脱硫塔流场的数值模拟

北极星环保网讯:摘要：以湿法脱硫塔为研究对象，以紊流模型及颗粒轨道模型为理论基础，利用FLUENT软件计算了脱硫塔内的三维流场．从计算结果来看，脱硫塔塔形、烟气进口形式、脱硫层布置形式等对脱硫塔内的流场都有较大的影响．

.关键词：烟气脱硫；脱硫塔；数值模拟；流场

我国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤炭一直占我国能源生产和消耗的70%以上，随着经济的快速发展，煤炭消耗量不断增长，二氧化硫的排放量也随之增大．二氧化硫是引起大气污染的主要气态污染物，其数量大、影响面广，治理难度也最大．

目前，湿法烟气脱硫工艺是我国和世界各国烟气脱硫的首选工艺，其核心装置为脱硫吸收塔．然而，脱硫塔设计的合理与否将直接影响脱硫效果，因此成为国内外学者研究的热点．李荫堂等人［1］提出在烟气脱硫喷淋塔烟气进口设置导流板或采用切向进口，塔体为圆柱形．

王青宁等人［2］采用氧化锌作为脱硫剂，进行了脱除硫化氢的实验研究．KIKKA-WAHirofumi［3］在喷淋塔内使用粒状石灰石做脱硫剂进行了试验研究．杨忠国等人［4］利用CFD软件对移动床内的SO3浓度场、烟气速度场和压力场进行了模拟计算，研究了烟气入口速度、烟气入口SO2浓度等因素对脱硫效率的影响．

本文以某造纸厂建造的一套冷凝式烟气脱硫系统中的脱硫塔为研究对象，该脱硫系统用于处理该厂蒸发量为4t/h的燃煤锅炉所产生的烟气．原脱硫塔烟气经除尘器后进入管式烟硫塔流出后进入管式烟气换热器，与较高温度的原烟气换热升温后经烟囱排放．

系统原有的脱硫塔在实际投运后发现不足以处理锅炉产生的烟气，主要存在的问题有：脱硫塔烟气入口面积较小，且圆柱形入口导致烟气集中进入塔体，不利于烟气扩容；烟气入口为水平方向，易引起烟气贴壁运动；塔内烟气速度过大，且分布不均匀；有喷淋时烟气流场虽有所改善，但烟气到达喷淋层时分布尚不均匀，喷淋层布置偏少．

针对以上问题，本文提出了合理的优化措施，对原脱硫塔进行了优化设计．利用Fluent软件对原脱硫塔及优化设计后的脱硫塔塔内流场分别进行数值模拟，并将模拟结果进行比较，得出了更为合理的塔形．

1脱硫塔的优化设计

针对目前脱硫塔存在的问题，做以下改进：采用宽大的矩形烟气入口，以使烟气低速分散进入塔体；设计烟气进口与水平成10°，减少烟气贴壁流动；增大塔体直径，降低塔内烟气流速；增高塔体高度，使烟气在塔内充分扩容，均匀分布；增加气液接触时间，喷淋层数增加为3层，分别在1m，1．5m，2m高处设置喷淋层，每层设5个喷嘴，且每层喷嘴相差30°．表1给出了脱硫塔的基本参数．

表1脱硫塔基本参数

2流场模拟与实验验证

2．1物理原型

选取冷凝式脱硫塔作为数值计算的物理原型，并在数值计算时对物理原型的计算区域稍作改进．仅以水池以上的烟气扩容区域直至烟气出口作为研究区域，并认为塔内各构件（喷淋管、喷嘴等）对流场的影响可以忽略．应用Fluent商用软件分别对优化设计后的脱硫塔塔内气液两相流动情况有、无喷淋的两种工况进行数值模拟，并通过实验对模拟结果进行验证．

2．2基本假设及网格划分

2．2．1基本假设

为方便塔内气液两相流流场的模拟计算，使塔内的运动状况得以简化，做以下假设：

（1）将烟气视为不可压缩粘性流体，忽略其温度变化对密度的影响；

（2）假定脱硫塔绝热，烟气与喷淋液滴进行对流换热；

（3）忽略塔内喷嘴、脱硫喷淋母管、支管等构件对传热及流动的影响；

（4）颗粒初始速度均匀分布；

（5）脱硫剂液滴碰壁后贴壁流下，不再对气相造成影响；

（6）气相作为连续相考虑，液相作为离散相考虑．

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