191SHGZ型除尘脱硫装置三维三相流场的数值模拟王晓瑾

第卷年计葬机与盛用化母,,型除尘脱硫装置三维三相流场的数值模拟王晓瑾‘,薄以匀,,陈晋南’,彭炯’,齐金彦,北京理工大学化工与环境学院,北京,北京市劳动保护科学研究所,北京,摘要利用软件对一一型除尘脱硫装置内的三维三相流场进行数值模拟,采用一湍流模型及混合模型作为计算模型,选择算法进行计算。根据计算结果分析了设备内气、液、固三相的体积分数和速度矢量等参数的分布,并对不同横截面的湍动耗散率和湍流动能进行了分析,分析结果表明该设备具有较好的除尘脱硫效果。模拟计算结果对设备的优化设计和实际运转有一定的指导作用。关键词除尘脱硫湍流模型混合模型算法中图分类号文献标识码文章编号!一一·一··’,日。丫丫,,日’,户’,·,,,,,,一!一!·一一,!∀#一一,!∀!#∃%&∋∀())∗+!∀∃+∋+∀(∃%&∋∀∋∋,∀∋∋∋∀∋∃−./∋∃∋+∀+&.0∋(,theanalysisofmodelparametersshowedtharSHG一11一2serubberhas卜ighdedustingeffieieneyanddesulphurizationeffieieney.Furthermore,thenu-meriealresultsareofmajorsignifieaneefortheoptimizationdesi,andpraetiealoperationoftheserubber.Keywords:serubber,turbuleneemodel,mixturemodel,SIMPLEalgorithmWangXJ,BoYY,ChenJN,PengJandQiJY.Numeriealsimulationofthree一dimensionalthree一PhaseflowintheSHG一11一2serubberforFGD.ComputersandAppliedChemist斗,2006,23(3):198一02.前言中国是以煤为主要能源的国家,是世界上煤烟型污染物排放大国,燃煤所造成的502污染已成为制约我国国民经济和社会可持续发展的一个重要影响因素[’一’〕。烟气脱硫是目前国际上广泛采用的控制502的成熟技术,其中湿法烟气脱硫技术常用于燃煤工业锅炉和炉窖的烟气净化川。sHG一n一z型组合式湿式除尘脱硫器是国家“九五”环保科技攻关《湿式除尘脱硫工艺和装备》项目中开发的新一代湿式除尘脱硫一体化设备,净化后烟气的烟尘和50:排放浓度可达北京市锅炉排放标准。目前,研究除尘脱硫装置主要是通过大量的冷态试验来取得设计和优化数据,但是仅通过试验手段难以正确描述除尘脱硫装置内复杂的流动特性。收稿日期:20()5一7一8;修回日期:20()5一11刀5荟金资助:国家“九五”重大基金资助项目作者简介:王晓瑾(1972一),硕士生,化学工程专业户随着计算流体力学(CFD)的发展,在试验研究基础上对除尘脱硫装置内部流场进行数值模拟及计算,其结果可用于指导除尘脱硫装置的优化和设计,不失为一个有效的研究方法。本文利用FLuENT软件对SHG一11一Z型除尘脱硫装置内的三维三相流场进行了数值模拟,采用RNG无一8湍流模型,用SIMPLE算法进行计算[’一明。2数学模型和边界条件根据研究所提供设备的工艺尺寸和操作参数,假设该设备内的流场为气液固三相等温流动,不考虑相间的热量交换;液滴为球形,液滴直径保持常数;不考虑液滴并聚的影响;不考虑液滴的蒸发和化学反应;烟气流速和压力基本保持不变工”一’3〕。在这些假设条件下,建立了数学模型〔’4〕。,23(3)王晓瑾等:SHG一11一Z型除尘脱硫装置三维三相流场的数值模拟混合模型的连续方程为县(p.)+:·(p.石二)=碗(1)口‘式中,。.是质量平均速度为艺a*;*石*砂价二—P二(2)及出口蜗壳等组成。采用六面体结构化网格,划分的网格总数为161524个,所有网格的扭曲度均小于0.650,其中最大扭曲度为0.647,扭曲度小于0.500的网格数为161377个,占总数的99.91%,扭曲度大于0.500的网格数为147个。图2一图11给出了计算结果。p.是混合密度为。一艺a*。*a*为第几相的体积分数,k=1,2,3的质量源。混合模型的动量方程为(3);滋为用户定义景‘;,“。,‘7·‘。。“·“。,一7p+甲·〔拜二(?奋.+Yx上z甲石二)](4)+。,若+户+?·(艺a沪*奋d,,*彩dr,*)式中,n是相数;F。是体积力拼.是混合粘性为;。=艺a,*(5)Fig.1SH----一二------------一--一equiPmentandgridPlotting.1.porousshutter;2.venturiPart;3.eylinderbody;4.exit;5.en-tranee;6.venturi;l脚ngeal(equip3sprayers)图1SHG一n一Z型除尘脱硫装置设备图及网格划分1.多孔塔板;2.文丘里段;3.筒体;4.人口;5.出口;6.文丘里喉部(装有3个喷头)。dr.*是指粉尘相和液滴相的漂移速度为(6)相对速度奋,,即滑流速度被定义为粉尘相或液滴相(p)的速度相对于气相(妇的速度奋,二礼一彩,(7)漂移速度和相对速度(石,)的关系表述为,‘一,=UqP一白下万U,‘(8)从粉尘相或液滴相的连续方程,可以得到体积分数方程为Fig.2图2Contoursofvolumefraetionofa日h:=1.033m.al_瓜丁气“,P,口‘筒体纵截面:二I.O33m粉尘相体积分数分布图+甲·(a,p,石.)=一v·(a沪,石d;,,)(9)本文采用的工艺条件和边界条件为〔”一’6〕:(1)给定的进口工艺条件:进口速度13.75m/s,湍流强度3.87%,湍流长度尺度0.0467m,液滴体积分数0.1,粉尘体积分数0.02,为了更好地显示模拟结果,对液滴和粉尘体积分数进行了适当的放大;(2)给定无滑移壁面边界条件。3模拟计算结果和分析〔‘7一’“〕本文模拟的SHG一11一Z型组合式湿式除尘脱硫装置由倒锥型旋风水膜、塔板、供液装置、除雾装置Fig.3Radl已distributionofvolumefraetion成ashofdil’ferentseetions.图3筒体不同横截面粉尘相体积分数径向分布图图2和图3给出筒体粉尘相体积分数分布图,计算机与应用化李2(X)6,23(3)从图中可以看出筒体壁面浓度大于中心处浓度,在筒体底部靠近壁面处存在粉尘高浓区。不同横截面存在不同的径向浓度分布,在设备人口以下的筒体部分,壁面浓度沿径向逐渐降低,中心处降至最低;在设备人口以上、塔板以下的筒体部分,壁面浓度随截面位置升高而降低,并且在壁面附近存在较大浓度梯度,中心区域浓度较均匀;在塔板以上的筒体部分,由于旋流减弱,筒体横截面上浓度梯度很小,浓度分布基本上均匀一致。脱除是靠液滴的吸收来完成的,所以随着液相的流出,大量二氧化硫被去除。塔板以下的筒体部分不同截面的径向浓度分布基本相同,壁面处浓度梯度最大,中心区域浓度趋于一致,并且随着截面位置的升高,壁面浓度逐渐降低;塔板以上筒体部分壁面浓度梯度较小,中心处浓度分布均匀。Ž一.Œ0uo一曰。.亡oujn一。李Fig.4Contour吕ofvolumefraetionofdmplerz二1.033m.筒体纵截面液滴相体积分数分布图Fig.6Contou花ofvohimefrae眨onofgasz=1.033m.图6筒休纵截面气相体积分数分布图100e+00,9.5处一O!」~一州户洲尸一,了,‘、L9.00e一01日fl一洲声一一‘、,哈~一、产、中中y二一l_500nlll宁宁y=1076mmm~~~y=11.07666……y拓,076668乃oe一l8.O0e.OI7.50e017.00e一016.5倪一01,,厂1.500mmm,,护].076mmm一一广1107666二二y功刀76665叶035.5叶036e斗036.5e+O37叶037)时038e+()38.5e+-03Position(mm)4Ž,Ž一,†||||一!l月图引01010101引020心0心n00王王么么卜卜丘石”d0JjP。uo一1吕山。日nloAooe十O5叶035.5e+036卜036je+037叶037石叶038叶038.5卜03Position(mm)Fig,5Radialdis川butionofvolumefraetionofdroPletofdifferentseetions.图5筒体不同横截面液滴相体积分数径向分布图图4和图5给出筒体液滴相体积分数分布图,从图中可以看出筒体壁面浓度大于中心处浓度,在筒体底部靠近壁面处出现高浓区。由于二氧化硫的Fi各7RadialdistributionOfvolumefraetionofgasofdifferent犯e6ons.图7筒体不同横截面气相体积分数径向分布图图6和图7给出筒体气相体积分数分布图,从图中可以看出在筒体底部中心出现空气的聚集区;塔板下方不同截面上径向体积分数分布基本相同,壁面处体积分数最小,中心区域趋于一致,并且随着截面位置的升高,壁面体积分数逐渐增大;塔板上方气相体积分数分布均匀。这是因为空气进入筒体Fig.8Vel,itydistribu石onofport面t‘tion(:二l.033m)图8纵截面(:=1.033)的速度分布图,23(3)王晓瑾等:SHG一n一Z型除尘脱硫装置三维三相流场的数值模拟Fig.9veloeitydis州butionoferossseetion(z=0.434m).图9横截面(:二。.434m)的速度分布图后,开始旋转向下继而旋转上升,形成上升的空气柱,随着气柱上升,分布变得比较均匀。图8给出各相在筒体纵截面的速度矢量分布图,从图中可以看出,各相进人筒体后的速度矢量分布基本相同。各相从切向人口进人筒体后沿壁面形成向下和向上两股旋流,而在筒体中心处,气相改为上升流动,即形成了内、外旋流两部分流动。经塔板整流作用后,旋流减弱。图9给出人口横截面的速度矢量分布图,从图中可以看出,各相在人口横截面的速度矢量分布基本相同。各相从人口进人后,在文丘里喉部达到速度最大值,进人筒体后速度减小,而且沿径向逐渐降低,在中心处速度达到最低值。图10和图11给出筒体内不同截面湍流特性沿径向的分布图,从图中可以看出,其湍动耗散率和湍流动能的分布规律基本相同。在靠近设备入口的截面上,壁面附近的湍动耗散率和湍流动能都非常大,中心处较小;其它截面的湍动耗散率和湍流动能很小,而且分布比较均匀。9.00份018.00e斗习I团(门芝zuJuo.”s‘山)。1召uo‹韶县55Ql口。工nq纽l1」se...甲...叫尸...甲.SC+03sje+036已斗036乃e斗037e十037.5e斗038e+038乃七十03Position(幻lm)+0+0+0+0+0扣+0+00000000000000000…。;.-,声‘U户、†月崎,J,‘10Fig.10Radialdistributionofturbu卜ntdissiPationrate.图ro湍动耗散率径向分布图4.50e十004一00e+003一5加+0O3.O0e斗002.50e+002.ooe十oo150时001.佣e+005.00e一010.00e斗00团(、s/zuJ月)。u田。口。石吕石。一nqjnl5叶035.5e+036e斗036乃e功37e十037.5份038叶038.5e+03Position(mm)Fig.11Radialdistributionofturbuleneekinetieene卿图n湍流动能径向分布图4结论本文通过对SHG一n一Z型除尘脱硫装置内三维三相流场的数值模拟,分析了粉尘和液滴在筒体内的分布,对研究脱硫机理和改进设备提高除尘脱硫效率具有一定的指导意义,但不能计算出502在设备内的浓度分布。根据模拟结果得出以下结论:(l)粉尘和液滴随气相进入设备筒体后,形成上升旋流和下降旋流,粉尘和液滴主要聚集在