基于CFD技术的镁法脱硫塔入口烟道流场优化分析

北极星环保网讯:摘要:以某300MW机组镁法脱硫塔为研究对象,针对入口烟道内存在的气流冲壁现象,利用计算流体动力学软件Ansys13.0,对其进行了流场数值模拟。塔内烟气采用Reynolds时均Navier-Stokes方程描述,离散相采用拉格朗日模型描述。

通过对布置不同导流板的方案分析表明,在烟道内布置若干数量的导流板,可以有效地缓解入口烟道内壁的气流冲刷现象;同时导流板的布置使得塔内烟气流场分布更加均匀,气液两相混合更的均匀,并提高了吸收效率。综合考虑入口导流板数量以及塔内流场分布,布置三块导流板最为合理;另外针对入口处布置不同数量导流板的模拟结果对镁法喷淋塔的现场运行以及结构优化提供理论依据。

关键词:镁法烟气脱硫;导流板;优化;Ansys13.0

中国是一个以煤炭为主要能源的国家,并且大部分煤炭品位低,原煤中灰分和硫含量较高[1],煤炭燃烧生成的SO2已成为中国大气污染的主要污染物。火电厂排放的SO2约占全国SO2排放量的1/3[2]。我国在1995年SO2排放量严重超出环境的自净能力,其总量达到2370万吨,超越欧洲和美国等地区。目前我国发电企业仍以火电为主,控制SO2排放成为我国发电企业面临的重大问题。

自2002年,中国在电力行业内开展了大规模的SO2治理工程。为控制以SO2排放为主造成酸雨污染的恶化趋势,脱硫工艺的发展也越来越成熟,这其中应用比较广泛的是镁法、钙法、氨法等工艺[3-4]。镁法脱硫技术的优点有:占地面积小、综合效益好、运行费用低、安全可靠、脱硫效率高、没有二次污染、副产品能产生一定的经济效益等,同时又避免了大型湿法脱硫的诸多缺点,因此镁法脱硫将逐步得到更为广泛的应用[5]。

多数湿法喷淋塔在设计和运行时均没有充分考虑烟道的优化,喷淋塔内气液两相流场以及进口烟道内的流场分析对于整个系统的可靠性及安全运行具有重要的意义。

本文针对某300MW机组镁法脱硫塔入口烟道存在的气流冲刷内壁面的现象进行分析,采取喷淋塔入口烟道处布置不同导流板的方案作为应对策略,运用Ansys13.0软件,对其导流板的数量以及塔内流场进行了三维数值模拟,其模拟结果与原塔进行对比分析,选出最优方案,期望对系统的实际运行及优化提供理论依据。

1喷淋塔内部烟气流场数学模型的建立

1.1烟气相流场的控制方程

在脱硫塔内,烟气向上流动,液体向下流动,属于三维非定常气液两相流动,气液两相在塔内的运动过程中伴随着质量和动量方面的交换,这些交换是一直存在的。欧拉坐标系下的烟气流场方程为

式中:φ为通用变量(可以是湍动能、耗散率和速度等的求解变量);Γφ为广义扩散系数;U为速度矢量;

Sφp为液滴对烟气的作用源项。在此方程的基础上气相的模拟采用标准k-ε双方程模型实现方程的封闭[6-7]。同时,近壁面选用壁面函数法来修正[8]。因为Launder等[9]人提出的k-ε双方程模型有较高的计算精度且计算量较小的优点,所以雷诺应力项的封闭采用k-ε双方程。

1.2液相控制方程

由于Lagrangian颗粒轨道模型可以完整地考虑颗粒与流体间的相互作用,采用随机轨道方法进行修正,并且在计算过程中跟踪计算颗粒沿轨道的动量增加与损失,与此同时所得计算结果方便用于后续的连续相计算中,因此液相模拟采用Lagrangian颗粒随机轨道模型。

液滴相控制方程

式中:dp为粒径;u为速度,m/s;μ为动力粘度,Pa˙s;ρ为密度,kg/m3;d为粒径,m;CD为同ReD有关的函数。

2脱硫塔内烟气流场的模拟计算

2.1建立脱硫塔模型及假设

本文模拟的喷淋塔模型如图1所示(简化后模型),其模型为逆流喷淋塔。烟气从脱硫塔入口进入塔内,塔内喷嘴向下喷淋液滴,烟气与液滴互相接触发生化学反应进而达到净化烟气的目的,被净化后的烟气从塔内上部的除雾器排出喷淋塔。

图1喷淋塔结构示意图

由于采取以下假设能使建模以及计算过程得到简化[10-13],同时结果的精确性受到略微的影响。因为本文主要的研究是对脱硫塔内的流场作定性分析而非定量分析,略微的误差是可以接受的。

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