双接触式液柱塔流场的CFD 模拟

方立军，胡月龙

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071000)

0 引言

在众多的湿法烟气脱硫技术中，双接触式液柱塔烟气脱硫是最先进的一种，由于具有气液交融强烈、效率高、处理量大、易控制和成本低等特点，获得了广泛的应用。

郭瑞堂等［1］、周山明等［2］对湿法脱硫液柱冲击塔内的流场和压力场进行了研究，他们的研究大多都侧重于塔内流场分布或者SO2的吸收机理研究，而对不同喷嘴数量不同液气比条件下的流动状况很少涉及。而本文通过建立三维射流液柱塔内数学模型，运用流体计算软件Fluent 对特定工况进行数值模拟，描述了塔内不同喷嘴数量不同液气比条件下气液流动状况。

1 模型和计算参数

1.1 物理模型

本文模拟对象是华北电力大学能源动力与机械工程学院的双接触式液柱塔烟气脱硫装置。装置图见文献［3］。本文以反应塔烟气入口段、塔体反应段、烟气出口段作为主要计算区域，由于塔体本身的结构特点故采用非结构性网格，求解区域共划分为117870 个网格。计算区域及网格划分见图1。

反应塔内两相流截面选取如图2。在Y 轴上面分别截取Y1=20 mm，Y2=40 mm，Y3=60 mm，Y4=80 mm，Y5=100 mm;在X 轴上面分别截取X1=20 mm，X2=40 mm，X3=60 mm，X4=80 mm时候的截面(喷嘴数量为20 个时候由于X1=20 mm，X2=40 mm，X3=60 mm，X4=80 mm 时截面会取在布置喷嘴的玻璃管上，影响对流体运动方式的分析，所以对此情况截面提取均增加10mm，亦即X1=30 mm，X2=50 mm，X3=70 mm，X4=90 mm)。

图1 计算区域和网格划分图Fig.1 Computational area and mesh

图2 塔内两相流截面选取图Fig.2 Two-phase flow cross-section diagram in scrubber

1.2 数学模型

1.2.1 空气流场的模拟

RNG k-ε 双方程模型［4］是由Yakhot 及Orzag提出的，本文就是通过此模型来模拟反应塔内气相湍流:

1.2.2 雾化液滴相的模拟液滴颗粒相采用随机轨道模型进行模拟，在拉格朗日坐标系中建立液滴的运动方程。液滴在流场中所受的力包括:重力、浮升力、气流阻力、Magnus 力、压力梯度作用力等［5］。由于吸收塔内气液两相流场并不是高温相流，因此后面的几个力对液滴运动影响较小，为简化模型，可忽略，只考虑重力、浮升力以及气流曳力的作用［6］。即

2 数值模拟结果分析

2.1 空塔压力场及流场特性

分别选取气体流量为200 m3/h 且无喷液时的不同喷嘴数量布置条件下塔内X2截面和Y2方向的计算结果，对压力场和流场进行分析结果如下。

(1)截面X2压力场及流场分析

X2方向不同喷嘴数量下压力场变化如图3 所示。对三种喷嘴布置方式下的X2截面进行对比，可以看到空塔条件下随着喷嘴数量的增加塔内整体压强下降，并越来越明显。这主要是由于随着喷嘴数量的增加，其对气流的阻力增加。

图3 X2方向不同喷嘴数量下压力场变化Fig.3 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

如图4 所示的三种情况下的空塔内流场变化，通过对比可以发现，其速度变化并不明显，但在(a)、(b)两图偏下方的位置会有一段速度较大的位置，主要是因为两侧布置喷嘴的玻璃管使得大量的气流从空隙中通过，相当于流量不变但是流通面积却减少了，从而增大了气流速度。而这种情况在喷嘴数量为35 个时却不存在，主要在于此时因为喷嘴数量较大，在X=20 mm 的截面仍然是切在管上面的，所以在图中并不能表现出来。

图4 X2方向不同喷嘴数量下流场变化Fig.4 Flow field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

(2)截面Y3压力场及流场分析

截面Y3压力场如图5 所示。当喷嘴数量过多的时候，液柱塔压降变化明显，这点在(c)图中表现得很明显，图(a)、(b)相对比而言不是很明显。并且在喷嘴附近明显看到压力呈现出渐变性，这与气流的运动方向也是一致的。由于在模拟过程中设定塔下方为trap 的界面类型，所以其会对塔底上方的气流形成一个阻碍面，控制气体的逃逸，因此可以保证气流沿塔高度方向运动。

图5 Y3方向不同喷嘴数量下压力场变化Fig.5 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

由图6 的Y3切面上可以得知，气流通过喷嘴布置的玻璃管时的流动特性，由于烟气入口段与塔体呈直角布置，塔内气流偏斜现象严重，导致在靠近烟气入口侧塔壁处形成一个烟气回流区，烟气主要从远离烟气入口侧塔壁处流过，该区域烟气流速较高。随着喷嘴数量增加，当喷嘴数量达到35 个时回流区域出现在塔体中部。仔细观察流场(a)、(b)两图，可以看到管道将气流分成了相应份数;而在(c)图中，在塔的中部形成一个条状低速区域，这主要还是因为玻璃管的强阻碍作用造成的。

图6 Y3方向不同喷嘴数量下流场变化Fig.6 Flow field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

2.2 气液两相流压力场及流场特性

(1)截面X2压力场及流场分析

以下取喷液量为0.5 m3/h，空气流量为200 m3/h 时不同喷嘴数量条件下X2，Y3截面。

截面X2压力场如图7 所示。对比三种情况下的X2截面，在喷嘴数量为15 个时，塔体最上面部分压降相对于喷嘴数量为20 个的情况要小，这是由于喷液量相同，喷嘴数量少时射流高度相对较高，在气流和喷液双重作用下会对层面压强有一个抬高作用。很明显，在20 个喷嘴时，射流喷射的塔内压降变化范围要明显低于喷嘴数量较小的情况。这点在喷嘴数量为20 个与35 个的塔内模拟结果是相同的。

此时在图8 所示的流场中，(b)、(c)的流场相对而言要比(a)的更加紊乱，这就表明大范围的射流对塔内流场的影响占主要位置，可以看到喷嘴数量越多，塔内流场愈加紊乱。随着喷嘴数量的增加，塔内的流速呈现降低的趋势，这与单喷嘴流量的变化有一些不同(单喷嘴流量从大到小排列为喷嘴数量分别为15 个，35 个，20个)，这是因为喷嘴数量增加的同时会对塔内的气流起到很大的阻碍作用，大量的气体被喷嘴布置阻碍，塔内的两相流的混合速度下降。

图7 X2方向不同喷嘴数量下压力场变化Fig.7 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

图8 X2方向不同喷嘴数量下流场变化Fig.8 Flow field changes in the number of different nozzle case of the X2direction

(2)截面Y3压力场及流场分析

截面Y3压力场如图9 所示。当喷液量为0.5 m3/h 时，随着喷嘴数量的增多，压降变化越来越明显，并呈现很明显的渐变性。

从图10 流场Y3切面上可以看到气流进入塔内与喷液之间的流场情况。当喷液量为0.5 m3/h时，随着喷嘴数量的增加，塔内流场逐渐偏于紊乱，且塔内的流速降低。在液柱喷射过程中，塔内流场分布趋于均匀，说明在喷液状态下，喷嘴数量的增加对于烟气流场具有一定的整流作用，可以使塔内气液流场分布均匀性得到改善。

图9 Y3方向不同喷嘴数量下压力场变化Fig.9 Pressure field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

图10 Y3方向不同喷嘴数量下流场变化Fig.10 Flow field changes in the number of different nozzle case of the Y3direction

2.3 实验数据与模拟结果的比较

图11 试验数据与模拟结果的对比Fig.11 Comparison of the experimental data and simulation results

由图11 可以看出，选取GK1，GK2，GK3三种工况分别进行试验数据与模拟结果的对比，GK1为单层喷嘴布置喷液量0.5 m3/h，烟气流量200 m3/h;GK2为双层喷嘴布置喷液量0.5 m3/h，烟气流量200 m3/h;GK3为双层喷嘴布置喷液量1 m3/h，烟气流量200 m3/h。在本文所采用的试验参数范围内，塔内床层压降变化的模型计算值和试验值吻合程度较好。

3 结论

(1)通过对液柱射流塔内气液两相流场的模拟计算发现，无液柱喷射时喷嘴数量的增加将会导致塔内整体压强的下降，塔内气流偏斜现象严重，导致在靠近烟气入口侧塔壁处形成一个烟气回流区，烟气主要从远离烟气入口侧塔壁处流过，该区域烟气流速较高。

(2)在液柱喷射阶段，随着喷嘴数量增加，压降变化范围减小，但是阶段性变化却更加明显，塔内流场分布趋于均匀。说明在喷液状态下，喷嘴数量的增加对于烟气流场具有一定的整流作用，可以使塔内气液流场分布均匀性得到改善。

(3)通过对特定工况的数值模拟，描述了塔内不同喷嘴数量不同液气比条件下气液流动状况。计算与试验结果吻合较好，表明所建立的模型和采用的算法具有良好的预测性和可靠性。

［1］郭瑞堂，高翔，王君，等.液柱塔内流场和SO2吸收的CFD 模拟和优化［J］.浙江大学学报 (工学版)，2007，41 (3):494-498，503.Guo Ruitang，Gao Xiang，Wang Jun.et al.CFD simulation and optimization of flow field and SO_ 2 absorption in impinging stream scrubber ［J］.Journal of Zhejiang University(Engineering Science)，2007，41 (3):494-498，503.

［2］周山明，金保升，仲兆平，等.大型烟气脱硫塔的流体力学模拟及优化设计［J］.东南大学学报(自然科学版)，2005，35 (1):105-110.Zhou Shanming，Jin Baosheng，Zhong Zhaoping.et al.Flow simulation for large scale FGD scrubbers and optimization design ［J］.Journal of Southeast University (Natural Science Edition)，2005，35 (1):105-110.

［3］方立军，常艳超，胡月龙，等.液柱塔雾化特性研究［J］.电力科学与工程，2012，28 (2):46-50.Fang Lijun，Chang Yanchao，Hu Yuelong.et al.Study on atomization performance of liquid column tower ［J］.Electric Power science and Engineering，2012，28 (2):46-50.

［4］Yakhot V，S A Orszag.Renormalization group analysis of turbulence［J］.Journal of Scientific Computing，1986，1(1):3-51.

［5］Kadja，M.＆ G.Bergeles.Modeling of slurry droplet drying［J］.Applied Thermal Engineering，2003，23 (7):829-844.

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