脱硫塔内部流场数值模拟

脱硫塔内部流场数值模拟

循环过滤技术是一种半干法结束的空气过滤技术，透镜塔是整个过程中的重要设备之一。脱硫反应过程发生在脱硫塔内,因此其内部流场特性是实现有效脱硫的重要影响因素之一,理想状态是不同塔高截面上气流分布尽可能均匀一致。通常循环流化床脱硫塔入口结构对其内部流场起决定性作用,它对脱硫塔的影响可以延伸至整个塔体。合理的入口结构可以使脱硫塔内部流体均匀分布,消除烟气在塔内形成的滞留区域,保持流体流动的稳定性,提高烟气和脱硫剂的接触几率。胡金榜等对循环流化床脱硫塔的入口结构进行了流场测量和模拟,表明侧向进气结构和产物回流管导致了气体速度分布的明显不均匀。魏星等对90°弯管入口结构采用改变文丘里管直径和加装导流板来改善速度分布的不均匀性。郭伟等通过加装阶梯导流板和弯曲导流板调节脱硫塔内流场,达到均匀分布气流速度的目的。本文以钢铁厂烧结机烟气脱硫塔为研究对象,其特点为大流量,低压降,且烟气流量变化频繁,传统的文丘里管入口结构压降相对较高,结构也相对复杂,加之烟气流量不稳定,难以实现气流均匀分布的特点。一般循环流化床烟气脱硫工艺处理烟气量很大,脱硫塔尺寸庞大,难以进行原型的实验研究,采用数值模拟方法分析脱硫塔内流场是一种有效的方法,具有很高的经济性和时效性。本文即采用Fluent软件,对常规90°弯管进气结构的脱硫塔气相流场的不均匀性进行了数值模拟,重点考察入口结构对脱硫塔内速度分布均匀性的影响,并提出一种新型组合弯管进气结构代替90°弯管进气结构,以改善脱硫塔内流场的不均匀性。1数值模拟方法和评价方法1.1脱硫塔弯管半径脱硫塔几何模型选用某钢铁公司烧结烟气循环流化床脱硫工艺中的脱硫塔,结构尺寸如图1所示,脱硫塔总高37.5m,塔体直径为6m。烟气从塔底一侧经过90°弯管首先进入一缩管段,后进入脱硫塔。弯管半径R为3700mm,内半径ri=1990mm,外半径ro=5410mm。Z坐标原点位于90°弯管出口中心位置。1.2gampit网格结构设循环流化床脱硫塔内烟气为不可压缩气体,采用Fluent软件提供的标准k-ε湍流模型计算其内部气相流场,其模型方程如下所示:连续性方程:∂ρ∂t+Δ⋅(ρU)=0(1)∂ρ∂t+Δ⋅(ρU)=0(1)动量方程:ρ∂(U)∂t+ρΔ⋅(U⋅U)=−Δ⋅P+Δ⋅τ+ρUg(2)ρ∂(U)∂t+ρΔ⋅(U⋅U)=-Δ⋅Ρ+Δ⋅τ+ρUg(2)式中:U为速度矢量(直角坐标系下,三维速度分别为u,v,w);P为压力,Pa;τ为剪切应力;ρ为流体密度。利用Gambit前处理软件划分网格结构,全部采用结构化网格,数量为30万。压力-速度耦合采用SIMPLE算法,压力梯度项采用标准格式进行处理,各方程对流项采用二阶迎风格式。1.3入口流速vi假设脱硫塔入口管气流为充分发展的湍流,流速沿圆管均匀分布,给定平均入口速度Vi=20m/s;出口边界条件采用压力出口,出口压力为大气压。1.4脱硫塔内流场的纵向均匀度为评定循环流化床脱硫塔内整个流场的均匀性,针对以下截面流场建立评定指标:(1)纵向截面流场:纵向截面位于脱硫塔沿入口方向的轴对称线上,该截面能够反应脱硫塔内部流场的纵向主流特征。(2)横向截面流场:在脱硫塔上取6个横向截面,即截面位置Z=8、12、16、20、24和28m,如图1所示。(3)为定量评定脱硫塔内流场的均匀性,建立以下气流速度不均匀度:ϕ=1n∑i=1n(V−V¯¯¯V¯¯¯)2−−−−−−−−−−−−−−−√(3)ϕ=1n∑i=1n(V-V¯V¯)2(3)式中:V¯¯¯V¯为轴向平均速度,V为任意点的轴向速度。速度不均匀度ϕ越大,表明流场气流分布均匀性越差。2数值模拟结果与讨论2.1流场测试对比为验证模拟结果的有效性,采用激光多普勒测速仪(LDV)对一几何相似的直径为100mm的90°弯管进行了流场测试,并与脱硫塔90°弯管内流场模拟结果进行对比,选取纵向截面与Z=0截面交线的轴向速度进行比较,速度V/Vi无量纲化,径向坐标r用r*=(r-ri)/(ro-ri)-ri/2ri无量纲化,对比结果见图2,对比表明模拟结果与实验测量结果能够较好吻合,达到了工程计算的精度。2.29脱硫塔内部流场不均匀图3为90°弯管入口结构脱硫塔内纵向截面和横向截面的气流分布。由图可以看出,脱硫塔内流场存在严重的不均匀性,脱硫塔下部气流明显偏向迎风一侧。导致脱硫塔内部流场不均匀的主要原因是90°弯管进气结构造成的。进入脱硫塔的气体在90°弯管结构的约束下,直行气流转向上行,外侧压力增大,内侧压力降低。流出90°弯管后,外侧速度逐渐增大,内侧速度逐渐降低,气流偏向脱硫塔入口对面一侧,在脱硫塔内形成偏流现象,造成流场的不均匀分布。这种脱硫塔内速度分布的不均匀一直扩展并延续到整个脱硫塔空间,使脱硫塔同一高度截面上脱硫负荷不均匀,迎风一侧速度高,背风一侧速度低,脱硫剂会在背风一侧沉降,不能与烟气充分接触,脱硫塔内空间不能有效利用,严重降低了脱硫效率。2.3脱硫塔流场模拟结果为了改善90°弯管进气结构脱硫塔内上行气流的不均匀性,采用组合弯管进气结构代替90°弯管进气结构。组合弯管进气结构由逆时针转向的180°弯管和顺时针转向的90°弯管连接而成,其结构形式如图4所示。影响组合弯管结构的因素很多,如弯管的数量、曲率等,这些参数直接影响脱硫塔内的流场分布。在保持180°弯管的半径为3700mm和文丘里管直径不变的前提下,对组合90°弯管的不同半径范围(5000～6000mm)进行数值模拟。最后确定180°弯管的半径为3700mm,90°弯管的半径为5600mm为优选方案。脱硫塔纵向截面流场和横向截面流场模拟结果如图5所示。对比图3和图5,可以看出改造入口结构后脱硫塔内流场的不均匀性比原方案的脱硫塔内部流场的不均匀性有了明显的改善,说明组合弯管进气结构对进入的气流进行调节、整合,使进入脱硫塔的上行气流不出现偏流现象,速度分布均匀,流场调节效果是有效的。这种均匀分布的流场可以保证烟气与脱硫剂均匀接触。2.4脱硫塔气流速度分布不均匀度根据上述定义的气流分布的不均匀度ϕ,忽略壁面影响区,按照图4所取的横向截面,用式(3)对流场进行计算,得出两种不同进气结构的各截面气流速度分布不均匀度,如图6所示。图6表明两种不同进气结构的脱硫塔各横向截面的不均匀度都随脱硫塔高度的增加而减小的,但90°弯管进气结构的各横向截面的不均匀度都大于组合弯管进气结构的各横向截面的不均匀度。这说明在组合弯管进气结构下脱硫塔内部气流分布比90°弯管进气结构下脱硫塔内部气流分布均匀,这更有利于烟气与脱硫剂充分混合。对于90°弯管进气结构,脱硫塔塔体内气流速度分布不均匀度比较接近,约为0.8,只有在脱硫塔出口部位,受到脱硫塔缩口的影响,气流速度分布不均匀度减小。而组合弯管进气结构,烟气在组合弯管作用下由塔底均匀进入。在塔底部分由于射流效应及塔体变径的影响,气流速度分布不均匀度较大,但小于0.8。随脱硫塔高度增加,塔体变径结束,气流速度分布不均匀逐渐减小到0.2,一直延续到塔顶。对比表明,组合弯管能有效改善塔内流场的不均匀度,为优选方案。组合弯管结构是从整体结构上对进气气流进行调节的,从弯管入口至脱硫塔出口压降约为260Pa,文献通过改进文丘里管径和加设挡板来改善气流的分布特征,其脱硫塔塔体直径8.2m,塔高50m,较之本文的脱硫塔较大,但入口速度为14.3m/s,仅为本结构的0.715倍,其压降为本脱硫塔的2.7倍,因此该组合结构相对压降较小,且结构简单,简单易行。3脱硫塔气流速度分布不均匀度(1)利用数值模拟方法对90°弯管进气结构和组合弯管进气结构下循环流化床烟气脱硫塔内部的流场进行了数