喷淋速度对脱硫喷淋塔内流场影响研究

摘要：湿法脱硫喷淋塔内流场的分布对脱硫效果有着较大的影响，本文采用数值模拟的方法，对采用不同喷淋速度时脱硫塔内流场分布状况进行了分析。结果表明，对于同一塔型，采用较大的喷淋速度，可以提高脱硫塔内流场分布的均匀性。

关键词：湿法脱硫；脱硫喷淋塔；喷淋速度

Abstract： Flow field in the wet desulfurization spray tower has a great influence on the desulfurization efficiency， this paper analysis the flow field in the tower by numerical simulation . Results showed that to the same type， adopt larger spray speed， can improve the uniformity of the distribution of flow field in the desulfurization tower.

Key words：wet desulphurization；desulfurization of spray tower；spray speed

湿法脱硫喷淋塔的设计以及脱硫效率受到脱硫塔内气液两相流动的直接影响[12]。对脱硫喷淋塔进行数值模拟，能更有效地分析其内部的流场及温度场[35]。唐志永等[6]对某型脱硫喷淋塔空塔进行二维模拟，指出塔体形状对流场影响较大。刘定平等[7]对某型切圆式喷淋塔流场进行数值模拟研究，结果表明喷嘴数量及其位置分布会影响塔内的气流分布状况。

目前脱硫塔数值模拟研究中，针对喷淋速度对塔内流场的影响研究较少，而循环浆液的喷淋速度对于塔内流场分布有着较大的影响。本文通过数值模拟的方法研究了采用不同喷淋速度时塔内的流场分布状况。

1 物理模型

脱硫塔结构如图1所示。烟气沿图中所示弯头进入塔体，避免了烟气由进口直冲向对向壁面，随后上行依次通过旋流板，到达主要喷淋吸收区域。脱硫喷淋浆液由环形布置于喷淋层的喷嘴喷出，与上行烟气逆向混合。

2 数学模型

喷淋塔内喷淋浆液以小液滴的形式离散分布在烟气中，这种流形的求解适宜采用欧拉—拉格朗日方法。在计算中对烟气用欧拉方法，浆液的处理则用拉格朗日方法。

2.1 连续相模型

脱硫塔内烟气流速较低，压力变化较小，随流动产生的密度变化较小，模拟过程中将烟气视为不可压缩流体，定常流动对应的方程如下。

连续性方程：

浆液喷射进入塔内后与烟气发生混合，在湍流旺盛区域采用Realizable kε模型，其方程如下：

对近壁面区域采用标准壁面方程求解，以节省运算资源。

2.2 离散相模型

采用DPM模型对喷淋浆液进行拉格朗日计算，将喷淋液滴视为离散相，其在拉格朗日坐标系下的运动方程：

式中：Fd为液滴的曳力，Fx为其他作用力，u为烟气速度，up为液滴速度。

2.3 数值计算方法

烟气出口位于脱硫塔上方，采用压力出口设置。喷淋浆液作为离散相处理，位置设置为喷嘴在塔内空间分布的实际尺寸，喷嘴类型采用锥形喷嘴类型。壁面对液滴作用选用吸收类型，即浆液附着于壁面后部分蒸发，其余部分沿壁面向下流动。模拟过程中考虑浆液中水分的蒸发。由于所计算流场区域基本均匀且在对网格进行优化以后网格宽径比较小，故采用SIMPLE算法，单精度计算[8]。

3 计算结果分析

本文研究过程中分别对喷淋速度为10m/s、15m/s、20m/s的情况进行了数值模拟分析，结果如下：

图2所示是加入喷淋后，喷淋速度不同时喷淋塔内烟气流线图。由图可以看出，讲野喷淋速度不同时，喷淋塔内的烟气流动状态不同。由图2（a）可以看出，喷淋速度为10m/s时，在喷淋层下方区域，烟气流动已经开始发生变化，两侧高速向上流动的烟气扩散过程受到扰动，在喷淋层下方主要吸收区域出现小的涡旋，烟气到达该区域后速度方向发生改变，烟气由直接向上冲出塔体变为在该区域有一定的回流现象出现；由图2（b）（c），喷淋速度分别增大到15m/s和20m/s时，喷淋层下方主要吸收区域涡旋区域逐渐增大，扩散至该区域的烟气受到的扰动状况更加明显。

图3是喷淋速度不同时塔体中心截面上烟气速度分布云图。如图3（a）所示，喷淋速度为10m/s时，烟气进口侧塔壁处烟气流速最高达到10.5m/s左右，主要吸收区域壁面处烟气速度最高达到5m/s；喷淋塔中心区域流速则在1m/s到2m/s之间；如图3（b）所示，喷淋速度增大到15m/s时，在主要吸收区域烟气速度大小从两侧塔壁到中心位置逐渐降低，且在该区域内烟气速度大部分在1m/s到2m/s之间，浆液喷淋速度增大至20m/s时，如图3（c）所示，喷淋塔中心位置附近较大区域的烟气速度在1m/s到3m/s之间。烟气流动速度在1m/s到4m/s之间时，有助于提高烟气与浆液液滴的作用時间有利于吸收反应更充分的进行，由图3可以看出，在主要吸收区域增大喷淋速度可以使处于该速度区间的空间比例变大且温度分布趋于均匀，这样有利于吸收反應的进行。

4 结论

通过调节浆液喷淋速度可以在一定程度上起到整流均布的目的，使在主要吸收区域处于较合理流速的烟气比例增大。在运行工况允许的情况下，脱硫喷淋塔应该采用较大的喷淋速度以提高塔内流场分布的均匀性。

参考文献：

[1]李晓梅，江传力.湿法钙基烟气脱硫技术[J].煤炭技术，2005， 24（5）：111112.

[2]李继莲.烟气脱硫实用技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3]F.J. Gutiérrez Ortiz. A simple realistic modeling of fullscale wet limestone FGD units [J].Chemical Engineering Journal， 2010， 165： 426439.

[4]N.K.Yeh， G.T.Rochelle. Liquidphase mass transfer in spray contactors[J].AIChE Journal，2003（49）： 23632373.

[5]徐锐.烟气脱硫系统对锅炉燃煤变化的适应性分析[J]. 煤炭技术，2010，29（12）：180181.

[6]唐志永，仲兆平，孙克勤.湿法脱硫喷淋塔空塔流场数值模拟[J].能源研究与利用，2003，（2）：1012.

[7]刘定平，肖尚.切圆喷雾式湿法脱硫塔内流场数值模拟及优化分析[J].环境工程，2015，10（13）：5560.

[8]王福军.计算流体力学分析 [M]北京：清华大学出版社，2004.

作者简介：刘仲然（1990-），男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为烟气脱硫技术。