（机械电子工程专业论文）玻璃熔窑烟气喷雾干燥脱硫技术与设备流场的研究.pdf

武汉理1 ：大学硕十学位论文 捅要 半干法喷雾烟气脱硫技术是目| j 世界上技术最成熟，使用晟为广泛的脱硫 工艺之一。半干式脱硫塔内是s o ：气体和雾化的吸收剂的混合气一液两相流，整 个s 0 2 的吸收过程中发生了一系列的物理、化学变化，塔内的运动情况相当的复 杂。然而，流场是否稳定，喷雾器分布是否合理等等问题决定了整个脱硫系统 脱硫效率的高低， 因此，掌握脱硫塔内部流场的流动特性以及喷雾器的分布规 律对于设计合理的脱硫塔结构，调整最佳的系统操作参数等具有十分重大的意 义。 本文应用计算流体力学方法，借用成熟的商用c f d 软件f l u e n t ，以雷诺平 均n s 方程为控制方程，以r n gk e 模型为湍流模型，用离散相d p m 模型对一 种典型的立式半干法喷雾洗净脱硫塔内部气一液两相流场进行了模拟，结果表明： ( 1 ) 就空塔而言，我们在简化模型的过程中忽略了塔内构件，削弱了流场的掺混 效果，使流场发展不够充分。 ( 2 ) 喷雾器数量、位置上的不同分布对整个脱硫塔流场产生了很大的影响 ( 3 ) 在实际工况中，为了提高脱硫效率和烟气日处理量，宜采用混合喷雾设置。 若受实际限制只能使用单排喷雾，宜采用高位喷雾设置。 ( 4 ) 液滴垂直气流喷射时脱硫效果好于顺向喷射。但垂直喷射时要保证脱硫塔横 截面要有足够的宽度。 ( 5 ) 采用垂直喷射时脱硫塔的日处理量要高于顺向喷射。 ( 6 ) 在本文设定的边界条件和初始条件下，最佳喷雾角度为4 5 。 从模拟结果上来看，喷雾液滴极大的影响了脱硫塔内的流场，将部分模拟结 果和前人的理论研究和实验数据相比较，在一定程度上是吻合的，这表明，本 文的研究方法是可行的。 关键词：烟气脱硫；喷雾；气一液两相流；f l u e n t ；数值模拟 武汉理i ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h es d f g di so n eo ft h eb e s ta b r o a du s e dd e s u l p h u r i z a t i o ns y s t e m si nt h ew o r d t h ef l o wf i e l di na b s o r b e ri sag a s s o l i dt w op h a s ef l o wo fs 0 2a i ra n dt h ea t o m i z a t i o n a b s o r b e f a c i e n t d u r i n gt h ed e s u l p h u r i z a t i o n ，as e r i e so fp h y s i c sa n dc h e m i s t r yc h a n g e w o u l dh a p p e n ；t h es i t u a t i o ni nt h ea b s o r b e ri sv e r yc o m p l e x b u tt h es i t u a t i o nw i t h f l o wf i e l da n dt h ep o s i t i o nw i t hs p r a yi sd e c i d et h ed e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c y s o ，i n o r d e rt od e s i g nr e a s o n a b l ea b s o r b e ra n da d j u s to p t i m a lo p e r a t i o np a r a m e t e r s ，ag o o d 鲥po nt h ef l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa b s o r b e rf l o wf i e l da n dr u l e so fs p r a yi sv e r y e s s e n t i a la n ds i g n i f i c a n t i nt h ep a p e r , t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft h eg a s - s o l i dt w op h a s ef l o wi n d e s u l p h u r i z a l i o na b s o r b e ri sb e i n gs o l v e dw i t ht h et u r b u l e n c ek - em o d e l ，r e y n o l d s n se q u a t i o na n dd i s p e r s ep h 勰ed p mm o d e l ，a n db yv i r t u eo fam a t u r ec o m m e r c i a l c f dc o d ef l u e n t t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t ： ( 1 ) t h ea b s o r b e rw i t h o u ts p r a y , t h ef l o wf i e l de x p e n dn oe u o u g h ，b e c a u s ep r e d i g e s t i n g t h ea b s o r b e rm o d e i ( 2 ) t h es p r a yn u m b e ra n dp o s i t i o ni sh e a v i l yi m p a c to nt h ef l o wf i e l di na b s o r b e r ( 3 ) i nr e a lw o r k , i ti sb e t t e ru s i n gm i xs p r a yf o ri m p r o v i n gt h ed e s u l p h u r i z a t i o n e f f i c i e n c y , i ti sb e t t e ru s i n gh i g hp o s i t i o ns p m yi ft h er e a lw o r ks i t u a t i o nn e e d ( 4 ) t h ed e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yw i t hu p r i g h t l ys p r a yi sb e t t e rt h a np a r a l l e ls p r a y , b u t ，i tn e e de n o u g hw i d t hi nu p r i g h t l ys p r a y ( 5 ) t h ea b s o r b e r sw o r k l o a di nad a yw i t hu p r i g h t l ys p r a yi sb e t t e rt h a np a r a l l e ls p r a y ( 6 ) t h eb e s ts p r a ya n # ei s4 5 。w i t ht h eb o u n d a r ys i t u a t i o ni nt h i sp a p e r f r o mt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，s p r a yd r o p l e th e a v i l yi m p a c t so nt h ef l o wf i e l d , s o m es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o na n dt h e e x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h e ya r es h o w sag o o dc o n s i s t e n c y t h em e t h o do ft h e d e s u l p h u r i z a t i o np r o c e s si sr i g h t k e yw o r d s ：f g d ；s p r a y ；g a s - s o l i dt w op h a s ef l o w ；f l u e n t ；n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 武汉理r 大学硕十学位论文 第一章概述 玻璃工业作为国民经济的基础产业，既是耗能大户，又是污染严重的行业之 一。玻璃生产过程中产生的废气s 0 2 对环境产生了极大的影响，因此必须对其进 行净化处理。s o ：吸收技术绎过国内外专家几十年不懈的努力，已形成一系列不 同即经济又实用的脱硫技术。 1 1 我国玻璃熔窑的现状m m w 我国玻璃熔窑主要是浮法平板窑、器皿玻璃窑、玻璃纤维窑和特种玻璃窑， 其中浮法池窑日产3 0 0 t 以上的近1 0 0 座，器皿玻璃窑也有上千座，年产万吨级 玻璃纤维池窑约2 5 座，特种玻璃窑炉也很多。这些窑炉的主要燃料是重油、天 然气和煤，它们燃烧的主要污染物是c o ：，s 也，n o x ，据统计2 0 0 5 年我国s 0 2 排放总量近2 0 0 0 万吨，其中平板玻璃窑炉排放占1 0 左右。有些窑炉废气采用 大量的新鲜空气稀释后由高烟囱排放而不进行废气处理，而且有的玻璃池窑还处 在利用煤为主要燃料的情况，它的排放s 0 2 和粉尘也远远高于重油和天然气。众 所周知s o ：是大气重要污染物之一，是酸雨形成的主要原因，s 0 ：的控制十分重要。 大量资料显示国外大多数玻璃熔窑未经废气处理的现在都已被禁止或停产。玻璃 池窑废气处理应该引起我们国家重视，这也是环境保护和可持续发展的需要。 1 2 脱硫技术国内外发展一 烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n ，缩写f g d ) 是目前世界上唯一大规 模商业化应用的脱硫技术。从6 0 年代中期到8 0 年代中期，世界上1 0 多个工业 化国家的近百个企业、研究部门对此进行了探索。走过了一条从实验室试验、工 业性试验、典型工程到市场提供产品的发展道路。最早进行烟气脱硫试验的是英 国，始于伦敦烟雾事件( 1 9 5 2 年1 2 月) 之后，到6 0 年代中期，s 0 ：污染成为英 国、美国和当时的西德环境污染的主角，美国、德国随即开展大规模的研究工作。 据有关资料，美国在6 0 年代研制的各种烟气脱硫方法约2 0 余种，建设工程项目 近百个，耗资达数十亿美元。德国由于是欧洲最大的燃煤国，排出的s 也最多， 周边国家颇有怨言，因此也投入了大量人力物力。自然他们的投资没有自费，成 果出来后即解决了自身的s o ：污染治理，又对世界环保事业做出了贡献，更实惠 的是这些年来世界烟气脱硫市场上大都是这些国家厂商的产品。当年的投入有了 武汉理f 大学硕十学位论文 回报。据美国环保局( e p a ) 1 9 8 4 年统计，世界各国开发、研究、使用的s 仉控 制技术已达1 8 9 种，估计目前的数量已经超过了2 0 0 种。技术上成熟、经济上可 行的技术约有十几种。 目 ； 国内烟气脱硫工程绝大多数是引进国外设备，国内只负责土建和安装。 正在生产或打算生产烟气脱硫设备的公司丰要有两南电力设计院烟气脱硫工程 公司、凯迪电力公司、九龙电力公司、清华同方公司、福建龙净公司等，其中西 南电力设计院烟气脱硫工程公司于1 9 9 1 年完成了四川白马发电厂干法烟气脱硫 装置。该装置应用于3 0 0 m w 以下的机组。福建龙净环保股份有限公司引进湿法 脱硫项目，建成后可与2 x 3 0 0 m w 发电机组配套，进行湿法烟气脱硫。由于认识 上的滞后和缺乏资金投入，烟气脱硫应用还处于起步阶段，烟气脱硫问题迄今没 能得到较好的解决，近几年，一些院校和制造厂合作，研制了一批中、小型烟气 脱硫设备，用于工业炉窑和小机组上，规模小、应用范围小，没解决根本性问题。 由国外引进的烟气脱硫装置，设备投资和运行费用高而且都存在因产物无出路， 不得不作为固体废弃物抛弃的问题。“建不起，用不起，还有越来越多的包袱背 起”，是国内许多企业应用脱硫技术的障碍。因此，实现烟气脱硫技术设备国产 化，是推进我国烟气脱硫行业蓬勃发展的必然举措，也是我国社会和经济可持续 发展的迫切要求。 虽然烟气脱硫技术已经运用在国内外的许多行业，如冶金、燃煤电力、燃煤 锅炉、垃圾焚烧等，但在玻璃熔窑的烟气治理中，只有美国、日本及欧洲的发达 国家有成功的应用。从9 0 年代起我国就开始湿法石灰脱硫设备的开发研究工作， 目前在玻璃纤维池窑上使用率已有9 0 ，技术上已经比较成熟。但是其他玻璃窑 炉上应用较少，仅在江西和福建有四、五座玻璃窑采用干法和半干法废气处理， 而我国大多数玻璃窑均未对窑炉废气进行处理，所以我国玻璃窑炉的环保工作任 重道远。 1 3s o ：控制技术概述w 一 二氧化硫控制技术的研究，从本世纪初至今已有9 0 多年历史。自6 0 年代起 一些工业化国家相继制定了严格的法规和标准，限制煤炭燃烧过程中s 0 ：等污染 物的排放，这一措施极大的促进了二氧化硫的控制技术的发展。进入7 0 年代以 后，二氧化硫控制技术逐渐由实验室阶段转向应用性阶段。这些技术概括起来可 2 武汉理r = 大学硕十学位论文 分为三大类：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫及燃烧后脱硫( 烟气脱硫) 。 1 3 1 燃烧前脱硫技术 1 选煤 燃烧i ； 脱硫技术的主要内容是采用物理、化学或生物方式对锅炉使用的原煤 进行清洗，将煤中的硫部分除掉，使煤得以净化，其中煤的物理净化技术是目前 世界上应用最广泛的燃烧前脱硫技术，该法可以从原煤中除去泥土，页岩和黄铁 矿硫。通过煤的粉碎，使非化学键结合的不纯物质与煤脱离，继而利用构成煤的 有机物质( 煤的基本微观结构) 与密度较大的矿物不纯物之间比重的不同，或利用 二者表面润湿性，磁性，导电性的不同将它们分离。主要方法有：重力法、浮选 法、重液体富集法、磁性分离法、静电分离法、凝聚法、细煤粒一重介质旋风分 离法等。物理方法工艺简单，投资少，操作成本低，但不能脱除煤中有机硫，对 黄铁矿硫的脱除率也只有5 0 左右。 化学法脱硫多数针对煤中有机硫，主要利用不同的化学反应，包括生物化学 反应，将煤中的硫转变为不同形态的硫而使之分离。目前主要的化学净化方法 有：b h c 法( 碱水液法) 、m e y e r s ( f e 2 ( s 0 4 ) 。氧化法) 、l o l 氧化法( 0 。空气氧化法) 、 p e t c 法( 空气氧化) 、k v b ( n o 。选择氧化) 、氯解法( c 1 ：分解) 、微波法、超临界醇 抽提法等。 微生物脱硫技术虽然从本质上讲也是一种化学法，但由于其自身的特殊性， 可把它单独归为一类。它是把煤粉悬浮在含细菌的气泡液中，细菌产生的酶能促 进硫氧化成硫酸盐，从而达到脱硫目的。该类技术具有以下几项突出优点： ( 1 ) 反应能在常温常压下进行，耗能少，运转费用低。 ( 2 ) 不会降低煤的热值。 ( 3 ) 能脱除煤中有机硫和无机硫，脱硫工艺投资成本低。 目前常用的脱硫细菌有：属硫杆菌的氧化亚铁硫杆菌，氧化硫杆菌，古细菌， 热硫化叶菌等。 2 动力配煤 动力配煤是将不同牌号，不同品质的煤经过筛选，破碎，按比例配合等过程。 在动力配煤过程加添加剂( 如石灰石) ，可脱除燃烧过程中产生的s 0 2 ，减少污染 3 武汉理i ：大学硕士学位论文 物的排放。 1 3 2 燃烧中脱硫技术 燃烧中脱硫技术主要是指当煤在炉内燃烧的同时，向炉内喷入脱硫剂( 常用 的有石灰石，白云石等) ，脱硫剂一般利用炉内较高温度进行自身锻烧，锻烧产 物( 主要有c a o ，m g o 等) 与煤燃烧过程中产生的s 0 2 ，s 0 3 反应，生成硫酸盐和亚硫 酸盐，以灰的形式排出炉外，减少s 0 2 ，s 0 3 向大气的排放，达到脱硫的目的。燃 烧过程中脱硫反应温度较高，一般在8 0 0 1 2 5 0 的范围内，在这一温度下，其 反应历程可以用以下两段化学反应式来表示： ( 1 ) 脱硫剂的煅烧分解反应： 石灰石：c a c 0 3 = c a o + c 0 2 ( 1 1 ) 消石灰：c a ( 0 h ) 2 = 4 2 a o + h 2 0( 1 2 ) 白云石：c a c o 。m g c o 。= c a o + m g o + 2 c o ： ( 1 3 ) ( 2 ) 硫化反应： c a o + s o ：= c a s o ，( 1 4 ) c a s 0 3 + 1 2 0 2 = c a s 0 4 c a o + s 0 2 + 1 2 0 2 = c a s o 少量s o 。在重金属盐的催化下直接与c a o 反应生成c a s o 。： c a o + s 0 3 = c a s o 燃烧中脱硫技术主要有以下几种： ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 1 煤粉炉直接喷钙脱硫技术 在煤粉炉中，脱硫剂选择温度较低区域( 炉膛上方) 喷入进行脱硫。煤粉炉内 直接喷钙脱硫技术，由于其脱硫效率没有湿法烟气脱硫( w f g d ) 高，故曾在较长一 段时间内没有得到工业应用。但由于目前一些国家，特别是发展中国家的有关环 保法令只要求对燃煤排放的s o 。有中等程度的排除，这一方法所具有的投资省， 4 武汉理1 2 _ 大学硕十学位论文 装置简单，便于改造能满足一般环保要求的特点越来越受到人们的关注。单纯的 炉内直接喷钙脱硫效率只能达到3 0 4 0 左右，再与尾部活化器增湿或在脱硫中 添加催化剂等技术相结合，其脱硫效率可达7 0 以上，具有广阔的发展前景。 2 流化床燃烧脱硫技术 流化床燃烧脱硫技术包括常压鼓泡流化床燃烧技术、常压循环流化床、增压 鼓泡流化床燃烧技术与增压循环流化床燃烧技术。其中前三类己得到工业应用， 增压循环流化床燃烧技术尚在工业示范阶段。下面以常压循环流化床燃烧技术和 增压循环流化床燃烧技术为例，说明流化床燃烧技术的脱硫性能。 常压循环流化床燃烧技术是最近发展起来的一种有效的燃烧方式，它具有和 煤粉炉相当的燃烧效率，并且由于其燃烧温度低( s s o 9 5 0 0 ) ，正处于炉内脱 硫的最佳温度段，因而在不需增加设备和较低的运行费用下就能清洁地利用高硫 煤。特别是烟气分离再循环技术的应用，相当于提高了脱硫剂在床内的停留时间， 也提高了床内脱硫剂浓度，同时床料间，床料与床壁间的磨损、撞击使脱硫剂表 面产物层变薄或使脱硫剂分裂，有效地增加了脱硫剂的反应比表面积，使脱硫剂 的利用率得到相应地提高。稳定运行时的循环流化床燃烧脱硫效率可达9 0 以 上。该技术现已在国外得到广泛的应用。存在的问题是：循环流化床受容量的限 制。 压循环流化床燃烧技术的出现比循环流化床要晚，它的出现主要是为了提高 流化床的燃气能，使其能与燃气轮机配套组成联合循环机组，以提高整个热力循 环的效率。一般而言，p f b c 机组效率在3 8 4 2 左右，脱硫效率在9 0 以上，同 时还具有较强的脱硝能力，因此它也引起了人们的极大兴趣。 3 型煤 型煤指在煤中掺加脱硫剂，做成一定形状的煤制品。脱硫剂在燃烧过程中起 到控制s 0 。的作用。型煤燃烧技术对于占工业锅炉总量7 0 以上层燃式锅炉双工 业窑炉的有害物质排放能起到一定的治理作用，是实现工业炉窑高效，清洁燃烧 的一个大有希望的方向，但这一技术不能用于悬浮燃烧的锅炉( 如电站煤粉炉) ， 而且由于炉温较高，脱硫效率较低。 武汉理t ：大学硕十学位论文 4 水煤浆技术 水煤浆技术是7 0 年代国际上发展起来的一种以煤代油的新型燃料。由于水 煤浆燃烧时火焰中心温度比烧煤和烧油低，故n 0 ，生成量较小，同时能够降低燃 烧时产生的s o ：和烟尘。目前我国在水煤浆制备和燃烧的研究开发以及工程示范 方而取得了很大进展，已具备了商业化应用条件。 1 3 3 燃烧后脱硫( 烟气脱硫) 技术 烟气脱硫技术主要是利用吸收剂或吸附剂去除烟气中的s o z ，并使其转化为 稳定的硫化合物或硫。最早的烟气脱硫技术在本世纪初就己经出现。近几十年来， 国外对烟气的脱硫、脱硝进行了大量的研究。在工业发达国家，工业脱硫装置的 应用发展很快。我国近十多年来也开展了烟气脱硫技术的研究。至今，烟气脱硫 技术的种类非常多，按脱硫的方式和产物的处理形式一般可分为干法，半干法和 湿法三大类。 1 湿法烟气脱硫技术( w f g d 技术) 含有吸收剂的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、设备简单、脱硫效率高等优点，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。 2 千法烟气脱硫技术( d f g d 技术) 脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行。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、净化后烟温高、利于烟囱排气扩散等优点， 但存在脱硫效率低，反应速度较慢、设备庞大等问题。干法烟气脱硫技术由于能 较好地回避湿法烟气脱硫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。 3 半干法烟气脱硫技术( ( s d f g d 技术) 半干法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 ( 如喷雾干燥法) 的烟气脱硫技术。特别是在湿状态下脱硫在干状态下处理脱硫产 武汉理一f 人学硕十学位论文 物的半干法，以其既有湿法脱硫反应速度快、脱硫效率高的优点，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。 1 4 半干式喷雾烟气脱硫技术介绍m 1 4 1 技术简介 本文主要研究半干式喷雾烟气脱硫系统，放在此以山东黄岛电厂运行的示 范工程为例简单介绍一下相关知识。在众多的s 0 ：烟气脱硫工艺中，半干式是一 种应用比较广泛的方法。半干法是利用c a ( 0 h ) ：和水混合成为悬乳液，再经过雾 化后与热烟气接触而达到脱硫的目的。其工艺设备简单，基建投资比湿法低，不 需废水处理和烟气再加热，能耗较低，但是副产品只能用于陆地填充，比较适合 中小型机组的工业和民用锅炉。 喷雾干燥法( s d a ) ，是半干法脱硫中一种较新的f g d 技术，于2 0 世纪初7 0 年代初至中期在美国和欧洲发展起来。1 9 8 0 年开始在美国燃煤电站上得到商业 应用，目前，喷雾干燥法商业应用市场占用量位于湿法之后居第二位。与渝法工 艺相比较，其初期投资较低，但脱硫剂用量较大，常常用于中低硫煤( 1 5 ) 的中小型锅炉，其副产物为亚硫酸钙、硫酸钙、飞灰和未反应的氧化钙之混和物 这种副产品可用干建材工业。 1 4 2 工艺流程及主要设备 喷雾干燥工艺的流程简图见图卜1 所示。系统主要有喷雾干燥吸收塔、双 流体喷嘴、电除尘器或布袋除尘器、物料循环等处置设备。基本原理为： c a ( o h ) ：+ s o ：一c a s o ，1 2 h ：o + l 2 h z 0 c a ( 0 h ) 一s o ：+ 1 2 0 2 + h ：o - - c a s o 。2 h 。0 吸收s 0 。的吸收剂是典型的石灰( c a o ) 。石灰用过量的水混合或者消化成 c a ( o h ) 。浆液，浆液在喷雾干燥吸收塔内被雾化成细液滴，水被烟气蒸发，烟气 在吸收塔内有足够的停留时间( 约l o s ) ，使s o 。与其他酸性气体( 如s o 。h c l 等) 同c a ( o h ) ：反应生成c a s o 。c a s o 。和c a c l ：。 喷雾干燥法的脱硫效率可达9 9 ，在实际设计时设计脱硫效率从7 0 - - - 9 8 7 武汉理r 大学硕- f = 学位论文 不等。喷雾干燥法还适用于s o ，和c 1 ：去除率很高且没有废水处理的电厂。s 0 ，和 c 1 。去除率一般在9 5 以上，运行可靠性达9 7 - - 1 0 0 ，吸收塔运行温度高于趋 近饱和温度1 0 - 吨0 ，净化后的烟气一般不需要再热。喷雾干燥法的能耗 占发电量的0 5 一1 - o ，仅为湿法的一半，但运行成本较高，固态物易在吸收 塔壁上沉积，雾化喷嘴易堵塞磨损，浆池、料箱和管道易结垢，废料和再循环设 备维修复杂。 图1 - 1 喷雾干燥法脱硫工艺流程简图 1 5 喷雾干燥烟气脱硫塔流场分析研究现状r m 国内外对烟气脱硫塔进行了很多的实验研究，如研究塔的阻力特性、液滴运 动速度沿塔高的变化和t c a ( t u r b u l e n tc o n t a c ta b s o r b e r ) 塔内温度场分布等， 这些研究对指导工业应用有着重要的意义，但其实验结果往往只能针对特定的设 备和结构，具有较大的局限性，因此将这些结果进行外推往往不能获得好的效果。 随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c ，c f d ) 已成为研究三维流动的重要手段，国内外有多种数值模拟方法可 以对实验装鹭的流场进行模拟，从计算结果与实验结果对比看，数值模拟无论在 时间和精度上均有优势，但目i i i 国内多脱硫塔进行的模拟还仅停留在实验室规模 的脱硫塔上，并且这些数值模拟大多为二维的冷念流动；而国外学者的研究重要 8 武汉理t ：大学硕十学位论文 集中在脱硫机理或浆液的运动方面，很少针对脱硫塔进行流场等研究。 1 6 论文选题意义及本文的主要工作 在喷雾干燥，朋气脱硫1 = 艺过程中，脱硫塔作为其核心部件，对整套脱硫设备 的脱硫效率起着决定性的作用。脱硫塔内如：流体速度场的分布、喷淋系统喷射 角度的选择，塔内温度场的变化等各种运行参数对烟气脱硫效率有极大的影响， 但是，由于脱硫塔内部喷雾干燥过程中汽液两相之问同时发生比较复杂的物理 化学变化，并发生质量传递，动量传递，热量传递现象，在实际操作中很难用仪 器进入脱硫塔内对各参数进行测量，而且，迄今为止尚无通用的计算方法和计算 公式来反映运行参数和脱硫效率之间的关系。但是，随着计算流体力学理论的逐 步完善和计算流体力学软件的开发和发展，国外一些研究者开始利用这些理论和 软件来进行脱硫塔内部流体环境的模拟，并以此来优化各种影响脱硫效果的参 数，取得了比较可观的社会和经济效益。但在国内，这种研究开展的还比较少， 处于起步阶段，特别是，将这种方法运用到玻璃窑半干法烟气脱硫技术的研究中 还没有文献和资料记载，然而，流场是否稳定，是否有利于二氧化硫气体和雾化 的脱硫剂能够充分的接触和反应等等一系列问题是决定脱硫系统设计成败的关 键。掌握脱硫塔内部流场的流动特性以及喷雾器设置的规律，对于设计合理的脱 硫塔内部结构，调整最佳的系统操作参数等具有十分重大的意义。 因此，本文将应用流体力学及数值计算方法，借用成熟的通用流体力学计算 软f l u e n t ，对一种典型的立式半干法喷雾脱硫塔内部的两相流场进行数值模拟， 旨在前人的研究成果上，再迈进一步。本文的基本计算策略是用雷诺平均n s 方程 j j n r n gk - 模型计算气相背景流场，再用d p m 模型计算液滴运动。这些模拟结果 能够详细地描绘出二氧化硫和雾化吸收剂在脱硫塔内真实的流动状态，以及在喷 雾器不同设置的情况下流场的变化，从而找出影响脱硫效率的重要因素。 本文主要工作如下： ( 1 ) 用雷诺平均n s 方程j j h r n gk 一模型模拟气相背景流场； ( 2 ) 用d p i d 模型模拟液滴运动； ( 3 ) 模拟两相相互作用后流场的分布； ( 4 ) 比较喷雾器不同排列情况下对流场的影响； ( 5 ) 模拟不同喷雾角度下液滴的轨迹及确定最佳喷雾角度 9 武汉理下大学硕十学位论文 ( 6 ) 将部分模拟结果与i i 人的研究成果进行比较，从而论证数值模拟的可 靠性： ( 7 ) 利用现有实验系统，设计合理的实验方案，对部分模拟结果进行验证。 1 0 武汉理一r 大学硕十学位论文 第二章模拟软件介绍 2 1c f d 的发展m m a 二十世纪六十年代起，随着计算机技术的迅猛发展，作为流体力学的一个分 支计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，以下简称c f d ) 也迅速崛 起。c f d 是基于计算机技术的一种数值计算工具，用于求解固定几何形状空间内 的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程，并通过计算机模拟以获得 某种流体在特定条件下的有关数据。至今，c f d 技术的应用早已穿越传统的流体 力学和流体工程范畴，如航空、航天、船舶、动力、水利，而扩展到化工、核能、 冶金、建筑、环境等许多相关领域中去了。 c f d 技术能够对工程应用中出现的有关流体流动、传质、传热、燃烧、分解 反应等各种现象进行数值预测研究，给出相应的温度场、压力场、组分浓度场、 颗粒浓度场、三维流场、燃烬率、分解率等信息，预测过程的显示直观、生动， 可视化效果好，为分析方案优化各种设计参数及机件结构形状提供理论依据，避 免了昂贵的实验手段，比较于传统的工程研究方法，具有快速、经济、低风险、 短周期等优点。同时，c f d 技术是一个多学科、多专业横向交叉的技术，它涉及 到流体力学、工程传热学、数值分析、计算机技术、偏微分方程的数学理论等等， 这样对于一个普通的工程应用人员来说，去编制一套完整的数值模拟计算机程 序，哪怕是其中的- - 4 , 部分，也是非常艰难的事情。事实上，借助国外成熟的 c f d 通用性软件为我们所用，在此基础上按工程需要作二次开发，就可以避免繁 琐的编程任务，把工程应用者从这种重复劳动中解放出来，把时间和精力真正放 在那些具体需要解决的物理问题的本身，这无疑使得我们的工程研发工作更具有 高效性，也是一种进步。 c f d 技术发展成熟的一个重要标志就是近几十年来，各种c f d 通用性软件包 陆续出现，成为商业化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善，应用范围不断 扩大。在众多c f d 商业软件中，f l u e n t 是目前在世界范围内应用最为广泛，操 作最简便，功能最强大的一个。 1 l 武汉理下大学硕十学位论文 2 2 f l u e n t 软件简介c - m w 2 2 1 软件组成 f l u e n t 软件的设计摹于c f d 软件群的思想。从用户需求出发，针对各种复 杂的物理化学现象，f l u e n t 采用不同的离散格式和数值方法，以期在待定的领 域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领 域的复杂流动计算问题。基于上述思想，f l u e n t 开发了适用于各个领域的流动 模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其他复杂的物理 现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各个软件之间 的区别仅仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。f l u e n t 程序软件 包应该包括以下几个部分( 如图2 1 ) ： l ，f l u e n t 解法器 2 ，p r e p d f ，用于模拟p d f 燃烧过程 3 ，g a 淞i t ，网格生成 4 ，t g r i d ，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格。 5 ，f i l t e r s ( t r a n s l a t e r s ) ，转换其它程序生成的网格，用于f l u e n t 计算。 可以接口的程序包括：a n s y s ，i d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等。 p r e l d f p d f 铋i b i t 泣援l f m 拭 叶。j 赴2 d 嬗mq 格 嘲崭j 托g 较na + 璧l - jc a d c a e 苫 2 d 或3 d h 格 潮；善辅入蔓潼察 幸智，嚷【j l 牲鞋仃 j 乱，似哗啦，e ；l 箨 氟 蛩 lt g “d 州 ；1 二d ：m 叫啪 _ 1j d 阳a 协一哳 2 d 冉3 d 。硭州啪 图2 一lf l u e n t 软件结构图 武汉理下大学硕十学位论文 g a m b i t 软件是面向c f d 的前处理器软件，它包含全面的几何建模能力和功 能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等c f d 特殊要求的高质量的网 格。g a m b i t 可以生成f l u e n t5 ，f l u e n t 4 5 ，f i d a p ，p l o y f l o w 等求解器所需要 的网格。g a m b i t 软件将功能强大的几何建模功能和灵活易用的网格生产技术集 成在一起。使用g a m b i t 软件，将大大减少c f d 应用过程中建立几何模型和流场 划分网格所需要的时间。用户可以直接使用g a m b i t 软件建立复杂的实体模型， 也可以从主流的c a d c a e 系统中直接读入数据。g a m b i t 软件高度自动化，所生 成的网格可以是非结构化的，也可以是多种类型组成的混合网格。 f l u e n t 的解算器采用完全的非结构化网格和控制容积法。作为一个通用求 解器，适用于低流速不可压流动。跨音速流动乃至可压缩性强的超音速流动等各 种复杂的流场。f l u e n t 丰富的物理模型使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、 湍流、化学反应、多相流等其他复杂的流动现象。 f l u e n t 软件是由u n s 和r a m p a n t 软件升级而来，它包含了二者的全部功能， 并且增加了偶合隐式算法。r a m p a n t 是f l u e n t 公司和n a s a 合作开发的专用于可 压缩流动问题的c f d 软件。 2 2 2 应用介绍 f l u e n t 作为专用的c f d 软件，用来模拟从不可压流到中等程度可压流乃至 高度可压流范围内的复杂流场。由于采用了多种求解方法和灵活多重的网格加速 收敛技术，因而f l u e n t 能达到最佳的收敛精度。灵活的非结构化网格和基于求 解精度的自适应网格及成熟的物理模型，使f l u e n t 在层流、湍流、传热、化学 反应、多相流等领域取得了显著成效。以下对f l u e n t 进行简单但是较为全面的 介绍： 1 基本功能 ( 1 ) 二维平面流动、二维轴对称流动和三维流动； ( 2 ) 定常或非定常流动分析； ( 3 ) 亚声速、跨声速、超声速流动； ( 4 ) 层流、湍流； ( 5 ) 牛顿或非牛顿流。 武汉理i ：大学硕十学位论文 ( 6 ) 传热，包括自然对流、强迫对流和混合对流，固体流体藕合传热， 辐射和运动固体的热传导： ( 7 ) 化学组分的混合和化学反应，包括燃烧模型和表面沉积反应模型； ( 8 ) 自由表面和多相流( 包括气一液、气一固和液一固) ； ( 9 ) 离散相( 离子、液滴、气泡) 的挣格朗r 计算，包括与连续相的偶合； ( 1 0 ) 融熔凝固的相变模型； ( 1 1 ) 多孑l 介质模型，具有各向异性的渗透性、惯性阻尼、固体传热和多孔表面 的压力制约条件； ( 1 2 ) 风扇、泵、辐射器和热交换器等的集总参数模型： ( 1 3 ) 惯性或非惯性坐标系； ( 1 4 ) 多种参考系和滑动网格； ( 1 5 ) 应用于转子静子干扰、扭矩变换器及透平机的混合面模型； ( 1 6 ) 热量、质量、动量和化学组分的体积源项。 2 网格性能 ( 1 ) 四边形、三角形，六面体、四面体、棱形、金字塔形网格( 如图2 2 ) ； ( 2 ) 允许非保形( 不连续) 的网格界面重叠； ( 3 ) 接受以下软件产生的网格g a m b i t ，g e o m e s h ，t g r i d ，p r e b f c 和其他软件； ( 4 ) 动态、自适应网格技术，有三角形和四面体网格保形适应、悬挂节点适应和 所有类型网格的嵌套、用户指定区域的网格细化和采用求解变量( 例如y + ， 离壁距离) 和用户自定义物理量的自适应网格细化、细化网格后流场变量自 动插值、网格粗化、网格光顺改进工具、网格处理功能( 缩放、平移、合并、 分裂) 混合网格的生成等功能。 1 4 武汉理i ：大学硕+ 学位论文 口 穗埘搿， 。 险 舞科锚：0 一够 矽印 图2 2 网格分类 3 数值方法 f l u e n t 提供了三种求解方法。f l u e n t5 0 中的求解器有以下特征：完全非结 构化的网格的有限体积法；适用于所有速度范围；动态内存分配；单、双精度运 算。 4 求解方法 ( 1 ) 非耦合的求解方法 基于压力修正的非藕合求解算法，包括s i m p l e ，s i m p l e c 和p i s o ，多种离 散格式( 包括一阶迎风格式、幂次律格式、二阶迎风格式、q u i c k 格式) ，一阶和 二阶隐式时间离散格式，包括p r e s t o 线性插值、二次插值和体积力插值的压力 插值格式，体积力隐式处理，采用v 形、w 形、f 形和拐折循环求解线性代数多 重网格方程，高斯一赛德尔松弛法。 ( 2 ) 耦合求解方法( r a m p a r t 4 2 的发展) 。 5 模型 ( 1 ) 湍流模型：s p a l a r t a l l r m r a s 的一方程输运模型：包括标准的k 一模型， r e a l i z a b l e 模型；应用于旋流，低雷诺数效应和对p r a n d t l e s c h m i d t 数的解析 式，对k e 能量和组元的r n g 子模型，对大涡模拟的亚格子应力模型；包括标 准的壁面函数，非平衡、对压力梯度敏感的壁面函数、k e 模型和r s m 的两层 模型等的不同近壁模型。 ( 2 ) 化学反应和燃烧模型；辐射传热模型；多相流模型。 武汉理1 ：大学硕十学位论文 ( 3 ) 拉格朗日离散相模型。 6 边界条件 ( 1 ) 多种流动入口出口条件有：以笛卡儿坐标、圆柱坐标或者极坐标表示的入 口速度分量的大小和方向，以法向速度的大小及用户自定义的当地坐标分 量； ( 2 ) 入口质量通量； ( 3 ) 入口静压和总压，法向或指定的速度方向； ( 4 ) 多组分系统的入口质量分组分；入口静温和总温； ( 5 ) a j 3 湍流强度和耗散率( 用湍流强度、长度尺度、水力学直径和粘性比输入) ； ( 6 ) 出口静压； ( 7 ) 充分发展管流的出口流动边界条件； ( 8 ) 质量流出； ( 9 ) 进气排气扇进风n 出风口； ( 1 0 ) 壁面边界，指定为：以笛卡儿坐标表示的旋转速度和切向速度分量、包括 滑移条件的剪切率、用热通量、温度、外部对流、辐射以及混合条件表示 的热边界条件。 7 介质物性：常量或可变的物性，包括温度和本构关系( 可输入数据或分段的多 项式) ；包括标准流体和固体介质物( 用户可修补) 性的数据库：标准反应机理、 化学组分混合、热力学和动力学性质；标准固体、液体、液体燃料和媒粒子 液滴数据；根据理想气体规律或温度相关的多项式规律计算流体密度，包括 有浮力流动中密度的b o u s s i n e s q 的处理；用温度的多项式或幂次律或 s u t h e r l a n d 公式的流体粘性计算；非牛顿流体模型，包括幂次律流体或者与 温度相关的用户自定义规律；在固体区域内的与温度有关的热容与热传导； 各向异性的热传导；冷却剂和碳氢的真实气体模型；用户自定义的物性参数 输入。 8 用户自定义函数； 9 界面、图形后处理和报告：多任务处理和远程递交运行的客户一服务器结构： 武汉理i ：大学硕+ 学位论文 全交互式图形和文本式用户界面；宏语言和文本形式；诊断和错误检测：网 格检验( 有效性、质量、大小) 、合并、分开和重新排序功能；启动、求解和 后处理的动态控制；解算器和物理模型的报告；灵活的单位制规定( s i 单位、 英制单位、单一混合单位) ：动态中断和重新计算；残差报告显示；质量、 热量及化学组分的通量的报告和监测；力和力矩的报告和监测；表面积分和 平均的计算和报告；体积积分和平均的计算和报告；周向平均、时间平均和 大涡湍流模型的均方根( r m s ) 报告；用户定义的场函数的计算功能；梯度和导 出量的计算；几何和流场变量的直方图；二维数据x - y 图；数据的图形探测： 强大的图形流动可视化功能。 1 0 数据的输出：数据可输出到a v s ，d a t ae x p l o r e r ，e n s i g h t ，f a s t ，f i e l d v i e w 和t e c p l o t ；e n s i g h t 和f i e l d v i e w 的并行数据输出；f e a 数据输出到n a s t r a n ， p a t r a n 和i - d e a s 2 2 3 f l u e n t 程序求懈问题的步骤 1 确定几何形状，生成计算网格( 用g a m b i t ，也可以读入其它指定程序生 成的网格) 2 选择2 d 或3 d 来模拟计算 3 输入网格 4 检查网格 5 选择解法器 6 选择求解的方程：层流或湍流( 或无粘流) ，化学组分或化学反应，传热 模型等。确定其它需要的模型如：风扇、热交换器、多孔介质等模型。 7 确定流体物性 8 指定边界条件 9 条件计算控制参数 1 0 流场初始化 1 1 计算 1 2 检查结果 1 3 保存结果，后处理等 1 7 武汉理1 ：大学硕十学位论文 第三章物理模型、网格划分及模拟条件 3 1 物理模型 本文脱硫塔物理模型采用洛阳浮法玻璃集团公司从韩国进口的一套半干式 喷雾洗净脱硫设备。脱硫塔实物原型如图3 1 所示，二氧化硫烟气从塔顶进入， 经过净化处理后的烟气从底部右侧出口排出进入下一个处理环节，净化过程中产 生的固体废弃物靠自重落入底部，过一段时间就从固体废弃物出口排出。由于本 文主