卜奔,喬昭毓,劉付永*,董川

(1.山西大學(xué) 環(huán)境科學(xué)研究所,山西 太原 030006;2.山西鋁廠設(shè)計(jì)院有限公司,山西 河津 043304)

0 引言

大氣污染問(wèn)題已經(jīng)日益得到人們的重視,特別是工業(yè)燃燒煤炭過(guò)程產(chǎn)生的SO2已成為大氣污染的重要來(lái)源[1],而我國(guó)的能源構(gòu)成以煤炭為主,且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都不會(huì)改變,因此煤炭清潔利用就成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的必然選擇,發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù),控制煤煙型污染[2]、減少SO2排放,已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)[3]。潔凈煤技術(shù)多種多樣,但是目前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)表明:煙氣脫硫是利于商業(yè)推廣應(yīng)用的潔凈燃煤的主要技術(shù)[4]。煙氣脫硫方法有一百余種,但得到工程實(shí)際運(yùn)用的僅有幾十種[5]。多年的工程實(shí)踐表明:目前最可靠、有效、成熟的方法是石灰石——石膏濕式吸收法,約占世界現(xiàn)有煙氣脫硫裝置機(jī)組容量的85%[6],是目前全球燃煤電廠脫硫所采用的主要方法。在該工藝方法中,煙氣中的SO2濃度沿塔高逐漸降低[7],在達(dá)到塔頂時(shí),脫硫率接近100%。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煙氣脫硫噴淋塔進(jìn)行了一些相關(guān)研究,如噴淋塔的工藝參數(shù)[8-9]、入口尺寸[10]和物理結(jié)構(gòu)[11]等,這些對(duì)實(shí)際工程具有重要意義,但是有很大的局限性,往往只限于某種特定條件。當(dāng)前國(guó)外對(duì)噴淋塔的研究主要是在脫硫機(jī)理或漿液液滴的運(yùn)動(dòng)方面[12-13],國(guó)內(nèi)關(guān)于煙氣脫硫噴淋塔的研究還不多,大多是介紹引進(jìn)設(shè)備的調(diào)試、使用和改善,有些只是對(duì)噴淋塔內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬[1,14],但沒(méi)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與之匹配,專門針對(duì)煙氣入口角度不同對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)分布影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。而噴淋塔內(nèi)氣液流動(dòng)是傳質(zhì)吸收、脫硫效率的主要影響因素,進(jìn)而影響到噴淋塔的尺寸設(shè)計(jì)、初投資和運(yùn)行費(fèi)用。因此,塔內(nèi)氣液流動(dòng)是關(guān)系到噴淋塔以及整個(gè)脫硫裝置效率高低的重要因素之一。

當(dāng)前研究流體流動(dòng)的方法主要有模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬3種[15]。數(shù)值模擬方法可以計(jì)算理論分析無(wú)法求解的數(shù)學(xué)方程,具有經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn),并且能排除模型試驗(yàn)中存在的誤差及安全問(wèn)題[16]。噴淋塔塔內(nèi)的煙氣流動(dòng)屬于自然界普遍存在的一種復(fù)雜流動(dòng)——湍流,對(duì)于湍流的數(shù)值模擬方法主要有:直接數(shù)值模擬、雷諾平均模擬和大渦數(shù)值模擬;其中雷諾平均模擬是工程中模擬復(fù)雜湍流常用的方法。綜觀封閉雷諾應(yīng)力的湍流模型,目前廣泛應(yīng)用的有k-ε模型、雷諾應(yīng)力模型和代數(shù)應(yīng)力模型,k-ε模型具有一定的計(jì)算精度和計(jì)算量小的特點(diǎn),已成功用于無(wú)旋或弱旋回流流動(dòng)的模擬[17-18]。

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法,對(duì)噴淋塔內(nèi)的煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行了研究,分析了氣體單側(cè)直流射入和偏斜進(jìn)入情況下塔內(nèi)流場(chǎng)的分布情況。進(jìn)而依照工程裝置噴淋塔原型,建立了模型實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)噴淋塔模型內(nèi)部的煙氣流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,并將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 噴淋塔氣體流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 計(jì)算模型與方法

利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent,對(duì)噴淋塔模型中不同進(jìn)氣角度的塔內(nèi)氣體流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。由于脫硫噴淋塔內(nèi)存在回流,計(jì)算區(qū)域較大,所以計(jì)算中選取具有一定計(jì)算精度且計(jì)算量較小的k-ε方程湍流模型,表達(dá)式見(jiàn)方程(1)和(2)[19]。

(1)

(2)

計(jì)算中,采用直角坐標(biāo),計(jì)算區(qū)域?yàn)閳A柱體,原點(diǎn)置于圓柱形塔體底面圓心,Z軸正方向沿塔體縱向(軸向)向上,X軸與塔底進(jìn)口中心線一致,Y軸與塔底面平行并與進(jìn)口中心線垂直。氣體進(jìn)入塔內(nèi)的平均速度為u,進(jìn)口方向與塔徑的夾角為a,當(dāng)進(jìn)口方向與塔徑平行時(shí),稱之為直流,即a=0°;進(jìn)口方向與塔徑成一定角度,使氣流進(jìn)入塔內(nèi)旋轉(zhuǎn),稱之為旋流。

這里的物理模型是不可壓縮流體、穩(wěn)態(tài)、湍流、單相氣體。利用Fluent求解器進(jìn)行計(jì)算[20],網(wǎng)格由軟件Gambit生成。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

依照實(shí)際生產(chǎn)中煙氣脫硫工藝裝置原型,模擬建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其主要由噴淋塔塔體、風(fēng)機(jī)、進(jìn)口管道導(dǎo)流板、測(cè)壓裝置、測(cè)速儀等組成。塔體和進(jìn)口管道均用鋼板制作,使其摩擦性質(zhì)與原型近似,噴淋塔塔體根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)為圓柱形,內(nèi)徑×高為Φ200 mm×400 mm,噴淋塔煙氣進(jìn)口為矩形,入口寬度160 mm, 為塔徑的80%,高度62 mm;進(jìn)口管道中間設(shè)置可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)流板,轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)流板可改變氣體進(jìn)口角度;風(fēng)機(jī)采用額定功率為0.12 kW、最大流量為330 m3/h的小型離心式風(fēng)機(jī);測(cè)壓裝置使用U形管測(cè)壓器,在進(jìn)塔前和塔體上部分別開(kāi)設(shè)測(cè)壓孔;流速的測(cè)量使用德國(guó)產(chǎn)TESTO-45型熱球(渦輪)測(cè)速儀,在沿塔高150 mm以上每隔50mm開(kāi)一測(cè)速孔,在各個(gè)高度的截面測(cè)量各點(diǎn)的流速,每一點(diǎn)的流速取時(shí)均值[21]。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

按照相似理論[22],模擬噴淋塔內(nèi)的煙氣流動(dòng):以空氣為流動(dòng)介質(zhì),使其流過(guò)噴淋塔塔體,排向大氣。因?yàn)榭諝庠?0～50℃時(shí)與煙氣運(yùn)動(dòng)粘度接近且當(dāng)流速u≥0.2 m/s時(shí),流動(dòng)處于第二自模化區(qū),與原型中的煙氣流動(dòng)處于同一自?；瘏^(qū),從而保證了實(shí)驗(yàn)中的流動(dòng)與原型相似。順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)口管道中的導(dǎo)流板,可以使氣體以不同角度進(jìn)入塔內(nèi),形成不同強(qiáng)度的逆時(shí)針?biāo)?nèi)旋流流場(chǎng)。首先進(jìn)行常規(guī)的直流流動(dòng)實(shí)驗(yàn),然后改變進(jìn)口角度,造成塔內(nèi)氣體旋轉(zhuǎn)流動(dòng),測(cè)量塔內(nèi)氣體流速分布。采用直角坐標(biāo),底面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn),經(jīng)過(guò)進(jìn)口中點(diǎn)并與塔底面平行的塔徑為X軸,與塔底面平行并與進(jìn)口中心線垂直的軸為Y軸,與塔高方向平行為Z軸,以平行Z軸的速度分量為軸向速度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1.1 三維流場(chǎng)分布

氣體以不同角度偏斜射入噴淋塔,塔內(nèi)流場(chǎng)分布形狀沒(méi)有顯著變化,只是速度大小相應(yīng)變化。圖1是氣體流速u=0.4 m/s時(shí)噴流塔內(nèi)a=0°和a=60°時(shí)的氣體流場(chǎng)分布圖。其中(a)、(b)、(c)分別為a=0°時(shí)塔內(nèi)氣體流場(chǎng)的三維圖、縱剖面圖和h=150 mm的橫截面軸向速度分布圖。由圖1a和1b可以看出在塔內(nèi)中下部部分,軸向速度分布都很不均勻,由圖1c可以看出氣體進(jìn)入噴淋塔的趨勢(shì)是由進(jìn)口流向?qū)γ?而后沿壁面兩邊分開(kāi),在入口側(cè)形成渦流,塔內(nèi)沒(méi)有總體的旋轉(zhuǎn)流動(dòng);圖1中的(d)、(e)、(f)分別是在不改變進(jìn)口幾何結(jié)構(gòu)的情況下氣流以60°的偏斜角度進(jìn)入塔內(nèi)的三維圖、縱剖面圖和h=150 mm的橫截面軸向速度分布圖。從圖1(d)和1(e)中可以清楚地看出,塔內(nèi)氣體總體流動(dòng)較直流(a=0°)時(shí)均勻,流動(dòng)速率從下到上依次降低,且出現(xiàn)整體旋轉(zhuǎn)流動(dòng),在入口側(cè)沒(méi)有形成渦流。由圖1(f)可以看出,塔內(nèi)氣體流場(chǎng)在h=150 mm橫截面時(shí)的軸向速度分布近似于橢圓狀,這是由于進(jìn)口偏斜角度較大,進(jìn)口對(duì)面半邊圓周壁面附近氣體流速較高,而塔中心氣壓較低所導(dǎo)致的。比較兩種工況,可以看出氣體偏斜進(jìn)入噴淋塔內(nèi)后,塔內(nèi)流場(chǎng)在旋流作用下趨于平滑、穩(wěn)定,使氣液接觸面積大、接觸時(shí)間長(zhǎng)。

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)分別為a=0°時(shí)的三維圖、縱剖面圖和h=150 mm的橫截面軸向速度分布圖;(d)、(e)、(f)分別為a=60°時(shí)的三維圖、縱剖面圖和h=150mm的橫截面軸向速度分布圖)圖1 噴淋塔內(nèi)氣體流場(chǎng)分布圖

2.1.2 軸向速度

圖2a是高度為h=150 mm處,氣流入射角度為0°時(shí)軸向速度沿X軸方向的分布。由圖2a可以看出,氣體沿X軸截面速度分布很不均勻,在進(jìn)口側(cè)速度為負(fù)值,說(shuō)明在進(jìn)口側(cè)形成回流區(qū)、死滯區(qū)、渦流區(qū)[7],隨著氣體進(jìn)入塔內(nèi)距離的增加,軸向速度逐漸變大,在接近進(jìn)口對(duì)面塔壁處達(dá)到最大速度0.4 m/s左右;圖2b是高度為h=150 mm處,氣流入射角度為60°時(shí)軸向速度沿X軸方向的分布(Y向投影)。由圖2b可知,當(dāng)氣體進(jìn)口角度a=60°時(shí),塔內(nèi)流場(chǎng)分布有兩個(gè)特點(diǎn):一是軸向速度傾斜分布,表明進(jìn)口射流由于慣性作用進(jìn)入塔內(nèi)仍未完全分散,從而在噴淋塔內(nèi)產(chǎn)生逆向流;二是存在回流區(qū),這可能是因?yàn)樗w的高度小,氣流在塔內(nèi)行程很短,來(lái)不及向整個(gè)截面分散,就已經(jīng)到達(dá)出口,在旋流作用下,中心壓力比較低,頂部出口處很容易從外部將氣體倒吸進(jìn)來(lái)。這說(shuō)明兩種進(jìn)口角度情況下,塔內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生回流區(qū)。當(dāng)氣體平均流速變化時(shí),塔內(nèi)速度分布形態(tài)沒(méi)有明顯的變化,基本相同,只是進(jìn)口對(duì)面近壁面區(qū)域的軸向速度最大值隨流速的變化而相應(yīng)變化。噴淋塔內(nèi)的氣體流場(chǎng)在不同高度橫截面的軸向速度分布整體形狀也沒(méi)有明顯變化,只是最大速度由于能量守恒略減,當(dāng)接近塔頂時(shí),速度趨于平滑穩(wěn)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°)圖2 軸向速度沿X軸方向的分布

2.1.3 徑向速度

當(dāng)平均流速相同,a=0°時(shí),在h=150 mm和h=200 mm兩個(gè)不同高度的截面上,沿X軸方向的徑向速度分布Y向投影如圖3所示?？梢钥闯?在h=150 mm,徑向速度很小,約在0.05 m/s以下,整個(gè)截面上氣體分布不均勻,外側(cè)(進(jìn)口對(duì)面)徑向速度為正,離心流動(dòng);內(nèi)側(cè)(進(jìn)口側(cè))為負(fù),向心流動(dòng)。到了h=200 mm,徑向速度變得更小,約在0.02 m/s以下,總體以離心流動(dòng)為主。比較兩圖,可以看出直流射入時(shí),在h=150 mm和h=200 mm兩個(gè)高度截面上速度產(chǎn)生負(fù)值,可推斷回流區(qū)位于h=200 mm以下。a=60°,u=0.4 m/s時(shí)截面徑向速度分布Y向投影如圖4所示。由圖可知,當(dāng)a=60°時(shí),塔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)旋流流場(chǎng),在兩個(gè)不同高度的截面上,旋流流場(chǎng)下的徑向速度分布較直流(a=0°)時(shí)均勻,尖峰不像直流時(shí)那樣突出,在塔內(nèi)不同高度也是外部離心、內(nèi)部向心流動(dòng),說(shuō)明氣體偏斜進(jìn)入塔內(nèi)后,在旋流作用下流動(dòng)會(huì)趨于平滑、穩(wěn)定,但是速度出現(xiàn)負(fù)值,說(shuō)明塔內(nèi)有回流區(qū)產(chǎn)生。由此可以得出,兩種進(jìn)口角度情況下,回流是不可避免的。當(dāng)氣體平均流速變化時(shí),塔內(nèi)速度分布形態(tài)也沒(méi)有明顯的變化,基本相同,只是進(jìn)口對(duì)面近壁面區(qū)域的徑向速度最大值隨流速的變化而相應(yīng)變化。

Fig.3 Y projection of radial velocity distribution when a=0°,u=0.4 m/s,((a): h=150 mm, (b): h=200 mm)圖3 a=0°,u=0.4 m/s時(shí)截面徑向速度分布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)圖4 a=60°,u=0.4 m/s時(shí)截面徑向速度分布Y向投影((a): h=150 mm,(b): h=200 mm)

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.2.1 角度效應(yīng)

將進(jìn)口管中的導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動(dòng),以經(jīng)過(guò)進(jìn)口中點(diǎn)的塔徑為準(zhǔn),導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別為a=0°、30°和60°,進(jìn)口射流相應(yīng)偏斜,測(cè)量氣體入口角度不同時(shí)的截面速度分布。圖5是平均速度u=0.4 m/s,在上述不同進(jìn)口偏斜角度下,h=200 mm高度時(shí)氣流速度沿X軸的分布。由圖可知,在此條件下,氣流入口角度不同,其軸向速度沿X軸的分布基本一致,都是靠近進(jìn)口側(cè)的軸向速度為負(fù),然后隨著氣體進(jìn)入塔內(nèi)的距離增加,軸向速度逐漸變大,在進(jìn)口對(duì)面一側(cè)達(dá)到最大值,這是由進(jìn)口射流的慣性作用所導(dǎo)致;與a=0°的情況比較,可以看出進(jìn)口射流偏轉(zhuǎn)并沒(méi)有改變流動(dòng)偏斜和存在回流區(qū)的情況,但回流區(qū)的逆流速度在減小。

2.2.2 流量影響

以下選擇氣流入射角度為a=60°,測(cè)試了高度在200 mm處不同氣流量情況下的軸向速度沿X軸的分布情況(本研究通過(guò)控制氣體流速來(lái)控制氣流量),結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖可以看出不同流量下的軸向速度分布都不均勻,靠近進(jìn)口側(cè)的速度都為負(fù)值,表明在進(jìn)口側(cè)形成回流區(qū),回流區(qū)軸向逆流速度隨流量增大而增大;隨著氣體進(jìn)入塔內(nèi)的距離增加,軸向速度變?yōu)橄蛏系恼蛄?并逐漸變大;這說(shuō)明平均速度越高,軸向速度變化越大,流動(dòng)偏斜越嚴(yán)重。這種現(xiàn)象是因?yàn)闅饬鬟M(jìn)入塔內(nèi)后,由于慣性作用,不能很快均勻分散,使氣流沖向?qū)γ?而噴淋塔一般都是直徑大高度低,因此平均速度越高,回流速度越大。這說(shuō)明氣體在偏斜射入情況下,流動(dòng)偏斜和回流區(qū)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圖5 u=0.4 m/s,h=200 mm處 不同進(jìn)口角度的軸向速度分布

Fig.6 Axial velocity distribution when a=60°, h=200 mm with different flow velocity圖6 a=60°,h=200 mm處 不同氣流量的軸向速度分布

Fig.7 Axial velocity distribution when a=60°, u=0.4 m/s with different height圖7 a=60°,u=0.4 m/s不同高度處的軸向速度分布

2.2.3 高度影響

針對(duì)氣流入射角度為60°的情況,測(cè)試了不同高度處的軸向速度沿X軸的分布情況,結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖可見(jiàn),在u=0.4 m/s條件下,沿塔高的軸向速度分布變化不大,都是隨著氣體進(jìn)入塔內(nèi)距離的增加,軸向速度逐漸變大;不同的是在塔高h(yuǎn)=300 mm時(shí),軸向速度沒(méi)有負(fù)值,說(shuō)明在此高度處回流區(qū)基本消失,塔內(nèi)流場(chǎng)趨于均勻分布。而在h=150 mm、200 mm時(shí),靠近進(jìn)口側(cè)的軸向速度為負(fù),這說(shuō)明形成的回流區(qū)是在300 mm以下,且在靠近塔底部分流場(chǎng)偏斜嚴(yán)重。上述情況表明氣體進(jìn)入塔內(nèi)后,由于時(shí)間短,來(lái)不及在塔截面上分散,還是會(huì)在塔下部形成回流區(qū),而在實(shí)際工程裝置中,噴淋塔一般都是直徑大高度低,所以煙氣流過(guò)噴淋塔的時(shí)間很短,不過(guò)3～4 s,因此煙氣進(jìn)入塔內(nèi),在高度一定的情況下,能否在塔下部消除回流,就需要對(duì)進(jìn)口射流的初始狀況進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果吻合較好,這表明用k-ε雙方程湍流模型描述噴淋塔模型內(nèi)的氣體流動(dòng)是正確的,用Fluent軟件對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的,同時(shí)也證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可靠的。

數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不論單側(cè)直流進(jìn)口情況,還是偏斜射流情況,噴淋塔塔內(nèi)都會(huì)形成傾斜不均勻的流場(chǎng)分布,在進(jìn)口側(cè)存在回流區(qū)、死滯區(qū)和渦流區(qū)。當(dāng)氣體入口偏斜一定角度后,回流區(qū)內(nèi)氣體逆向流動(dòng)速度會(huì)減小,同時(shí)隨著氣體流量的減小而減小。在上述兩種工況下,回流區(qū)、死滯區(qū)和渦流區(qū)都會(huì)隨氣流的上升而逐漸減小,最終在塔高300 mm處消失。隨著高度進(jìn)一步升高,塔內(nèi)流場(chǎng)趨于均勻分布,在整個(gè)橫截面上氣流方向都均勻向上。在實(shí)際生產(chǎn)中,噴淋塔過(guò)高會(huì)消耗更多的材料,并且造成施工難度加大,進(jìn)而增加相應(yīng)的費(fèi)用。因此,在保證脫硫效率的前提下,塔高以400 mm左右為宜,如果需要進(jìn)一步降低塔高,提高脫硫效率,就需要對(duì)噴淋塔結(jié)構(gòu)或運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。