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(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

流化床煙氣脫硫反應(yīng)器內(nèi)氣固流場數(shù)值模擬與分析

王會(huì)寧，丁建亮

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

為了更好地了解煙氣脫硫塔內(nèi)氣固流場的分布規(guī)律，以Fluent軟件為計(jì)算平臺(tái)，采用雙流體模型對脫硫塔內(nèi)氣固流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到了塔體內(nèi)氣體和顆粒相的速度以及濃度場分布。研究發(fā)現(xiàn)在喉口區(qū)域形成低速流動(dòng)區(qū)，且沿塔體高度低速流動(dòng)區(qū)逐漸減小。與單側(cè)進(jìn)氣方式相比，采用雙側(cè)進(jìn)口布置，可以減輕氣流對低速流動(dòng)區(qū)域的影響，改善塔體內(nèi)氣固兩相流場分布。

脫硫反應(yīng)塔；流化床；氣固流場；數(shù)值模擬；雙流體模型

0 引言

根據(jù)脫硫劑及副產(chǎn)物進(jìn)出脫硫反應(yīng)器的狀態(tài)，煙氣脫硫技術(shù)分為干法、半干法和濕法煙氣脫硫。因地制宜采用不同的煙氣脫硫工藝可有效地控制燃煤電廠二氧化硫的排放，滿足環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，開發(fā)適合我國國情、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、工藝簡單、脫硫效率高、投資小、便于設(shè)備改造的煙氣脫硫工藝以及設(shè)備大型化具有重要的意義。

CFB-FGD(循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù))工藝是以循環(huán)流化床原理為基礎(chǔ)，吸收劑在反應(yīng)器內(nèi)多次再循環(huán)，延長了吸收劑與煙氣的接觸時(shí)間，從而大大提高了吸收劑的利用率。因此，CFB-FGD工藝不僅具有流程簡單、占地少、投資低以及副產(chǎn)品可以綜合利用等特點(diǎn)，而且能在鈣硫比很低(Ca/S=1.1～1.2)的情況下達(dá)到與濕法脫硫工藝相當(dāng)?shù)拿摿蛐?，?5%左右[1-3]。然而，脫硫過程中反應(yīng)器內(nèi)吸收劑與煙氣流動(dòng)及混合的復(fù)雜性將會(huì)導(dǎo)致脫硫效率減小和氣固流動(dòng)阻力增大，使得反應(yīng)器性能降低。李錦時(shí)等[4]應(yīng)用粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA) 對循環(huán)流化床脫硫塔試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)氣固兩相流場進(jìn)行測試。結(jié)果表明脫硫塔內(nèi)氣固流場呈環(huán)核流動(dòng)特性，邊壁顆粒濃度高、 中心顆粒濃度低。高原[5]采用Fluent軟件，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對脫硫塔內(nèi)氣相流動(dòng)進(jìn)行模擬，分析了不同負(fù)荷條件下吸收塔內(nèi)煙氣流場的分布。譚金生等[6]以半干法循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)塔為研究對象，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對脫硫塔進(jìn)行了空塔冷態(tài)流場模擬計(jì)算。魏星等[7]采用直接模擬蒙特卡諾方法對脫硫塔氣固兩相流場優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究表明通過改變文丘里管直徑、加裝直導(dǎo)流板或彎曲導(dǎo)流板均可以將流場調(diào)節(jié)均勻，達(dá)到理想狀態(tài)。本文運(yùn)用雙流體模型，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的脫硫反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相流體動(dòng)力特性進(jìn)行模擬研究。

1 數(shù)學(xué)模型

CFB-FGD脫硫塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)主要由入口段、塔體和出口三部分組成。塔體是流化床反應(yīng)主體，為圓形截面，見圖1所示。脫硫塔入口段(文丘里)結(jié)構(gòu)對流場的分布具有很大的影響，采用對噴入口形式，可以加強(qiáng)混合。煙氣在入口段管道中加速后進(jìn)入塔體。氣固兩相流動(dòng)基本方程應(yīng)滿足質(zhì)量和動(dòng)量守恒。氣體和顆粒質(zhì)量守恒方程為

(1)

(2)

式中ε——體積濃度;

ρ——密度;

v——速度;

t——時(shí)間;

g、s——代表氣相和顆粒相。

氣相和顆粒相動(dòng)量守恒方程為

(3)

(4)

式中 g——重力加速度;

pg——?dú)怏w壓力;

β——?dú)?固相間曳力系數(shù);

τg、τs——?dú)庀嗪皖w粒相的應(yīng)力張量。

在這里，氣相應(yīng)力的計(jì)算依賴于氣相湍流計(jì)算模型，本文采用的是RNGk-e模型預(yù)測氣體湍流粘度。顆粒相應(yīng)力按顆粒動(dòng)理學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算[8]。

本文采用Fluent軟件[9]對脫硫塔反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬，利用六面體網(wǎng)格對脫硫反應(yīng)器進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]網(wǎng)格對于計(jì)算結(jié)果的影響[10]，首先對于網(wǎng)格敏感性進(jìn)行了研究。分別采用網(wǎng)格數(shù)為260萬，210萬，170萬的不同尺寸大小的網(wǎng)格進(jìn)行模擬，通過比較顆粒濃度的分布，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)網(wǎng)格較粗時(shí)，顆粒濃度在反應(yīng)器中的分布被低估，而細(xì)網(wǎng)格與中等網(wǎng)格預(yù)測出的顆粒濃度數(shù)值上很相近?？紤]到計(jì)算精度以及計(jì)算時(shí)間的代價(jià)，選取中等網(wǎng)格尺寸作為模擬的計(jì)算網(wǎng)格，底部區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格見圖1所示。模擬時(shí)長為30 s，計(jì)算步長為1 e～4 s，在20 s以后流動(dòng)達(dá)到了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。為了保證足夠的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，取模擬計(jì)算的20～30 s結(jié)果作為不同參數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)均值的計(jì)算樣本。

模擬中，入口設(shè)置為速度邊界條件，其中：氣體和顆粒進(jìn)口速度均為14.5 m/s，顆粒濃度為0.01。顆粒直徑和密度分別為200 mm和2 000 kg/m3。氣體溫度為105℃，出口設(shè)置為壓力邊界條件，出口壓力為1 000 Pa。壁面按照無滑移邊界條件進(jìn)行計(jì)算，即氣相和固相的切向和法向速度均為零。

圖1 脫硫塔反應(yīng)器和入口區(qū)計(jì)算網(wǎng)格

2 模擬結(jié)果與討論

圖2表示沿x-z和y-z截面的時(shí)均氣體速度的分布。由圖可見，氣體經(jīng)入口段加速后進(jìn)入塔體底部。由于塔體底部喉口流通截面的收縮，氣體被加速。沿x-z截面，塔體中心區(qū)域氣體速度較低，壁面附近區(qū)域速度相對較高。這是由于當(dāng)氣體經(jīng)過喉口后，喉口中心的高速氣體隨流通截面的擴(kuò)大而發(fā)生橫向擴(kuò)散，使得中心區(qū)域速度降低，而壁面區(qū)域速度提高。這種中心區(qū)域速度低、壁面區(qū)域速度高的流動(dòng)結(jié)構(gòu)將有助于塔體內(nèi)氣體與顆粒之間的脫硫反應(yīng)。在喉口的出口區(qū)域，由于側(cè)向氣體入口的影響，中心處軸向速度發(fā)生了輕微偏移，使得沿y-z截面氣體速度分布不均，低速流動(dòng)移向壁面區(qū)域。由于氣體進(jìn)入塔體底部后，流動(dòng)方向迅速改變，在喉口加速后，氣體速度分布不均勻。由此可見，氣體在流經(jīng)塔體底部和喉口后，流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，速度分布不均勻，進(jìn)而影響氣體在塔體上部的空間分布。在出口區(qū)域，由于出口流通截面的縮小，氣體被加速。出口壓力降低，產(chǎn)生較大的氣體流動(dòng)壓降。由于該壓降的節(jié)流作用，使得氣體速度分布得以均化。

圖2 氣體速度分布

由氣體速度分布可見，氣體在塔體內(nèi)出現(xiàn)非均勻分布特征。為更好地體現(xiàn)氣體速度沿塔體的變化，在這里引入了氣體速度分布非均勻度來表征各截面上氣體的分布情況。氣體速度分布非均勻度定義為

(5)

式中ui——局部氣體速度;

u——截面平均速度。

由氣體速度非均勻度的定義可知，非均勻度數(shù)值愈小，反映氣體速度空間分布愈均勻。反之，非均勻度數(shù)值愈大，表明氣體速度空間分布不均勻性較大。表1給出了5個(gè)不同高度處氣體速度分布比均勻度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中統(tǒng)計(jì)截面高度見圖1中所示。

表1 各截面氣體速度分布非均勻度

由表可知，在塔體底部區(qū)域，氣體速度分布相對比較均勻。通過喉口處(C截面)，氣體分布不均勻性增大。隨之，沿塔體高度方向，氣體速度分布非均勻度減小，氣體速度分布趨于均勻。由此可見：氣體在通過喉口擴(kuò)散段時(shí)出現(xiàn)低速和回流現(xiàn)象，低速區(qū)域會(huì)一直延伸到塔體的中部區(qū)域。此后，隨著高度的增加，氣體徑向混合不斷得到加強(qiáng)，氣體速度在徑向方向的分布也逐漸趨向平穩(wěn)。氣體流至塔體出口區(qū)域時(shí)，其速度沿徑向位置分布基本達(dá)到均勻。因此為避免喉口區(qū)域的氣體回流，需要進(jìn)一步優(yōu)化入口結(jié)構(gòu)，降低氣體速度的不均勻性，從而增加塔體內(nèi)氣體擴(kuò)散，提高塔體內(nèi)氣固反應(yīng)速率。

圖3 顆粒濃度沿徑向的分布

圖4 顆粒速度沿徑向的分布

圖3表示不同高度下時(shí)均顆粒濃度沿徑向的分布。從圖中可以看出，在喉口區(qū)域(C截面)，顆粒濃度中心區(qū)域低，邊壁區(qū)域高。這是由于在中心區(qū)域有高的氣體速度，顆粒被攜帶向上流動(dòng)。在壁面區(qū)域，顆粒速度較低，形成氣體回流，攜帶顆粒向下流動(dòng)，顆粒沿邊壁回落，在邊壁處形成了較高的顆粒濃度。同時(shí)，顆粒濃度沿徑向分布差異較大，顆粒沿徑向呈現(xiàn)非均勻分布特性。隨著塔體高度的增加，顆粒濃度逐漸降低，顆粒濃度徑向分布差異逐漸變小。在塔體高度E區(qū)域，顆粒濃度分布較為均勻。中心區(qū)域顆粒濃度沿高度方向變化相對較小，而在壁面區(qū)域，顆粒濃度沿高度逐漸降低。由此可見，增加塔體高度將降低壁面區(qū)域的顆粒濃度。

圖4表示不同高度下時(shí)均顆粒速度沿徑向的分布。從圖中可以看出，由于受到氣固相間曳力的作用，顆粒的流動(dòng)特性與氣體的流動(dòng)特性十分相似。在喉口(C)區(qū)域，中心處顆粒速度較大，沿徑向逐漸降低，在邊壁區(qū)域顆粒速度較小。同時(shí)，在邊壁區(qū)域顆粒速度為負(fù)值，表明此區(qū)域顆粒向下流動(dòng)，造成顆粒聚集堆積，形成大量的顆粒團(tuán)聚物。在中心區(qū)域顆粒速度為正值，表明此區(qū)域顆粒被上升氣體所攜帶，這樣沿截面形成了中心區(qū)域?yàn)樯仙鲃?dòng)、壁面區(qū)域?yàn)橄陆盗鲃?dòng)的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在塔體高度D和E區(qū)域，中心區(qū)域顆粒速度較低。在±(0.1～0.3)R范圍內(nèi)顆粒速度達(dá)到最大。在壁面區(qū)域顆粒速度逐漸降低。直到壁面速度為零。總的來說，在塔體中心區(qū)域形成了一個(gè)低速流動(dòng)區(qū)，沿高度方向，低速流動(dòng)區(qū)范圍逐漸減小，表明沿徑向方向顆粒速度差異逐漸減小，流動(dòng)趨于均勻。

3 結(jié)論

運(yùn)用雙流體模型，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的脫硫反應(yīng)塔內(nèi)的氣固流動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測，獲得了反應(yīng)器內(nèi)氣固濃度和速度分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)在塔體底部的喉口區(qū)域形成低速流動(dòng)區(qū)，且低速區(qū)范圍沿高度逐漸減小，沿徑向方向氣體和顆粒的最大速度出現(xiàn)在(0.1～0.3)R處。同時(shí)采用氣體速度分布非均勻度來表征沿高度方向氣體速度分布均勻性的變化，結(jié)果表明沿高度方向氣體速度分布均勻性得到改善。

通過對不同氣體進(jìn)口結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，采用單側(cè)氣流進(jìn)口時(shí)，氣流分布不對稱性顯著，塔體內(nèi)氣體回流嚴(yán)重，同時(shí)，塔體產(chǎn)生的流動(dòng)壓力損失較大。因此，建議采用雙側(cè)進(jìn)口的結(jié)構(gòu)布置。

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AnalysesandSimulationofHydrodynamicsofGasandParticlesinFluidizedBedFlueGasDesulphurizationTowers

WANG Hui-ning,DING Jian-liang

(Beijing Aerospace Propulsion Institute,Beijing 100076,China)

To obtain fundamental knowledge of flow behaviors of gas and solids phases in the fluidized bed flue gas desulphurization tower, simulations are carried out by means of two-fluid model with Fluent commercial code. The distributions of velocity and concentration are predicted. The results show that the zone with low velocity is formed near the throat of the tower. The range of low velocity zone is reduced with the increase of height of tower. Compared with one-side inlet structure, two-side inlet will reduce the effect of inlet arrangement on low velocity zone, and improve hydrodynamics in the fluidized bed flue gas desulphurization tower.

flue gas desulphurization tower;fluidized bed;dynamic of gas-solid phases;numerical simulation；two-fluid model

2014-04-23修訂稿日期2014-05-07

王會(huì)寧(1982～)，男，工學(xué)碩士,工程師,研究方向?yàn)榧訜嵩O(shè)備和粉煤灰的綜合利用。

TK229.6+6

A

1002-6339 (2014) 04-0324-03