卜奔,乔昭毓,刘付永*,董川

(1.山西大学 环境科学研究所,山西 太原 030006;2.山西铝厂设计院有限公司,山西 河津 043304)

0 引言

大气污染问题已经日益得到人们的重视,特别是工业燃烧煤炭过程产生的SO2已成为大气污染的重要来源[1],而我国的能源构成以煤炭为主,且在今后相当长的时间内都不会改变,因此煤炭清洁利用就成为我国经济发展和环境保护相协调的必然选择,发展洁净煤技术,控制煤烟型污染[2]、减少SO2排放,已成为我国经济社会可持续发展的重要任务[3]。洁净煤技术多种多样,但是目前的经济技术评价表明:烟气脱硫是利于商业推广应用的洁净燃煤的主要技术[4]。烟气脱硫方法有一百余种,但得到工程实际运用的仅有几十种[5]。多年的工程实践表明:目前最可靠、有效、成熟的方法是石灰石——石膏湿式吸收法,约占世界现有烟气脱硫装置机组容量的85%[6],是目前全球燃煤电厂脱硫所采用的主要方法。在该工艺方法中,烟气中的SO2浓度沿塔高逐渐降低[7],在达到塔顶时,脱硫率接近100%。

国内外对烟气脱硫喷淋塔进行了一些相关研究,如喷淋塔的工艺参数[8-9]、入口尺寸[10]和物理结构[11]等,这些对实际工程具有重要意义,但是有很大的局限性,往往只限于某种特定条件。当前国外对喷淋塔的研究主要是在脱硫机理或浆液液滴的运动方面[12-13],国内关于烟气脱硫喷淋塔的研究还不多,大多是介绍引进设备的调试、使用和改善,有些只是对喷淋塔内部的流场进行数值模拟[1,14],但没有相关实验数据与之匹配,专门针对烟气入口角度不同对塔内流场分布影响的研究鲜见报道。而喷淋塔内气液流动是传质吸收、脱硫效率的主要影响因素,进而影响到喷淋塔的尺寸设计、初投资和运行费用。因此,塔内气液流动是关系到喷淋塔以及整个脱硫装置效率高低的重要因素之一。

当前研究流体流动的方法主要有模型试验、理论分析和数值模拟3种[15]。数值模拟方法可以计算理论分析无法求解的数学方程,具有经济、高效的特点,并且能排除模型试验中存在的误差及安全问题[16]。喷淋塔塔内的烟气流动属于自然界普遍存在的一种复杂流动——湍流,对于湍流的数值模拟方法主要有:直接数值模拟、雷诺平均模拟和大涡数值模拟;其中雷诺平均模拟是工程中模拟复杂湍流常用的方法。综观封闭雷诺应力的湍流模型,目前广泛应用的有k-ε模型、雷诺应力模型和代数应力模型,k-ε模型具有一定的计算精度和计算量小的特点,已成功用于无旋或弱旋回流流动的模拟[17-18]。

本文通过数值模拟的方法,对喷淋塔内的烟气流动情况进行了研究,分析了气体单侧直流射入和偏斜进入情况下塔内流场的分布情况。进而依照工程装置喷淋塔原型,建立了模型实验台,对喷淋塔模型内部的烟气流场进行了实际测试,并将数值模拟数据和实验数据进行了对比分析。

1 喷淋塔气体流场的数值模拟与实验方法

1.1 计算模型与方法

利用计算流体力学软件Fluent,对喷淋塔模型中不同进气角度的塔内气体流场进行数值模拟计算。由于脱硫喷淋塔内存在回流,计算区域较大,所以计算中选取具有一定计算精度且计算量较小的k-ε方程湍流模型,表达式见方程(1)和(2)[19]。

(1)

(2)

计算中,采用直角坐标,计算区域为圆柱体,原点置于圆柱形塔体底面圆心,Z轴正方向沿塔体纵向(轴向)向上,X轴与塔底进口中心线一致,Y轴与塔底面平行并与进口中心线垂直。气体进入塔内的平均速度为u,进口方向与塔径的夹角为a,当进口方向与塔径平行时,称之为直流,即a=0°;进口方向与塔径成一定角度,使气流进入塔内旋转,称之为旋流。

这里的物理模型是不可压缩流体、稳态、湍流、单相气体。利用Fluent求解器进行计算[20],网格由软件Gambit生成。

1.2 实验装置及测试方法

1.2.1 实验装置

依照实际生产中烟气脱硫工艺装置原型,模拟建立实验系统,其主要由喷淋塔塔体、风机、进口管道导流板、测压装置、测速仪等组成。塔体和进口管道均用钢板制作,使其摩擦性质与原型近似,喷淋塔塔体根据实际生产设计为圆柱形,内径×高为Φ200 mm×400 mm,喷淋塔烟气进口为矩形,入口宽度160 mm, 为塔径的80%,高度62 mm;进口管道中间设置可转动的导流板,转动导流板可改变气体进口角度;风机采用额定功率为0.12 kW、最大流量为330 m3/h的小型离心式风机;测压装置使用U形管测压器,在进塔前和塔体上部分别开设测压孔;流速的测量使用德国产TESTO-45型热球(涡轮)测速仪,在沿塔高150 mm以上每隔50mm开一测速孔,在各个高度的截面测量各点的流速,每一点的流速取时均值[21]。

1.2.2 实验测试方法

按照相似理论[22],模拟喷淋塔内的烟气流动:以空气为流动介质,使其流过喷淋塔塔体,排向大气。因为空气在20～50℃时与烟气运动粘度接近且当流速u≥0.2 m/s时,流动处于第二自模化区,与原型中的烟气流动处于同一自模化区,从而保证了实验中的流动与原型相似。顺时针转动进口管道中的导流板,可以使气体以不同角度进入塔内,形成不同强度的逆时针塔内旋流流场。首先进行常规的直流流动实验,然后改变进口角度,造成塔内气体旋转流动,测量塔内气体流速分布。采用直角坐标,底面圆心为坐标原点,经过进口中点并与塔底面平行的塔径为X轴,与塔底面平行并与进口中心线垂直的轴为Y轴,与塔高方向平行为Z轴,以平行Z轴的速度分量为轴向速度。

2 结果分析与讨论

2.1 数值模拟结果

2.1.1 三维流场分布

气体以不同角度偏斜射入喷淋塔,塔内流场分布形状没有显著变化,只是速度大小相应变化。图1是气体流速u=0.4 m/s时喷流塔内a=0°和a=60°时的气体流场分布图。其中(a)、(b)、(c)分别为a=0°时塔内气体流场的三维图、纵剖面图和h=150 mm的横截面轴向速度分布图。由图1a和1b可以看出在塔内中下部部分,轴向速度分布都很不均匀,由图1c可以看出气体进入喷淋塔的趋势是由进口流向对面,而后沿壁面两边分开,在入口侧形成涡流,塔内没有总体的旋转流动;图1中的(d)、(e)、(f)分别是在不改变进口几何结构的情况下气流以60°的偏斜角度进入塔内的三维图、纵剖面图和h=150 mm的横截面轴向速度分布图。从图1(d)和1(e)中可以清楚地看出,塔内气体总体流动较直流(a=0°)时均匀,流动速率从下到上依次降低,且出现整体旋转流动,在入口侧没有形成涡流。由图1(f)可以看出,塔内气体流场在h=150 mm横截面时的轴向速度分布近似于椭圆状,这是由于进口偏斜角度较大,进口对面半边圆周壁面附近气体流速较高,而塔中心气压较低所导致的。比较两种工况,可以看出气体偏斜进入喷淋塔内后,塔内流场在旋流作用下趋于平滑、稳定,使气液接触面积大、接触时间长。

Fig.1 Distribution diagram of gas flow field in a spray tower(u=0.4 m/s,h=150 mm. (a), (b) and (c) are 3 dimensions, longitudinal section and cross section axial velocity, respectively,a=0°.(d), (e) and (f) are 3 dimensions, longitudinal section and cross section axial velocity, respectively,a=60°)(流速u=0.4 m/s,(a)、(b)、(c)分别为a=0°时的三维图、纵剖面图和h=150 mm的横截面轴向速度分布图;(d)、(e)、(f)分别为a=60°时的三维图、纵剖面图和h=150mm的横截面轴向速度分布图)图1 喷淋塔内气体流场分布图

2.1.2 轴向速度

图2a是高度为h=150 mm处,气流入射角度为0°时轴向速度沿X轴方向的分布。由图2a可以看出,气体沿X轴截面速度分布很不均匀,在进口侧速度为负值,说明在进口侧形成回流区、死滞区、涡流区[7],随着气体进入塔内距离的增加,轴向速度逐渐变大,在接近进口对面塔壁处达到最大速度0.4 m/s左右;图2b是高度为h=150 mm处,气流入射角度为60°时轴向速度沿X轴方向的分布(Y向投影)。由图2b可知,当气体进口角度a=60°时,塔内流场分布有两个特点:一是轴向速度倾斜分布,表明进口射流由于惯性作用进入塔内仍未完全分散,从而在喷淋塔内产生逆向流;二是存在回流区,这可能是因为塔体的高度小,气流在塔内行程很短,来不及向整个截面分散,就已经到达出口,在旋流作用下,中心压力比较低,顶部出口处很容易从外部将气体倒吸进来。这说明两种进口角度情况下,塔内都会产生回流区。当气体平均流速变化时,塔内速度分布形态没有明显的变化,基本相同,只是进口对面近壁面区域的轴向速度最大值随流速的变化而相应变化。喷淋塔内的气体流场在不同高度横截面的轴向速度分布整体形状也没有明显变化,只是最大速度由于能量守恒略减,当接近塔顶时,速度趋于平滑稳定。

Fig.2 Distribution of axial velocity along the X direction(u=0.4m/s, h=150 mm (a) a=0°, (b) a=60°)(u=0.4 m/s,h=150 mm (a) a=0°, (b) a=60°)图2 轴向速度沿X轴方向的分布

2.1.3 径向速度

当平均流速相同,a=0°时,在h=150 mm和h=200 mm两个不同高度的截面上,沿X轴方向的径向速度分布Y向投影如图3所示。可以看出,在h=150 mm,径向速度很小,约在0.05 m/s以下,整个截面上气体分布不均匀,外侧(进口对面)径向速度为正,离心流动;内侧(进口侧)为负,向心流动。到了h=200 mm,径向速度变得更小,约在0.02 m/s以下,总体以离心流动为主。比较两图,可以看出直流射入时,在h=150 mm和h=200 mm两个高度截面上速度产生负值,可推断回流区位于h=200 mm以下。a=60°,u=0.4 m/s时截面径向速度分布Y向投影如图4所示。由图可知,当a=60°时,塔内会出现旋流流场,在两个不同高度的截面上,旋流流场下的径向速度分布较直流(a=0°)时均匀,尖峰不像直流时那样突出,在塔内不同高度也是外部离心、内部向心流动,说明气体偏斜进入塔内后,在旋流作用下流动会趋于平滑、稳定,但是速度出现负值,说明塔内有回流区产生。由此可以得出,两种进口角度情况下,回流是不可避免的。当气体平均流速变化时,塔内速度分布形态也没有明显的变化,基本相同,只是进口对面近壁面区域的径向速度最大值随流速的变化而相应变化。

Fig.3 Y projection of radial velocity distribution when a=0°,u=0.4 m/s,((a): h=150 mm, (b): h=200 mm)图3 a=0°,u=0.4 m/s时截面径向速度分布Y向投影((a): h=150 mm,(b): h=200 mm)

Fig.4 Y projection of radial velocity distribution when a=60°, u=0.4 m/s,((a): h=150 mm, (b): h=200 mm)图4 a=60°,u=0.4 m/s时截面径向速度分布Y向投影((a): h=150 mm,(b): h=200 mm)

2.2 实验测试结果

2.2.1 角度效应

将进口管中的导流板转动,以经过进口中点的塔径为准,导流板转动角度分别为a=0°、30°和60°,进口射流相应偏斜,测量气体入口角度不同时的截面速度分布。图5是平均速度u=0.4 m/s,在上述不同进口偏斜角度下,h=200 mm高度时气流速度沿X轴的分布。由图可知,在此条件下,气流入口角度不同,其轴向速度沿X轴的分布基本一致,都是靠近进口侧的轴向速度为负,然后随着气体进入塔内的距离增加,轴向速度逐渐变大,在进口对面一侧达到最大值,这是由进口射流的惯性作用所导致;与a=0°的情况比较,可以看出进口射流偏转并没有改变流动偏斜和存在回流区的情况,但回流区的逆流速度在减小。

2.2.2 流量影响

以下选择气流入射角度为a=60°,测试了高度在200 mm处不同气流量情况下的轴向速度沿X轴的分布情况(本研究通过控制气体流速来控制气流量),结果见图6。由图可以看出不同流量下的轴向速度分布都不均匀,靠近进口侧的速度都为负值,表明在进口侧形成回流区,回流区轴向逆流速度随流量增大而增大;随着气体进入塔内的距离增加,轴向速度变为向上的正向流,并逐渐变大;这说明平均速度越高,轴向速度变化越大,流动偏斜越严重。这种现象是因为气流进入塔内后,由于惯性作用,不能很快均匀分散,使气流冲向对面,而喷淋塔一般都是直径大高度低,因此平均速度越高,回流速度越大。这说明气体在偏斜射入情况下,流动偏斜和回流区也是不可避免的。

Fig.5 Axial velocity distribution when u=0.4 m/s,h=200 mm with different inlet angles图5 u=0.4 m/s,h=200 mm处 不同进口角度的轴向速度分布

Fig.6 Axial velocity distribution when a=60°, h=200 mm with different flow velocity图6 a=60°,h=200 mm处 不同气流量的轴向速度分布

Fig.7 Axial velocity distribution when a=60°, u=0.4 m/s with different height图7 a=60°,u=0.4 m/s不同高度处的轴向速度分布

2.2.3 高度影响

针对气流入射角度为60°的情况,测试了不同高度处的轴向速度沿X轴的分布情况,结果见图7。由图可见,在u=0.4 m/s条件下,沿塔高的轴向速度分布变化不大,都是随着气体进入塔内距离的增加,轴向速度逐渐变大;不同的是在塔高h=300 mm时,轴向速度没有负值,说明在此高度处回流区基本消失,塔内流场趋于均匀分布。而在h=150 mm、200 mm时,靠近进口侧的轴向速度为负,这说明形成的回流区是在300 mm以下,且在靠近塔底部分流场偏斜严重。上述情况表明气体进入塔内后,由于时间短,来不及在塔截面上分散,还是会在塔下部形成回流区,而在实际工程装置中,喷淋塔一般都是直径大高度低,所以烟气流过喷淋塔的时间很短,不过3～4 s,因此烟气进入塔内,在高度一定的情况下,能否在塔下部消除回流,就需要对进口射流的初始状况进行改进。

3 结论

通过对实验值与数值模拟计算值进行比较,发现两种结果吻合较好,这表明用k-ε双方程湍流模型描述喷淋塔模型内的气体流动是正确的,用Fluent软件对塔内流场进行数值模拟是可行的,同时也证明实验结果是可靠的。

数值模拟和实验结果表明,不论单侧直流进口情况,还是偏斜射流情况,喷淋塔塔内都会形成倾斜不均匀的流场分布,在进口侧存在回流区、死滞区和涡流区。当气体入口偏斜一定角度后,回流区内气体逆向流动速度会减小,同时随着气体流量的减小而减小。在上述两种工况下,回流区、死滞区和涡流区都会随气流的上升而逐渐减小,最终在塔高300 mm处消失。随着高度进一步升高,塔内流场趋于均匀分布,在整个横截面上气流方向都均匀向上。在实际生产中,喷淋塔过高会消耗更多的材料,并且造成施工难度加大,进而增加相应的费用。因此,在保证脱硫效率的前提下,塔高以400 mm左右为宜,如果需要进一步降低塔高,提高脱硫效率,就需要对喷淋塔结构或运行参数进行优化和改进。