ew a st h eb e s tb y s y n t h e s i z i n gf a c t o r sl i k et h er e c t i f i c a t i o ni m p a c to fp o r o u sb a f f l eo nt h ef l o wf i e l d ， i l 山东人学硕十学何论文 f l o wv e l o c i t yi nt h et o w e ra n ds oo n t h eb e s ta i r f l o wv e l o c i t yf o rt h et o w e rw a s 3 m s s e l e c t i n gaw e td e s u l p h u r i z a t i o na b s o r p t i o nt o w e ri n2 2 0 t hb o i l e r si nac h e m i c a l p l a n ta st h ep h y s i c a l m o d e lf o rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , t h i sp a p e rd i dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o no ng a s 1 i q u i dt w op h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s i n s i d e t h et o w e rw i t h e u l e r - l a g r a n g em e t h o d ，s t u d y i n gt h ef l o wa n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，w h i c hp r o v i d e d t h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r a la n do p e r a t i o np a r a m e t e r so ft h e d e s u l p h u r i z a t i o nt o w e ra n dl a r g e - s c a l ed e s i g no fi m p i n g e m e n tt o w e r s i nc h e m i c a l p l a n t s t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a t ：s l u r r ys p r a y e f f e c t e ds i g n i f i c a n t l yo n r e c t i f i c a t i o np e r f o r m a n c ei n s i d e t h et o w e rw i t hu n i f o r ma i rd i s t r i b u t i o n r e f l u x o c c u r r e da tt h er e g i o no ft h ep o r o u sb a f f l e ，s t r e n g t h e n i n gt h em i x i n gb e t w e e ng a sa n d l i q u i d ，a n dp r o l o n g i n gt h er e s i d e n c et i m eo ft h e a i rf l o wi nt o w e r t h eh e i g h tb e t w e e n t h ep o r o u sb a f f l ea n dt h es l u r r yl i q u i ds u r f a c ee x c e e ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e g a s 1 i q u i dt w op h a s ed i s t r i b u t i o ni n s i d et h ei m p i n g et o w e r ；w h e n t h eh e i g h tw a s1 5 6 t i m e so ft h ee q u i v a l e n td i a m e t e ro ft o w e r , t h eg a s - l i q u i dt w op h a s ed i s t r i b u t i o ni nt h e t o w e rw a s m o r eu n i f o r m ，w h i c hm a d eb e t t e rp e r f o r m a n c e w i t ht h eh e i g h ti n c r e a s i n g ， t h ep r e s s u r et e n d e dt ob eu n i f o r ma n ds h o w e dal a m e l l ad i s t r i b u t i o na tt h es a m e h e i g h tl e v e li nt h et u r b u l e n tr e g i o nb e t w e e nt h et o w e re n t r a n c ea n dt h ep o r o u s b a f f l e ， w h i l et h ea i rp r e s s u r es h o w e dn os i g n i f i c a n tc h a n g e si nt h er e g i o nb e t w e e nt h ep o r o u s b a f f l ea n dt h et o w e re x i t k e yw o r d s ：p a r t i c l eo r b i t a lm o d e l ；f l u i dc o l u m ni n j e c t i o n ；g a s _ l i q u i dt w o p h a s ef l o w ； w e td e s u l p h u r i z a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 山为：人硕1 f 。学位论文 i v 符号表 动力粘度系数，p a s 导热系数，w ( m 目 平均温度， 湍动耗散率 湍流粘度，p a s 流体相速度，m s 颗粒速度，m s 流体密度，k g m 3 颗粒密度，k g m 3 颗粒直径，m m 雷诺数 平均直径，k g m 3 分布指数 法向速度分量，m s 切向恢复系 入口速度，m s 水力直径，m 湍流强度 入口倾角， p 九 一 s 以 材 p 砟 乃 贴 一d n 巳 形 现 。 q 山东大学硕十学伊论文 1 1 课题的研究背景 1 绪论 目前我国二氧化硫排放总量已大大超过环境的自净能力，近1 3 的国土受到 酸雨的严重影响 1 1 。二氧化硫排放量与煤炭消耗量有着密切的关系，随着燃煤量 的增加，燃煤排放的二氧化硫不断增长，2 0 0 6 年我国s 0 2 排放达到最高值，为 2 5 8 9 万吨。 表12 0 0 2 2 0 0 9 年二氧化硫排放情况 从二十世纪七十年代我国开始对酸雨进行监测，八十年代中期对典型区域酸 雨进行研究，九十年代初对酸沉降进行研究并着手进行酸雨的防治，对燃煤烟气 脱硫技术和设备进行攻关研究【2 】o 2 0 0 2 年1 月3 0 日国家环保总局、国家经贸委、科技部批准发布燃煤二氧 化硫排放污染防治技术政策( 环发 2 0 0 2 1 2 6 号) 。主要对窑炉、工业锅炉和电厂 锅炉以及局部地区环境污染有显著影响的其它燃煤设施进行控制。推行节约并合 理使用能源、提高煤炭质量、高效低污染控制要求，减少二氧化硫排放。所采取 的技术路线是：电厂锅炉、大型工业锅炉和窑炉使用中、高硫分燃煤的，应安装 烟气脱硫设施：中小型工业锅炉和炉窑，应优先使用优质低硫煤、洗选煤等低污 染燃料多其他清洁能源；城市民用炉灶鼓励使用电、燃气等清洁能源或固硫型煤 代替原煤散烧。对燃用中、高硫煤的电厂锅炉必须安装烟气脱硫设施进行脱硫1 3 j 。 i i j 东大学硕十学何论文 从表1 中可以看出，近年来，燃煤电厂二氧化硫排放量占全国工业二氧化硫 排放量的5 0 左右。随着环保政策的越来越严格，大型火电厂纷纷安装烟气脱硫 设施，电力二氧化硫排放得到很好的控制。因此，削减和控制燃煤特别是工业锅 炉燃煤s 0 2 污染，是我国能源和环境部门面临的严峻挑战。开发脱硫效率相对较 高、投资成本相对较低的工业用脱硫装置则显得非常重要。 液柱冲击塔是一种新的湿法脱硫技术，是在液柱空塔的基础上加装了多孔挡 板改造而成的，具备液柱空塔和多孔盘吸收塔的双重优点，是一种理想的脱硫装 置。液柱冲击塔具有脱硫效率高，性能可靠，适应性强，工艺过程的自动控制水 平高，初投资和运行费用较低等特点，非常适用于工业锅炉的烟气脱硫。 为了对液柱冲击塔有更好的认识，以下对喷淋空塔，喷淋多孔托盘吸收塔， 液柱空塔等塔型的结构特点、工作原理和优缺点进行比较。 1 2 脱硫技术综述 塔式湿法脱硫工艺系统通常包括：烟气系统、s 0 2 吸收系统、吸收剂制备系 统、石膏脱水及贮存系统、工艺水系统、废水处理与排放系统、控制系统等。不 同公司的脱硫设备大同小异，主要差别在于脱硫塔的形式和结构 4 1 。 1 2 1 喷淋空塔的工艺和结构 石灰石灰石湿法烟气脱硫装置中应用最广泛的是喷淋空塔，塔体的横断面 一般为圆形或矩形。图1 1 为喷淋空塔典型的结构布置图。 ( 1 ) 结构特点： 反应罐是整个塔体的基础，是收集与烟气冲刷后下落浆液的容器。一般将塔 体和反应罐设计成一个整体，将除雾器垂直布置在吸收塔出口水平烟道或水平横 跨的布置在吸收塔的顶部。由于粒径较小的液滴容易被高速烟气携带出吸收区， 当携带液滴的饱和烟气进入除雾器后，液滴被截留下来。 山东大学硕+ 学位论文 图1 1 喷淋空塔 ( 2 ) 工作原理： 烟气从下部入口烟道进入塔体，向上流动，数层喷淋管网布置在在塔体中部， 脱硫浆液由浆液泵泵入喷淋管网经喷嘴喷射出雾状液滴，散布在整个塔体内。 每层喷淋管网布置足够多的喷嘴，保证每一层的喷嘴喷射出的液滴能完全覆 盖整个吸收塔的端面。采用母管制对各层的喷淋管网进行供浆，通常一台循环浆 液泵对一层喷淋管网进行单独供浆，可以根据燃煤含硫量、机组负荷和不同工况 下所要求的机组脱硫效率来对浆液泵投运台数进行调整，从而达到节能的目的； 或按满负荷工况设置一台备用浆液泵，以备燃用高硫煤时保证机组脱硫效率。 ( 3 ) 优缺点： 喷淋空塔的优点主要是塔内结构简洁，压损小，不易结垢和堵塞，检修工作 量小，浆液液滴雾化效果好，脱硫效率高。不足之处是，其对喷嘴的制作精度， 耐磨和耐腐蚀性要求高，浆液循环泵能耗高，除雾较困难，且气流分布对脱硫效 率的影响较大。 1 2 2 喷淋多孔托盘吸收塔的工艺和结构 喷淋多孔托盘吸收塔是在传统的喷淋空塔的基础上加装一个多孔托盘改造 而成的。图1 2 给出了喷淋多孔托盘的结构布置图。 东大学硕十学伊论文 除雾暑 喷湃母 托盘 清洁烟气 多孔托盘 图1 2 喷淋多孔托盘吸收塔 ( 1 ) 结构特点： 多孔托盘通常布置在喷淋层的下方，为了确保在接触到多孔托盘之前的烟气 处于完全饱和状态，也可布置在第1 2 层喷淋层的上方，这样即可以避免托盘的 结垢、堵塞，还可以缓和托盘所处的腐蚀环境。托盘上的孔径一般为2 5 4 0 m m ， 孔隙率在2 5 5 0 之间，托盘厚6 m m ，托盘上用3 0 0 m m 左右的隔板将其分割 为若干小块。 ( 2 ) 运行原理： 当烟气压力变化时，托盘上的持液高度可随之自动调整，托盘上持浆液的调 整，反过来又促进了托盘下烟气的均匀分布。运行时，烟气穿过一些孔向进入塔 体的上部空间，与此同时，浆液通过一些孔向下流。由于浆液在托盘上始终处于 湍动状态，因此，烟气和浆液在托盘孔中的流动是脉动式的，脉动频率受托盘下 的烟气压力和持液量共同控制，烟气和浆液间歇的穿过板孔。对逆流托盘上这 类型的流动状态，通常可以描述为：托盘上的浆液是连续相，烟气气流以喷射或 鼓泡的方式通过多孔托盘上的孔洞。 ( 3 ) 优缺点： 烟气以鼓泡的方式穿过多孔托盘上的浆液层，增加了传质面积，其效果相 当于1 1 5 个喷淋层，在燃用高硫煤时效果明显。由于一个多孔托盘在塔内占有 的高度小于一个喷淋层占有高度，在保证脱硫效率不变的情况下，增加一层多孔 4 山东大。硕十学何论文 托盘可以省去一个喷淋层，还可以降低喷淋总流量和脱硫塔总高，节省投资成本。 多孔托盘上浆液层对烟气流动的阻力和托盘下烟气压力之间的平衡作用， 可以提高塔内气流的均匀分布。对烟气流量大，二氧化硫浓度高或脱硫效率要求 高的设计条件下，塔内液气比和烟气的均匀性则显得尤为重要。 通常靠近塔壁附近的喷淋密度较低，一方面为了减少喷淋浆液对塔壁的冲 刷，还可以减小塔壁对喷淋液滴吸附的趋势。因此，在塔壁附近，喷淋液滴对烟 气的洗涤效果较差。托盘可以驱使气流流向塔中心区域，对二氧化硫浓度较高的 烟气有很好的洗涤效果。 多孔托盘的加装增加了塔内构件，增加了结垢和堵塞的可能性。 1 2 3 液柱塔的工艺和结构 氯 出泵泵 图1 3 顺逆流组合式双接触液柱塔 ( 1 ) 结构特点： 图1 3 给出了液柱塔的结构布置图。为了方便布置喷浆管，液柱塔塔体的截 面通常为矩形。喷浆管一般布置在反应罐的上部，浆液由循环浆液泵泵送至喷浆 母管经喷嘴向上喷出，形成液柱状。由于喷嘴不能重叠，平行插入塔内的喷浆支 管一般布置为单层或双层错位布置。喷嘴一般用陶瓷制成，和喷嘴法兰、橡胶座 构成一个整体，通过螺栓固定在喷座上。电厂液柱塔喷嘴分布密度一般为 4 1 0 _ 4 1 7 个m 2 ，喷口内径为3 9 5 m m 。 5 山力：人。7 ：硕十学位论文 ( 2 ) i 作原理： 在塔内密布下落的液滴与上喷的液柱之间发生剧烈的碰撞和扰动，并形成一 个稠密的液滴层，从而获得较大的气液接触面积。当烟气气流到达喷嘴附近时， 由于喷嘴喷射的浆液初始流速很高，在其周围形成负压，烟气被高速吸入液柱中 随之向上流动。当烟气通过液柱区时，烟气气流和扰动的浆液形成一个强烈的混 合区，产生了气液密切接触的效果。气液之间的湍动和相对速度的提高使液膜和 气膜厚度减薄，两相之间的接触面可以很快的更新，可以显著的提高传质速率。 由于喷嘴喷射出去的浆液呈现液柱状，散落塔内的液滴的平均直径比喷淋塔 内的大的多，其传质效果主要取决于气液之间的相对速度和液柱高度。也由于散 落的液滴粒径相对较大，因此在液柱塔内可以采用较高的流速。在液柱到达最高 点与第一级除雾器端面之间要留有3 - 4 m 的空高，在此空间，悬浮液滴和烟气充 分混合，使有效吸收区域延伸至除雾器端面。 ( 3 ) 双接触液柱塔的特点： 液柱塔属于空塔，塔内结构简洁，可实现无垢运行。 传质效率高，当入口二氧化硫浓度为3 7 0 0 p p m 时，脱硫效率不低于9 5 ； 且除尘效果好。 采用陶瓷喷嘴，磨损很小，压损小，吸收塔循环泵的电耗相对较低。喷浆 管布置在塔体下部，便于检修。 为保证液柱的均一性，采用母管制。通常机组负荷改变时，浆液循环泵的 投运台数不能随之改变。当投运台数减少时，母管压力降低，液柱高度明显降低， 脱硫效率明显降低。当液柱高度低于6 m 后，脱硫效率下降较快。 喷嘴口的水平度要求很高，倾斜的液柱有可能造成液柱间明显的间隙。通 常要求所有喷嘴正常运行，即使一个喷嘴被堵塞，也会造成明显的间隙，易造成 气流短路逃逸。 与填料塔和喷淋空塔相比较，液柱塔的总压损要高得多，这主要是由于由 密布液柱构成的吸收区对烟气的阻力较大；塔内的烟气和上喷液柱的相对速度较 高；双塔的烟气流程成长。塔内喷浆管排列密集，虽然可以是喷射的液柱相互搭 接，有利于使烟气均匀分布，但增大了气流的阻力。其总压力甚至较喷淋多孔 托盘吸收塔还要高。 6 山东大学硕十学伊论文 1 2 4 液柱冲击塔的工艺和结构 多孔挡板 烟气入口 清洁烟气 q , q - q , o 溺 o - 0 0 0 图1 4 液柱冲击塔 液柱冲击塔是在液柱塔的基础上加装了多孔挡板而形成的。其工作原理为： 浆液经喷嘴向上高速喷出并对多孔挡板进行撞击，一部分浆液反弹形成小的 液滴并在多孔挡板附近的强湍流区大量聚集：另一部分浆液沿多孔挡板形成一层 水膜，当烟气通过多孔挡板时，由于通流面积减小，烟气流速增加并对附着在多 孔挡板孔隙处的水膜高速冲刷成细小液滴。在以多孔挡板为中心的强湍流区，烟 气与雾化液滴形成一个非常复杂的气液两相流场，烟气与浆液充分混合扰动，并 发生脱硫反应。 液柱冲击塔是在液柱空塔的基础上加装了多孔挡板改造而成的，其具有液柱 塔的一些优点。由于多孔挡板的作用，使得一部分浆液反弹形成细小液滴，另一 部分则沿挡板形成一层浆液膜，增加了气液传质面积，又具有了喷淋多孔托盘 吸收塔的特点。 其特点为： 塔内结构简单，采用直流喷嘴，喷嘴磨损小且压损相对较低，循环水泵的 电耗相对较低。 由于多孔挡板的整流作用，塔内气流分布均匀性得到提高。 由于液柱对多孔挡板的冲击，在沿挡板方向形成的液膜对烟气的阻碍，增 加了气液传质面积，降低了浆液流量和液柱高度对脱硫效率的影响。 7 东人。了：硕+ ：学何论文 由于多孔挡板对液柱的阻挡，使得气液两相湍流混合区域较液柱塔明显降 低，使得液柱冲击塔塔高较液柱塔降低，减少设备造价。 由于多孔挡板的作用，液滴粒径明显较液柱塔减小，雾化效果较好，增加 了气液传质效果。 增加了塔内构件，会增加结垢、阻塞的可能性。 总之，加装多孔挡板后，使液柱塔的一些性能有所提高。 1 3 液柱塔湿法脱硫研究和应用现状 日本三菱重工于1 9 8 7 年开始研制双接触液柱脱硫塔，1 9 9 3 年在同本鹿岛南电 厂2 号燃油锅炉湿式石灰石f g d 改造工程中将原双回路填料塔改为单回路逆流双 接触液柱脱硫塔，处理烟气量4 3 1 0 0 0 m 3 h ，这是三菱重工提供的第一套商业双接 触液柱脱硫塔。我国华能珞璜电厂二期工程3 号、4 号f g d 系统采用双回路顺流双 接触液柱脱硫塔，处理烟量为2 9 1 5 5 0 0 m 3 h ，流程为顺、逆流组合塔【4 1 0 由于液柱塔气液传质充分，脱硫效率高，国内众多科研单位和高等院校对其 做了一些研究和探索。 潘利祥【5 】、孙国刚【6 】等对液柱塔的压力特性和流动特性进行试验研究。研究 浆液喷射速度、气流速度和液柱高度的关系，对液柱喷射高度和阻力损失采用非 淹没射流的形式行进计算公式的回归分析，并对整个液柱塔的轴向和径向压力分 布进行测量分析。其认为液柱塔大体上可分为三个区域：气体单向区、气液碰撞 湍流混合区和液柱喷射回流区，其中气液碰撞湍流混合区是发生气液传质的主要 区域。 唐小健 7 】等对液柱塔内的喷嘴布置和排列方式进行研究，分析其对塔内液滴 分布特性的影响和液柱塔液膜的分布规律。试验结果表明：在液柱顶层区域，液 滴速度降为零并大量堆积形成液幕层，约有5 0 的气液之间的传质在此区域进 行；而在塔底和塔顶，液滴密度由于受到液柱本身结构的影响分布不均匀，气液 传质效率较低；通过改变液滴的分布，可以形成多个高强度的液幕吸收层，对液 柱塔脱硫效率的提高有很大影响。 潘羽【8 1 等采用k 一模型、颗粒轨道模型等，对珞璜电厂的顺逆流组合式液 柱塔进行三维流场数值模拟，研究表明塔体形状对流场有很大影响。 8 山豕大学硕十号叫市论文 何苏浩0 1 等对液柱塔内散落的碱性液滴对s 0 2 吸收进行实验和建模，对液 滴的表面更新理论在液柱塔吸收段的使用条件进行了研究，为液柱塔内的气液传 质研究提供了基础数据。 项光明【j l 】等对液柱塔系统进行了更深入的研究，建立了液柱喷射气液传质理 论模型，对气体的吸收、脱硫剂的溶解、中间产物的氧化和石膏的结晶等化学反 应过程进行深入的分析。 清华大学对液滴的射流和雾化机理进行深入的研究，根据液滴形成的随机 性，提出能预测液柱塔液滴粒径分布的最大嫡理论1 2 】。由于液柱脱硫塔内的气 液传质反应主要发生在液幕层，因此，在吸收塔内如何形成稳定的、均匀分布的 液滴密集层对脱硫效率的提高至关重要。 目前，国内对液柱塔湿法烟气脱硫做了系统的研究，清华同方能源公司在南 宁冶炼厂和沈阳化肥厂进行液柱塔的工程应用，从运行情况来看，液柱塔具有高 效率、防结垢和易控制等优点。在齐鲁石化和杭州钢铁集团等地的烟气脱硫项目 进行进一步的工程应用【l 引。 为了进一步改善液柱塔内液滴雾化特性，浙江大学开发液柱冲击塔湿法脱硫 技术。在液柱塔的基础上加装多孔挡板，液柱对多孔挡板的撞击产生细小的液滴， 从而增大了气液间的接触面积，使系统脱硫效率得到提高【l 钔。用p i v 系统对雾 化液滴的粒径分布进行实验研究，得出气流流速、浆液流量、挡板结构和喷嘴与 挡板间距等因素对粒径分布的影响。实验结果表明，雾化后的液滴粒径服从 r o s i n r a m m l e r 分布；当气流流速一定时，液滴平均粒径会随着浆液量增加而增 大；当浆液量一定时，液滴平均粒径会随着气流流速增加而减小；在气流流速和 浆液量保持不变时，喷嘴与挡板间距越小，液滴雾化效果越好。并对喷液量、塔 内风速、气流中s 0 2 浓度、烟气温度、循环浆液p h 值、结构等因素进行了研究， 并给出了最佳运行工况【l s 1 7 1 。 液柱冲击塔是一种新的塔型，是在液柱空塔的基础上加装了多孔挡板改造而 成的，具备液柱塔和多孔盘吸收塔的双重优点。目前，液柱冲击塔仅进行过 实验室规模的试验研究，对其大型化的研究甚少。因此，对大型化液柱冲击塔进 行研究对以后的工业化应用有很大的意义。 计算流体力学软件可以很好的避开实验所带来的高温、易燃易爆等操作难度 9 东- 火学硕十0 ：忙论文 较大的问题，弥补和克服传统实验的缺陷，减少实验次数，缩短研发周期和节约 研究资金，还可以获得大量的局部和瞬时数据，对工程设计和结构优化有很重要 的指导意义1 9 2 0 1 。 为了给工业规模的液柱冲击塔设计提供理论依据，本文利用c f d 模拟软件对 冲击塔的烟气入口倾角、挡板结构、塔内风速等进行优化模拟，以达到最佳的气 液均混效果。 1 4 课题研究的主要内容 本文以f l u e n t 商业软件为平台，以简化后的吸收塔为物理模型，模拟出塔 内气液两相湍流场，并根据其流动及气液混合情况，对塔内结构及操作参数进行 优化，以达到较好的混合效果，为工业规模脱硫设备的设计提供理论依据。 本文研究内容主要包括如下方面： ( 1 ) 以液柱冲击塔试验台为物理模型，使用欧拉拉格朗日法对塔内气液两 相流动特性进行数值模拟，研究液柱冲击塔的结构参数( 入口倾角、挡板孔隙率 等) 和操作参数( 塔内气流速度等) 对气液流场的影响，得出最佳结构参数和运 行参数，为液柱冲击塔试验台的搭建提供设计依据。 ( 2 ) 以某化工厂2 2 0 t h 锅炉湿法脱硫吸收塔为数值计算的物理模型，使用欧 拉拉格朗日法对塔内气液两相流动特性进行模拟，研究塔内流动分布和压力分 布，为工业规模脱硫设备的设计提供理论依据。 1 0 山东大学硕+ 学何论文 2 1 基本控制方程 2 数学模型及计算方法 液柱冲击塔内的烟气和液滴之间的流动为紊流两相流动，气液之间充分混 合，其中，液滴对气流流场有强烈的整流作用。对于所有的流动，f l u e n t 都是求 解质量和动量守恒方程【2 。其基本控制方程可用数学形式表示为连续方程、动 量方程。为了便于求解，需要对上述方程进行雷诺平均，雷诺平均以后的方程称 为平均流。控制方程如下： 连续方程：害+ 孥= o ( 2 - 1 ) 西街： 掣+ 专妇荆= 苦( 善一p 丽 - 害+ 昭，协2 ) 能量方程： 掣+ 考仁于) = 考l 善一胪p 万 + s ，+ & c 2 引 其中，玩和甜：分别是三个坐标方向的平均速度和脉动速度。t 为平均温度，g ，是 i 方向的重力加速度分量。另外t 和旯分别是分子热运动而引起的动力粘度系数 和导热系数。 2 2 气相湍流运动模型 湍流流动是一种高度非线性的复杂流动，可以通过某些数值方法对湍流进行 模拟，取得与实际比较吻合的结果。目前，湍流的数值模拟方法可以分为直接数 值模拟方法和非直接数值模拟方法。直接数值模拟方法是指求解瞬时控制方程； 非直接数值模拟方法就是不直接计算湍流的脉动特性，而是对其作某种程度的近 似和简化处理。非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和r e y n o l d s 平 均法【翊。 瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程的非线性使得用解析的方法精确描写三维时间相 关的全部细节极端困难，即使能真正得到这些细节，对于解决实际问题也没有太 大的意义。对于工程应用来说重要的是整体效果，即湍流所引起的平均流场的变 化。所以，人们想到求解时均化的n a v i e r - s t o k e s 方程，而将瞬态的脉动量通过 某种模型在时均化的方程中体现出来，由此产生了r e y n o l d s 平均法。这样，不 仅避免了d n s 方法的计算量大的问题，而且对工程实际应用可以取得很好的效 果。 根据r e y n o l d s 应力作出的假定或处理方式不同，目前常用的湍流模型有两 大类：r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型。涡粘模型根据确定湍流粘性系数所需要的 微分方程的数目，可以把湍流粘性系数模型分为：零方程模型、单方程模型及双 方程模型。双方程模型中的k s 模型是迄今工程中应用最为广泛的湍流模型【2 3 1 。 由于液柱冲击塔内的烟气和液滴之间的流动为紊流两相流动，气液之间充分混 合，液滴对气流流场有强烈的整流作用，塔内存在回流，且计算区域较大，因而 选取了有一定计算精度且计算量较小的k s 双方程模型。 标准k s 两方程模型： 在关于湍动能k 的方程基础上，再引入一个关于湍动耗散率e 的方程，便 形成了k s 两方程模型。k 方程，g 方程如下： 掣+ 掣= 出+ 尝斟崛坼舻。 c 2 4 ， 掣+ 掣= 鼽p + 芑 讣鹾k ( 即) _ c 2 。p “k 。 西 融 氖n吼j l “一 如叫“ ( 2 5 ) 其中，g 。是由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项，g 6 是由于浮 力引起的湍动能k 的产生项，代表可压湍流中脉动扩张的贡献，c l 。、c 2 。 和c 3 。为经验常数，吼和io c 分别是与湍动能k 和耗散率s 对应的p r a n d t l 数， s 。和s 。是用户定义的原项。 “是湍流粘度，可表示为k 和的函数，即： 1 2 ”眠专 ( 2 6 ) 在标准的k s 模型中，根据l a u n d e r 等的推荐值及后来的验证值2 1 1 ，模型常 数取值为：常数q = 0 0 9 。c l 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，仃。= 1 3 ，吼= 1 0 。对于不可压 流体，g = 0 ，屹- o 。对于可压缩流体计算中，当主流方向与重力方向平行时， c 3 。= l ，当主流方向与重力方向垂直时，c 3 。= 0 。 由于对液柱冲击塔模拟计算时，不考虑流体的可压缩，且不考虑用户自定义 的原项时，s 。= 0 ，s 。- - 0 。这时，标准k - 模型变为： 掣+ 掣= 邻+ 等崩崛哪 泣7 ， 型+掣=苦陋等)针tcl8叮82at 协8 ， 魄 钙吼钙i 七“七 其中q 的展开式为： g = 肛。 2 ( 罢) 2 + ( 考) 2 + ( 喜) 2 + ( 暑爹+ 亲) 2 + ( 罢 + 尝) 2 + ( 老+ 考) 2 2 3 湍流两相流模型 气液两相之间的湍流流动过程远比单相流动复杂，湍流两相流的统观模拟有 欧拉拉格朗日方法和欧拉欧拉方法两大类【2 4 1 。在欧拉欧拉方法中，不同的相 被处理成相互贯穿的连续介质，且一种相所占据的体积无法再被其他相占有；在 欧拉拉格朗日方法中，对连续相流体在欧拉框架下求n s 方程，对粒子相在拉格 朗日框架下求解颗粒轨道方程。 离散相模型的功能很强大：可以考虑离散相的惯性、曳力、重力、热应力、 布朗力等多种作用力；可以预报连续相中由于湍流涡旋对颗粒相的影响( 即随机 轨道模型) ；粒子的加热冷却；连续相与离散相间的单向、双向耦合等等【2 5 】。 液柱冲击塔内的烟气和液滴之间的流动为紊流两相流动，气液之间充分混 合，其中，气流对液滴运动有很大影响，且液滴对气流流场有强烈的整流作用， 即气液两相间相互耦合。因此，液柱冲击塔内的烟气和液滴之间的流动可以视为 【j f 东人学硕- f ：学位论文 烟气为连续相，浆液液滴为离散相，本文采用欧拉拉格朗日方法模拟塔内湍流 两相流动。 2 3 1 离散相轨道计算的数学模型 颗粒轨道模型是在拉格朗同坐标系下跟踪单个粒子或粒子云团在流场中运 动的轨迹并计算其参数沿轨道的变化规律【2 6 1 。颗粒的湍流扩散既可以通过随机 轨道模型也可以通过代表一定颗粒尺寸组的颗粒群模型来加以模拟。 在随机轨道模型中，颗粒轨道方程中的流体速度为瞬时速度，沿着颗粒轨道 进行的积分计算过程中，就可以考虑颗粒的湍流扩散。通过这种方法计算足够多 的代表性颗粒轨道，气流对颗粒的随机性影响就可以得到考虑f 2 7 1 。本文采用随 机轨道模型来预测离散液滴的各个参数沿着运动轨道的变化规律。 通过积分拉式坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒轨道。两相 间的相互作用力非常复杂，在一般情况下，颗粒所受的m a g n u s 力、s a f f m a n 力、 浮力、虚质量力、b a s s e t 力比较小，为研究方便，未计入这些力的影响【2 8 】。所以， 两相间的作用力主要为两相间因速度差引起的曳力和两相间的压力作用两部分 之和。 液滴的受力平衡方程在笛卡儿坐标系下的形式为( x 方向) ： 等= 冗( p ) 一掣+ e 协 其中，f d ( u - u p ) 为颗粒的单位质量曳力，其中 b = 嚣擘2 4以d ； ( 2 1 1 ) 其中，材为流体相速度，p 为颗粒速度，p 为流体动力粘度，p 为流体密度， p p 为颗粒密度，以为颗粒直径，r e 为雷诺数( 颗粒雷诺数) ，其定义为： 1 4 曳力系数c d 可以采用如下的表达式： c d = q + 去+ 熹 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 山东大学硕十学何论文 对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，上式中的q ，口2 ，口3 ，为常数。c d 也采用如下的表达式： = 面2 4 ( 1 + 岛r e 神6 2 ) + 再b 3r 石e , p h ( 2 - 1 4 ) 其中：岛= e x p ( 2 3 2 8 8 - 6 4 5 8 1 + 2 4 4 8 6 妒2 ) 6 2 = 0 0 9 6 4 0 5 5 6 5 q b 6 3 = e x p ( 4 9 0 5 - 1 3 8 9 4 4 妒+ 1 8 4 2 2 2 2 - 1 0 2 5 9 9 驴3 ) 6 4 = e x p ( 1 4 6 8 1 + 1 2 2 5 8 4 妒一2 0 7 3 2 2 妒2 + 15 8 8 5 5 妒3 ) 上式是由h a i d e r a n d l e v e n s p i e l 得到的。形状系数咖的定义如下： = 昙 ( 2 1 5 ) 其中j 为实际颗粒具有相同体积的球形颗粒的表面积，s 为实际颗粒的表面 积。 2 3 2 射流源类型的设定 ( 1 ) 液滴粒径分布 程峰等人利用p i