计算流体力学(CFD)辅助湿法烟气脱硫系统设计.doc

液柱塔喷浆管道流场优化 杜云贵 邓佳佳 杨斌懿 余宇 中电投远达环保工程有限公司 摘要：喷淋液柱吸收塔喷浆管道各喷嘴的喷射流量以及液柱高度对其脱硫率有很大的影响。本文基于计算流体力学Fluent软件平台，对某电厂2×360MW机组液柱脱硫塔喷浆管建立数学物理模型。采用基于有限体积法的SIMPLE算法进行计算，计算对比了不同结构喷浆管各喷嘴对应的液柱高度分布以及流量分布，得到了最优化的液柱塔喷浆管道结构，并根据计算结果指导设计。该喷浆管道的优化设计充分说明了CFD模拟结果能有效地指导液柱塔喷浆管道的设计与优化。 关键词：喷浆管Fluent　优化设计 喷淋液柱吸收塔（以下简称液柱塔）是一种湿法脱硫装置，具有结构简单、投资省、维护方便等优点[1]，目前在国内已有一些工业应用。液柱塔的浆液喷射高度以及浆液流量分布均匀性对液柱塔的脱硫特性有很大的影响。现阶段国内液柱塔的喷浆管道设计根据引进技术的技术来设计，设计方法呆板粗糙而且容易造成浪费。为形成国内具有自主知识产权的液柱塔喷浆管道设计方法，需要对液柱塔喷浆管道流场进行模拟。 国内外对液柱塔进行了许多实验研究，如液柱塔的阻力特性研究[1]、液柱高度与喷嘴压力、流量、液柱散落面积直径等于喷嘴压力、流量等的关系[2]等，这些研究对指导工业应用具有重要意义，但其实验结果往往只能针对特定的设备或结构，具有很大的局限性。随着计算机技术的迅速发展，CFD（computational fluid dynamics,）已成为研究流体流动的重要手段，采用该技术可以弥补和克服传统设计方法的缺陷，减少物理试验次数，缩短研发周期，节约研究经费，还可以获取大量局部、瞬时数据，来指导工程的设计和优化[3,4]。 本文利用Fluent软件对某电厂2×360MW机组液柱塔喷浆管流场建模，并进行数值模拟，模拟了共计84种不同工况下的喷浆管流场，分别比较了各工况条件下液柱喷射高度以及流量标准方差分布规律，得到了最优化的喷浆管结构。 2物理模型 用于脱硫工程的液柱塔如图1所示。烟气从塔下部进入，与喷浆管喷出浆液接触净化后，经除雾器排到塔外。浆液自设置在塔底部的耐磨特殊喷嘴向上喷出，与烟气发生气液接触后使之脱硫。液柱塔具有阻力小，内构件少，不易结垢等优点，因而被很多国内电厂选用。 图1 液柱塔构造图 如下图2所示是常用的某2×360MW电厂液柱塔喷浆管道中的一支，单根浆液管进口处的浆液流量为251.08kg/s，该管道上面布置了13个喷嘴。根据流体力学的原理分析，随着浆液的喷出，喷浆管内的浆液流速越来越低，必将导致喷管顶端的喷嘴处压力偏大，从而影响喷浆管各喷嘴的喷射高度和流量均匀性。工程上常用的方式，就是在喷浆管的顶端布置一从顶端到进口不断下降的导流隔板，来提高喷管顶端的压力，从而优化浆液喷射高度和流量分配均匀性。该导流隔板的位置由如图2所示的x，y两个长度参数确定，喷嘴编号如图2所示。 图2. 喷浆管简化模型 3数学模型 3.1模型基本假设 （1）假设喷浆管内浆液流动为三维、定常、不可压缩流动，湍流是各向同性的； （2）忽略液柱塔内烟气流动以及塔内的化学反应对浆液柱的影响； （3）忽略浆液内的固体颗粒对浆液流动的影响，假设整个喷浆管是绝热的。 3.2控制方程 由于本文研究的流场属三维定常流动，采用湍流时均流的控制方程。其标准的控制方程为： 连续性方程： （1） 动量方程： （2） 式中：为流体的平均流速；为平均压力；代表分子粘性系数；为组分的平均浓度；代表由湍流脉动引起的雷诺应力张量；h为总焓； 为有效热传导系数；、分别代表连续方程、动量方程的源项。 湍流模型： 本文选取了有一定计算精度且计算量较小的双方程湍流模型，其表达式为[5]： （3） （4） 式中：；、、分别代表平均速度梯度引起的湍动能生成项、浮升力引起的湍动能生成项及浮升力对湍流的影响系数；分别代表的湍流Prandtl数；，，，，。 3.3边界条件与数值方法 本文使用基于有限体积法的SIMPLE算法[6]的Fluent软件，对不同结构的喷浆管流场进行了数值模拟。 4计算结果与讨论 4.1无导流隔板方案 本文首先模拟了无导流隔板的方案。无导流隔板的喷浆管工况各喷嘴对应的液柱高度分布曲线如图3，流量分布曲线如图4所示。其液柱高度分布标准方差为0.079m，流量分布标准方差为0.075kg/s，最大液柱高度差为28cm，最大流量差为0.26kg/s。液柱高度的平均值为10.89m，13号喷嘴液柱高度为10.70m最小；流量分布的平均