ANSYS中的計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent在煙氣脫硫中的應(yīng)用

0 引 言

煙氣脫硫是目前能大規(guī)模控制燃煤造成SO₂污染最為有效的方法之一,而石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)以其脫硫效率高、吸收劑來(lái)源豐富、成本低廉、技術(shù)成熟和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛應(yīng)用.從氣液兩相流體力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)看,脫硫吸收塔內(nèi)流體流動(dòng)的目的是強(qiáng)化氣液兩相的混合和質(zhì)量傳遞、延長(zhǎng)氣液兩相在塔內(nèi)的接觸時(shí)間、增大氣液兩相的接觸面積并盡量減小吸收塔的阻力.合理的塔內(nèi)流場(chǎng)分布對(duì)提高脫硫效率、降低脫硫投資和運(yùn)行成本都具有重要意義.

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)煙氣脫硫吸收塔進(jìn)行大量研究,主要采用實(shí)驗(yàn)方法,如研究塔的阻力特性、液滴運(yùn)動(dòng)速度沿塔高變化和TCA塔內(nèi)溫度場(chǎng)分布等,這些研究對(duì)指導(dǎo)工業(yè)應(yīng)用具有重要意義,但其結(jié)果往往只針對(duì)特定的設(shè)備或結(jié)構(gòu),具有較大的局限性.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamic,CFD)已成為研究三維流動(dòng)的重要方法:周山明等[4]利用FLUENT計(jì)算空塔和噴淋狀態(tài)下的塔熱態(tài)流場(chǎng),結(jié)果表明脫硫吸收塔入口處流場(chǎng)變化最劇烈、壓降損失最大,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果改造來(lái)流煙道;孫克勤等采用混合網(wǎng)格和隨機(jī)顆粒生成模型對(duì)煙氣脫硫吸收塔的熱態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬;郭瑞堂等采用FLUENT結(jié)合非穩(wěn)態(tài)反應(yīng)傳質(zhì)-反應(yīng)理論對(duì)濕法脫硫液柱沖擊塔內(nèi)的流場(chǎng)和SO₂的吸收進(jìn)行數(shù)值模擬.

本文嘗試應(yīng)用FLUENT對(duì)某脫硫吸收塔內(nèi)煙氣脫硫過(guò)程進(jìn)行初步數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析驗(yàn)證本文模擬的合理性,進(jìn)而對(duì)脫硫過(guò)程中脫硫吸收塔內(nèi)是否存在濕壁現(xiàn)象進(jìn)行深入分析研究.

1 基于RANS求解器的CFD數(shù)值模擬
方法
1.1 控制方程

時(shí)均的不可壓縮連續(xù)性方程和N?S方程
(RANS方程)如下:

1.2 湍流模型和多相流模型

RNGk_-ε湍流模型提供針對(duì)低雷諾數(shù)有效黏性的微分解析式,具備數(shù)值穩(wěn)定性好、求解壓力梯度精確以及工程實(shí)用等優(yōu)點(diǎn),因此本文的數(shù)值計(jì)算采用RNGk_-ε湍流模型.多相流模型采用歐拉模型.

1.3 邊界條件
(1)入口邊界條件:采用速度入口邊界條件V_in=V₀.
(2)出口邊界條件:采用出流邊界條件.
(3)物面條件:滿足壁面黏附條件,壁面處流體速度與運(yùn)動(dòng)邊界速度相同.

1.4 數(shù)值離散和求解
(1)時(shí)間項(xiàng)的離散:采用直接1階隱式離散.
(2)空間項(xiàng)的離散:擴(kuò)散項(xiàng)以中心差分格式進(jìn)行差分,對(duì)流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)格式.
采用SIMPLE法處理壓力-速度耦合問(wèn)題,離散方程以Gauss-Seidel迭代法求解.

2 煙氣脫硫數(shù)值模擬

數(shù)值模擬對(duì)象為某個(gè)用于煙氣脫硫的脫硫吸收塔,配有噴槍噴射漿液用于煙氣脫硫,其脫硫過(guò)程涉及漿液對(duì)煙氣中有害氣體的吸收、漿液中Ca(OH)₂與煙氣中硫化物的化學(xué)反應(yīng)以及漿液的蒸發(fā).考慮到具體計(jì)算的時(shí)間問(wèn)題以及實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜程度,本文作相應(yīng)簡(jiǎn)化,不考慮漿液中Ca(OH)₂與煙氣中硫化物的化學(xué)反應(yīng)以及實(shí)際脫硫過(guò)程中的傳熱蒸發(fā).在研究漿液濕壁問(wèn)題時(shí),本文從煙氣及漿液的流
動(dòng)角度(速度分布)進(jìn)行細(xì)致的分析研究,考慮到實(shí)際傳熱蒸發(fā)對(duì)煙氣濕壁具有
很好的抑制作用,因此本文的分析結(jié)論偏于保守可靠.

2.1 數(shù)值模擬對(duì)象

吸收塔入口處煙氣速度為6m/s,噴槍噴射漿液流速度為25m/s.為便于分
析,建立固連于塔體的坐標(biāo)系,并約定:吸收塔對(duì)稱面所在的面為xOy面,z軸垂直于xOy面并滿足右手法則,吸收塔模型和坐標(biāo)系見(jiàn)圖1.采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)吸收塔內(nèi)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)量約為200萬(wàn)個(gè).

圖1 吸收塔模型和坐標(biāo)系

2.2 流場(chǎng)分析

2.2.1 脫硫吸收塔內(nèi)部流場(chǎng)分析

(1)煙氣入口處速度分布均勻,穩(wěn)定在6m/s左右;導(dǎo)流板處煙氣分布較為均勻;煙氣在進(jìn)入噴嘴時(shí),由于與高速漿液進(jìn)行動(dòng)量交換,速度迅速增加到
20m/s以上,并顯示出如噴槍一樣的火焰狀噴射軌跡,脫硫吸收塔對(duì)稱面內(nèi)煙氣速度云圖見(jiàn)圖2;脫硫吸收塔內(nèi)廣大區(qū)域速度較小,根據(jù)連續(xù)性方程,出口
處速度應(yīng)較大,從圖2中亦能看到劇增的出口速度.(2)噴槍處漿液速度云圖見(jiàn)圖3,顯示出與實(shí)際情況相符的火焰狀輪廓,在進(jìn)入脫硫吸收塔內(nèi)后,由于與
煙氣混合在一起,脫硫吸收塔內(nèi)的漿液速度分布幾乎與煙氣一致.(3)進(jìn)一步將脫硫吸收塔內(nèi)流線示意繪出,見(jiàn)圖4,可知脫硫吸收塔內(nèi)煙氣流動(dòng)非常復(fù)雜,煙氣在剛進(jìn)入脫硫吸收塔內(nèi)時(shí)流動(dòng)均勻;而后進(jìn)入主塔體時(shí)形成一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的渦對(duì),左邊的很大,右邊的相比之下較小但強(qiáng)度很強(qiáng),并分別向上和向下卷曲延伸.導(dǎo)流板處及其上表面均無(wú)渦旋,只在趨于主塔體處形成較強(qiáng)的一次渦和二次分離渦.

圖2 對(duì)稱面內(nèi)煙氣速度云圖 圖3 對(duì)稱面內(nèi)漿液速度云圖

圖4 吸收塔內(nèi)部流線示意

2.2.2 三噴槍及導(dǎo)流板局部流場(chǎng)分析

(1)漿液噴射輪廓大于煙氣,接近實(shí)際噴槍,噴射角度近60°,參與煙氣流動(dòng),在脫硫吸收塔內(nèi)形成渦旋.

(2)3組噴槍所在區(qū)域的漿液與空氣流場(chǎng)完全一致,選取對(duì)稱面進(jìn)行流線分析,繪出漿液空氣流線圖.因tecplot中流線是起點(diǎn)式繪制,而噴槍出口輪廓的起點(diǎn)皆為分離點(diǎn),故起點(diǎn)處流線也各個(gè)分離,噴槍所在位置處速度云圖和流線示意見(jiàn)圖5.

圖5 噴槍所在位置處速度云圖和流線示意

(3)導(dǎo)流板處速度分布均勻且未形成渦旋,表明設(shè)計(jì)的導(dǎo)流板導(dǎo)流效果顯著.
綜上所述,從脫硫吸收塔整體及噴槍局部速度云圖和流線可知,FLUENT具備較好的模擬脫硫吸收塔在脫硫過(guò)程中煙氣和漿液流動(dòng)的能力.

2.3 濕壁情況分析

進(jìn)一步選取較小速度比例給出壁面漿液速度云圖,以分析可能的漿液濕壁現(xiàn)象,圖6~9為中間噴槍和左右2個(gè)噴槍在yOz面內(nèi)和相應(yīng)xOz面內(nèi)的速度云圖.由圖6和7可知,左右2個(gè)噴槍噴出的漿液流貼近近壁面.進(jìn)一步截取漿液速度剖面進(jìn)行分析,在近最大輪廓面及以下1.5m處截取剖面并精細(xì)顯示速度云圖,見(jiàn)圖8和9.可知,左右2個(gè)噴槍噴射的漿液流速度在近壁面處達(dá)到3~6m/s,而從整體流線圖看出塔內(nèi)存在渦旋,考慮到實(shí)際噴槍出流速度大于25m/s時(shí)將會(huì)使火焰噴射輪廓更大進(jìn)而射到塔壁上,因此該脫硫吸收塔的設(shè)計(jì)方案有可能出現(xiàn)濕壁現(xiàn)象.建議將左右噴槍挪向中部,并收縮噴槍所在管道直徑,增加噴槍數(shù)量.

3 結(jié) 論

基于商業(yè)軟件FLUENT采用多相流模型針對(duì)脫硫吸收塔內(nèi)煙氣脫硫過(guò)程進(jìn)行初步模擬,建立基于RANS方程的煙氣脫硫多相流數(shù)值模擬方法.通過(guò)對(duì)脫硫吸收塔內(nèi)部和噴槍局部處流場(chǎng)進(jìn)行分析,模擬得到漿液和煙氣在脫硫吸收塔內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律.從模擬結(jié)果看,本文建立的方法可行.通過(guò)對(duì)可能的漿液濕壁現(xiàn)象進(jìn)行分析,認(rèn)為此種脫硫吸收塔的設(shè)計(jì)方案有可能出現(xiàn)濕壁現(xiàn)象,建議將左右噴槍挪向中部,并且收縮噴槍所在管道直徑,增加噴槍數(shù)量.下一步工作將在給定的噴槍速度范圍內(nèi)進(jìn)行系列計(jì)算,綜合比較給定濕壁影響區(qū)域,為施工設(shè)計(jì)提供參考;同時(shí),也考慮在進(jìn)一步的深入計(jì)算中加入傳熱蒸發(fā)模型.