入口位置对喷淋塔流场影响的数值模拟

2022-04-28 10:15:02 | 浏览次数：

摘要:[JP1] 利用FLUENT软件对三种不同入口位置的喷淋塔的内部两相流场进行了三维数值模拟。在计算中气相采用标准k-ε模型计算,SIMPLE算法。重点研究了不同入口位置的喷淋塔内的流场及压力的分布情况。计算结果表明,对同一喷淋塔,入口位置不同对塔内流场有很大的影响。此结果对喷淋塔的设计及其改进具有一定的参考价值。[JP]

关键词:喷淋塔;入口位置;FLUENT软件;数值模拟;流场

中图分类号:X701.3文献标识码:A文章编号:1672-1098(2009)03-0040-04

烟气脱硫喷淋塔是湿法FGD的核心设备,影响喷淋塔内压降损失和喷淋塔脱硫效率的关键因素是塔内复杂的流场,国内学者的研究表明脱硫塔内入口处流场变化的剧烈程度直接影响塔内压降损失,入口处流场变化越剧烈,压降损失最大[1]以某电厂600 MW机组的脱硫塔为研究对象,利用Gambit软件建立喷淋塔内三维模型,通过改变脱硫塔烟气的入口位置, 利用 FLUENT软件模拟塔内流场,研究塔内的压力分布。气相采用k-ε模型,用SIMPLE算法进行计算。

1 物理模型

1.1 模拟对象

CFD模拟工作的第一步就是建立喷淋塔的物理模型,并对所模拟的问题进行合理地物理上的简化。烟气脱硫塔结构如图1所示,脱硫塔塔体总高为24.5 m,直径为17.6 m,塔下部4.1 m以下为蓄液池,入口烟道截面为边长为7.3 m的正方形,出口烟道截面为6.5 m×15.6 m的矩形,在出口烟道距塔中心9.95 m处取为出口截面。在塔内部用一块高为15.30m的隔板将塔分为喷淋区和非喷淋区两部分, 隔板顺烟道来流方向, 距塔中心2.8m, 板下部没入蓄液池中。在喷淋区内14.8m、16.8 m和18.8 m三个不同高度上分别布置了喷淋管, 每层喷淋层布置64个螺旋式喷嘴, 3层平均分布。图1中a、 b、 c为三个不同入口位置的喷淋塔物理模型。abc

图1 不同位置入口的喷淋塔

在图1中,塔的出口位置不变,只变动入口位置。图1a为入口与出口夹角为180°, 水平相对,图1b入口与出口夹角为135°,图1c为为入口与出口夹角为90°。并且这三个喷淋塔的入口烟道与出口烟道的底面在同一水平面上。

1.2 模型假设与简化

根据实际WFGD系统的运行环境,对喷淋塔内烟气流动状况作如下假设:

(1) 烟速较低,可将烟气视为不可压缩性牛顿流体;

(2) 忽略重力对烟气流动的影响;

(3) 暂不考虑塔内喷嘴、除雾器和小部件对烟气流场的影响;

(4) 在计算中不考虑蓄液池部分,因此将其省略。并将蓄液池的页面视为静止液面。

经过上述处理,仅以蓄液池以上的区域作为研究对象。

1.3 气相控制方程

基于以上假设,从雷诺时均N-S方程组出发、选用标准k-ε湍流模型对气相湍流进行模拟。气体流动模型包括三维的连续性方程、动量方程和k-ε的两个输运方程,它们可统一表达为以下形式

塔内烟气流动为复杂的湍流,根据塔内烟气湍流流动的实际情况,采用Launder and Sp alding提出的标准k-ε模型来模拟塔内烟气的湍流流动(见表1)。

由图2～图4可以看出三种不同入口位置的喷淋塔塔内的流场分布,对于入口与出口相对的喷淋塔,烟气进入塔内后,直接撞击到与入口位置相对的隔板,烟气受阻后,分成两股向上攀升,翻过隔板,在隔板上方,两股烟气合流。并且在烟道入口底部出现烟气回流。入口与出口相交135°的喷淋塔,烟气沿烟道进入塔内,大部分烟气撞击到隔板,受阻后向前撞击到塔壁。另一部分烟气直接撞击到塔壁。这两部分烟气共同回流,在整个喷淋区内形成一个大的漩涡,向上攀升,翻越隔板。入口与出口垂直的喷淋塔,烟气进入塔内后,撞击到塔壁,受阻后,在喷淋区的上部形成逆时针的漩涡,在塔的下部也出现了烟气回流。

由图3可以看出,烟气出口的流场分布,模拟结果显示,入口与出口夹角为180°和135 °的脱硫塔出口流场分布沿轴线对称,而入口与出口垂直的时候,烟气偏向一侧。该模拟结果可以对出口烟道的设计起到指导作用。

2.2 塔内压强分布图

塔的形状不同决定了塔内压强分布不同,压力损失就不同。为三种不同入口位置的喷淋塔塔内的压强分布图(见图5)。 abc

图5中a、b、c分别对应着入口与出口夹角为180°、135°、90°。模拟结果表明 ,入口位置不同,塔内压强分布情况不同。当入口与出口夹角为180°时,塔内最大压力与最小压力之间的压差最大,入口与出口夹角为135°时,塔内最大压力与最小压力之间的压差次之,塔内最大压力与最小压力之间的压差最小。三种塔入口处压强相同,出口处的压强最小,入口与出口夹角为180°、135°、90°分别对应的出口处的平均压强为-265.111 14Pa、-246.101 Pa、-205.360 09 Pa。夹角为90°时,出口的静压最大,压力损失最小。在实际的设备运行中,可以对入口处进行改造,已达到减小压降损失的目的。

3 结论

由上述模拟结果的讨论和研究可以得出以下结论:

(1) 脱硫塔的入口位置对塔内的流场分布影响很大,入口位置不同,流场分布有着很大的区别;

(2) k-ε模型用于预测脱硫塔内气相湍流流场适应性较好;

(3) Fluent可以截取任何截面的流场分布图,使结果清晰,易于分析监测;

(4) 喷淋塔入口位置对塔内压力损失的影响较大,模拟结果可用于指导实际生产运行。

参考文献:

[1] 孙克勤, 周山明, 仲兆平, 等.大型烟气脱硫塔的流体力学模拟及优化设计[J]. 热能动力工程, 2005, 20(3):270-274.

[2] 耿萍,侯庆伟,路美春.湿法脱硫喷淋空塔流场数值分析[J].山东大学学报:工学版,2005,35(5):24-28.

[3] 赵吉吉,田贺忠,阿庆兴,等.湿法烟气脱硫喷淋塔内部流场数值模拟研究[J].环境污染治理技术与设备, 2005,6(5):16-20.

[4] 唐志永,仲兆平,孙克勤.湿法脱硫喷淋空塔流场数值模拟[J].能源研究与利用,2003(2):10-12.

[5] 李仁刚,管一明.烟气脱硫喷淋塔流体力学特性研究[J].电力环境保护,2002,17(4):4-8.