大型脱硫塔喷淋段气液两相流动与传热的数值仿真及验证

2模拟对象及模型简化

本文以某实际运行的大型喷淋塔为模拟研究对象，采用ANSYSFluent12.0计算平台进行模拟．喷淋塔设计烟气量120万m3/h，原烟气入口温度130,℃，原烟气湿度7%(体积分数)．共4层喷淋，最上层与最下层喷淋层及喷嘴的布置方式相同．

各喷淋层的位置高度为8,m、10,m、11.75,m和13.5,m，底层喷淋距吸收塔入口顶部1.5,m．每层有41个实心锥喷嘴，单喷嘴流量56.6,t/h，喷射角度90°．喷射液滴颗粒的平均直径为1.7,mm，液滴颗粒服从Rosin-Rammler分布．喷淋层结构和喷嘴布置见图1．

吸收塔的模拟范围从浆液池的顶部开始，直至除雾器的入口为止，目的是充分模拟吸收塔内喷淋段的气液两相流动和传热过程．吸收塔入口尺寸为8,m×4.5,m，吸收塔直径11,m，模拟段高度15.5,m，如图2所示；烟气入口在第1层下的入口处，烟气出口在上方，各喷淋层的位置也标示其中．

边界条件：入口条件为速度入口，出口条件为压力出口．采用Launder和Spaleding提出的标准壁面函数法来进行壁面处理．模拟过程中不考虑浆液管路和喷嘴本体对流动的影响．模型总共划分网格数170万，采用六面体网格．

由于采用随机颗粒轨道模型，在整个计算过程中，离散相迭代更新一次总共需跟踪656,000条颗粒轨迹线．因迭代计算量大，所以本文的模拟借助于上海市超级计算机中心的公共平台．

根据工程实际情况，本文的计算模型对脱硫塔内的烟气-浆液两相流动做如下的简化和假设．

(1)将烟气视作不可压缩牛顿流体．

(2)忽略气液两相与塔壁面间的传热；忽略塔内化学反应热和烟气组分在水中的溶解热．

(3)将烟气视为理想气体，将液滴视为刚性球体考虑．

(4)计算中不考虑液滴颗粒之间的碰撞、破碎及聚并效应．不考虑因为液滴蒸发、变形和传质过程导致的烟气流速和曳力系数的变化．

(5)液滴碰壁后便中止液相对气相源项的计算．

3数值模拟结果与分析

3.1气液两相流动的模拟结果

图3为纯气相模拟(不考虑液相)情况下的纵向中心截面的速度矢量场图．可见在没有浆液喷淋的情况下，由于原烟气的刚性和惯性，高速冲入吸收塔后，势必向入口对面的塔壁冲去并折流向上．由于高处仍有较大的气流速度差异．并且由于烟气刚性造成的偏流，使得在吸收塔的左上部和右下侧形成了两个明显的大旋涡．

图4 为底层喷淋和顶层喷淋的模拟结果，其中忽略了烟气流动的影响．很明显，图4(b)所示顶层喷淋下来浆液的停留时间更长，因此气液接触时间也更长．从图4(a)可以看出，喷嘴排布设计达到了很好的截面覆盖率．并且各层喷嘴交错布置(如图1所示)，这样可以照顾到最大的截面覆盖率，强化气液接触效果，为烟气的快速降温和高效洗涤创造了很好的条件．

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