基于CFD的活性炭烟气脱硫数值模拟

2011-04-07杨忠国荀海川都基圣

河南科技大学学报(自然科学版) 2011年1期

杨忠国 ,荀海川 ,都基圣

(1.黑龙江八一农垦大学工程学院,黑龙江大庆 163319;2.大庆市高新热力有限公司,黑龙江大庆 163316)

0 前言

随着能源需求的增长和清洁燃煤技术的发展,二氧化硫污染及酸雨危害成为了我国大气污染的主要问题[1]。目前,国内外应用的 SO2的控制途径有 3种,即燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫(即烟气脱硫)[2]。烟气脱硫是目前世界唯一大规模商业化应用的脱硫方式,是控制 SO2污染和酸雨的主要技术手段。活性炭烟气脱硫是一种先进、高效率的干法脱硫技术,它是 20世纪 70年代以来发展起来的一项脱硫技术。根据烟气脱硫过程是否有水参与及脱硫产物的干湿状态可分为湿法、半干法和干法烟气脱硫[3]。其中湿法烟气脱硫反应速度快,脱硫效率高,应用最广[4-6]。湿法烟气脱硫技术包括:石灰石/石膏法、双碱法氧化镁法、柠檬酸盐法、海水法、氨法等。近年来,我国科技工作者研究出了一些脱硫新技术,如微生物脱硫、硫化碱脱硫、膜吸收法等,这些技术还有待继续研究。

1 模型的建立

1.1 物理模型的建立及简化

移动床反应器采用的是三维模型,对于吸附反应,移动床气体入口和出口直径皆为 1 000 mm,活性炭入口直径为2 000mm,出口直径1 200mm,床层高6 000mm。对于脱附反应,移动床气体入口直径为500mm,出口直径为500mm,活性炭入口直径为1 000mm,活性炭出口直径600mm,床层高3 000mm。模型见图1。

1.2 数学模型的建立

使用CFD软件进行计算,选用标准 k-ε两方程湍流模型,控制方程离散采用二阶迎风差分格式,空间区域离散选择外节点法划分网格,对压力与速度的耦合采用SIMPLE算法求解。流体运动所遵循的规律是由物理学三大守恒定律[7-9]规定的,即质量守恒定律,动量守恒定律和能量守恒定律。

(1)质量守恒方程(连续性方程)

图1 移动床反应器模型简图

式中u、ν、w分别为x、y、z坐标轴上的速度。

(2)动量方程

式中,Γ为广义扩散系数;S为源项。

(3)能量方程

式中,λ为流体的导热系数;Sh为流体的内热源;pdiνU为表面力对流体微元体所做的功,一般可以忽略;Φ为耗散系数。

2 模拟结果及分析

2.1 SO3浓度场的模拟

选择烟气入口速度v=0.5m/s,床层空隙率a=0.35的情况,对SO3浓度场进行模拟,t=2 s、3 s、4 s、5 s时SO3的浓度场见图2。

图2 不同时刻SO3浓度(mg/m3)等值线图

由图2可以看出:

(1)在反应的初始阶段,移动床活性炭出口的 SO3浓度较大,随着化学反应的进行,浓度逐渐变小。这是因为活性炭吸附了一定量的 SO2后,随着新鲜活性炭的补充,吸附了 SO2的活性炭由出口排出。

(2)烟气进口、烟气出口和活性炭进口的 SO3浓度变化不大。

(3)SO2和O2被活性炭吸附后,进行化学反应,生成SO3,随活性炭向下运动,导致活性炭出口处的SO3浓度最大。

(4)当 SO3的反应区超过烟气出口处时,活性炭将失去吸附作用,这时应降低烟气的速度或者加快活性炭下移的速度,以保证脱硫效率。

2.2 烟气入口速度对脱硫效果的影响

对于不同的锅炉,烟气的排放速度有很大的差别。烟气入口速度是影响脱硫效率的一个非常重要的因素,对脱硫过程的影响也较为复杂。如何使活性炭在高空速条件下保持较好的脱硫效果,已经成为工业中烟气脱硫面临的难题。模拟采用4个不同的气体速度(0.5 m/s、0.9m/s、1.1m/s、1.6m/s),对脱硫过程进行模拟,气体入口SO2浓度对SO2浓度的影响见图3和图4。