船用脱硫塔在不同进气方式下的数值模拟

夏同友

（上海海事大学商船学院 中国 上海 200135）

0 引言

海水法烟气脱硫主要是利用海水中的碱性进行脱硫[1]。海水的PH值一般在 7.6-8.3，碱度（CO32-、HCO3-)为 2.0-2.8mg/L。 烟气中的 SO2被海水吸收而转化为HSO3-和SO32-,在空气的氧化作用下转化为硫酸盐，吸收二氧化硫后的酸性水被碳酸盐和碳酸氢盐中和产生碳酸，然后分解产生二氧化碳被空气赶走[2]。

船用海水脱硫工艺如图1所示[3]，其中的常用设备是喷淋脱硫塔即图示吸收塔。本课题组实验所用的脱硫塔如图2所示：海水通过一离心泵送至一定高度的喷淋层，再由喷嘴向下喷淋形成许多分散的小水珠往下掉落，与同时由底层进入的逆流向上的柴油机烟气充分接触，经过一段时间的接触后，海水吸收烟气中的二氧化硫。该工艺因海水资源丰富，以及其工艺脱硫效率高，所以用于船舶尾气脱硫的前景非常广阔。而该喷淋塔因内部构件少，不易结垢等优点，必将成为该工艺的主要塔型。

图1 海水脱硫工艺

图2 脱硫塔

影响脱硫塔设计和脱硫效率的关键因素是塔内复杂的流场，对于脱硫塔这一反应器，仅靠实验不仅浪费大量的人力和物力，并且难以准确揭示塔内的流场分布规律，因此数值模拟为脱硫塔烟气流动规律的找寻以及塔的设计方面提供有力的帮助。

1 脱硫塔的建模

1.1 本课题组实验所用的脱硫塔的基本参数如表1。

1.2 烟气流动的数值模型

1.2.1 基本假设

表1

（1）柴油机产生的废气，看作不可压缩牛顿粘性流体，忽略温度变化对烟气密度以及速度的影响。

（2）忽略脱硫喷淋塔内喷嘴、管路等阻件对气相流场流动的影响。

（3）假定整个脱硫喷淋塔的塔壁为绝热表面，对流以及热交换仅在烟气和喷淋浆液滴之间发生。

（4）将收敛精度设定为1e-6，用于定性的分析是足够精确的。

（5）模拟三维、定常不可压缩流动，湍流是各项同性。

1.2.2 数值模型选择

鉴于脱硫塔内的流动是三维湍流问题的复杂性，本文采用的是应用比较多的带旋流修正的k-epsilon（2eqn)模型。湍流动能方程k,和扩散方程e：

方程中Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，Gb是由浮力产生的湍流动能，YM由于在可压缩湍流种，过度的扩散产生的波动，C1、C2、C3是常量，σk和 σe是 k 和 e 方程的湍流 prandl数，Sk和 Se是用户定义的。 湍流速度模型中速度ut是由下式确定：μt＝ρCμ，C1e=1.44，C2e=1.92，Cu=0.09，σk=1.0，σe=1.3。

图3 切向进气迭代示意图!1938 Solution is converged

图4 垂直进气迭代示意图!2921 Solution is converged

2 喷淋塔流场数值模拟

本文利用先用GAMBIT软件对烟气切向进入和垂直进入两种类型的脱硫塔进行建模和网格划分，设置边界条件：入口设为压力进口，表压设为691Pa,湍动强度设1%，水力直径设0.14米，出口为压力出口，压力设为0Pa,湍动强度设1%，水力直接设为0.2米。FLUENT软件对烟气切向和垂直两种方式进气脱硫塔的塔内流程进行三维数值模拟。选择连续相模型和显式差分格式，运用SIMPLE算法求解k-ε双方程模型，模拟脱硫塔内的流场分布。

3 结果与分析

3.1 迭代计算比较

从以上（图3、图4）计算结果比较中，我们发现：在相同边界条件设置下，切向进气1938步收敛，而同样边界条件的垂直进气要2921步才收敛，显然切向进气更容易收敛。

3.2 内部速度场比较

图5 切向进气y=0剖面速度云图

图6 垂直进气y=0剖面速度云图

图7 切向进气z=0.5剖面速度云图

图8 垂直进气z=0.5剖面速度云图

从以上图5—图8的对比可以看出，切向进气时，气体顺时针方向进入塔内，在水平方向，速度沿着径向（从中心到塔壁）逐渐增大，在垂直方向，由下到上逐渐增加。废气流动状态的变化趋势：由截面水平切向流速大于垂直流速，旋流为主，上升流为辅；变化为垂直流速大于水平切向流速，上升流为主，旋流为辅。塔内紊流强度变化趋势为：沿着塔高方向逐渐减弱并在塔内形成了明显的紊流强度不同的区域[4]。垂直进气时，气体进入塔内，迅速穿过进气平面到达对面的塔壁，沿塔壁一部分上升，大部分向下流动，上部大部分区域湍流强度很弱。相比较切向进气，显然这是不利于喷淋时气液的掺混。

4 实验验证

根据数值模拟的结果，在实验中脱硫塔采用烟气切向进入的方式设计进口。取出塔内相关附件，进行空塔运行实验，进气管中心风速32m/s，记平均速度为16m/s,进口压力控制在691Pa，确保实验和模拟的边界条件一致。塔内风速采用德图风速仪进行测定，进口压力采用testo-350仪器测定。将实验结果和模拟结果进行比较分析，图9、图10、图11分别是如风口处、距入风口0.4米以及距入风口0.8米高断面上塔内气体流速的测试结果和模拟结果的比较，从图中数据可知，模拟结果和实验结果基本一致，说明CFD模拟具有较高的准确性，可以用来进行进气方式优化选择[5]。

图9 z=0.5断面

图10 z=0.9断面

图11 z=1.3断面

5 结论

5.1 脱硫塔烟气切向进入有利于塔内气流场分布，喷淋层设置有规律可循，同时均匀流场为喷淋状态下海水液滴于烟气的充分接触，以及为脱硫效率的提高创造良好的条件。而垂直进气时因大部分气体沿对面塔壁上升，塔内流场分布严重不均，喷淋层不好设置，气液也难以充分混合，这必然影响脱硫效率的提高。故切向进气为海水脱硫工艺比较理想的一种进气方式。

5.2 用数值模拟的方法可以为脱硫塔的优化设计提供指导。

［1］张志红,唐茂平.漳州后石电厂6*600MW超临界机组海水脱硫工艺介绍[J].中国电力,2002(2).

［2］陈伟洪,等.海水法烟气脱硫实验[J].石油化工技术经济,2007,04-0034-04.

［3］马义平,许乐平.海水脱硫在船舶硫氧化物排放控制上的应用[J].船舶工程.

［4］李国诚.船用脱硫塔的数值模拟研究[D].上海:上海海事大学,2012.

［5］张玉君,等.湍球塔气流入口方式的CFD模拟[J].广州化工,2010,38(2):172-173.