楊竟憲 張海濤

(華東理工大學化工學院，上海 200237)

新型一體化脫硫工藝反應器內流場的數(shù)值模擬研究*

楊竟憲 張海濤#

(華東理工大學化工學院，上海 200237)

基于顆粒動力學理論，利用Fluent 軟件中的氣體-顆粒兩相流體模型，對新型一體化脫硫工藝(NID)反應器中不同工況下的三維流場進行數(shù)值模擬，并結合工廠實測數(shù)據(jù)及文獻數(shù)據(jù)對模擬結果進行驗證。結果表明，F(xiàn)luent軟件的模擬數(shù)據(jù)與工廠實測數(shù)據(jù)及文獻數(shù)據(jù)相吻合，利用Fluent軟件模擬了NID反應器內顆粒速度和濃度的分布，分析了反應器內流場的形成機制以及煙氣進速和顆粒粒徑對塔內壓降的影響。由模擬結果可知，在煙氣進速為18 m/s、顆粒粒徑為0.5～50.0 μm時，顆粒濃度分布均勻，塔內回流區(qū)最小，壓強變化穩(wěn)定，最有利于提高實際工業(yè)運行的穩(wěn)定性與安全性。

NID 氣力輸送 數(shù)值模擬 壓降

新型一體化脫硫工藝(NID)是在噴霧干燥法(半干法)脫硫工藝的基礎上發(fā)展而來[1]，其脫硫塔裝置中的反應器屬于矩形輸送床，煙氣進入反應器后帶動循環(huán)顆粒和脫硫劑豎直向上運動，顆粒稀相輸送與脫硫反應同時進行。

在公開的資料中，有關NID運行的報道均來自于工廠脫硫裝置，主要包括了脫硫塔整體壓降和進出口溫度等運行數(shù)據(jù)[2-5]，尚未有文獻對脫硫塔內流場進行模擬分析。為提高實際工業(yè)運行過程中設備的經濟性和安全性，需要對NID脫硫塔內反應器的流場分布進行模擬計算，根據(jù)反應器內顆粒速度場和濃度場的分布，分析壓強場的分布狀況與形成機制，從而得出優(yōu)化設備運行安全性的條件。壓降分布越均勻，設備運行越安全。脫硫塔內反應器的固體進料中，99%(質量分數(shù))以上為循環(huán)顆粒，脫硫反應對流場分布沒有任何影響，因此本研究主要對反應器中循環(huán)顆粒氣力輸送的物理過程進行計算分析。

氣力輸送是能源、冶金和化工等行業(yè)普遍使用的輸送物料的方法，而目前氣力輸送的研究多為實驗研究[6-8]。氣體速度和顆粒粒徑均會對顆粒輸送設備的流場產生影響，工廠運行和實驗室小試的操作過程中既不能精確控制顆粒粒徑等運行參數(shù)，也不能對塔內氣固相流場細節(jié)進行分析[9-12]。因此，計算流體力學(CFD)成為了工業(yè)反應器系統(tǒng)設計和參數(shù)優(yōu)化的有力手段，主要計算工具為Fluent軟件。

利用Fluent軟件對氣體-顆粒兩相流進行數(shù)值模擬時，主要使用Euler法和Lagrange法兩種模型。國內外很多學者都利用Fluent軟件選擇合適的模型，并對類似的兩相流場進行基礎研究。MAROCCO等[13]采用Euler-Lagrange法模擬濕法脫硫反應器中的壓降和出口溫度，模擬結果與實際值相比壓降相差35.3 Pa，溫度僅相差0.74 K。GOMEZ等[14]模擬了脫硫反應器內不同工況下氣液固各相的速度以及反應器內等壓線，模擬結果和工廠數(shù)據(jù)相比誤差小于5%。以上文獻數(shù)據(jù)均顯示了數(shù)值模擬在流場計算中的準確性。

本研究針對實際運行的工業(yè)NID反應器內流場狀況進行研究，以顆粒動力學理論為基礎建立兩流體模型，即Euler法，該模型能夠全面地考慮氣固相間作用、顆粒湍動黏度和顆粒間的碰撞作用，對流場細節(jié)進行準確描述。在氣力輸送過程中，影響壓降分布的主要因素是氣固速度和顆粒濃度分布，其中反應器內速度的大小和方向均會對顆粒速度和濃度的分布產生影響，因此，本研究從煙氣進速和循環(huán)顆粒粒徑兩個參數(shù)入手，考察不同工況下顆粒在反應器內的速度分布、濃度分布以及反應器內壓強分布。根據(jù)模擬得出的顆粒速度矢量圖、濃度分布圖和反應器內壓降分布圖進行分析，了解壓降分布的形成機制，從而為設備運行參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 研究內容

1.1 研究對象

研究對象為NID脫硫塔(半干式)，其物理模型如圖1所示。由圖1可見，NID脫硫塔主要包括底部U形彎頭和矩形脫硫反應器。底部的U形彎頭呈漸開設計，內彎與外彎的距離增加20%。反應器是垂直煙道結構，從高爐出來的待處理煙氣通過U形彎頭，在反應器入口處與循環(huán)物料混合并向上流動，循環(huán)物料表面帶有的少量水分與高溫煙氣接觸后蒸發(fā)，煙氣溫度降低。煙氣出入口尺寸均為2.000 m×4.000 m，循環(huán)物料入口為0.500 m×4.000 m，反應器高度為17.312 m。

圖1 NID脫硫塔物理模型Fig.1 Physical model of NID desulfurization tower

1.2 研究方法

本研究采用Gambit作為前處理軟件進行建模并劃分網(wǎng)格(見圖2)，將NID脫硫塔分成3個相連的部分，并對其中的U形彎頭和反應段連接部分進行加密處理，總網(wǎng)格數(shù)為224 240個。然后將建立好的模型在Fluent 14.5中進行計算和分析處理。

圖2 NID脫硫塔網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid of NID desulfurization tower

1.3 基本假設

由于反應器內的液相僅為顆粒表面的少量水分，氣液相間的傳熱傳質僅對脫硫塔內溫度產生影響，因此塔內流場可認為是氣固兩相流，并且在計算過程中作如下假設[15]：

(1) 循環(huán)灰顆粒是直徑相同、密度相同的圓球顆粒；

(2) 煙氣和蒸氣流動是三維、不可壓縮的非定常流動；

(3) 不考慮溫度、傳質、傳熱、相變對湍流的影響；

(4)煙氣流動處于旺盛湍流區(qū)；

(5) 脫硫反應器壁為絕熱，對流及換熱只在3相之間。

1.4 參數(shù)設置

1.4.1 求解參數(shù)

采用非定常的壓力基隱式求解器，湍流模型為可實現(xiàn)k-ε方程，壓力速度耦合方式選用SIMPLE算法，松弛因子采用默認值，對控制方程的離散則采用二階迎風格式，其中能量方程的收斂標準為10-6，其他方程的收斂標準均為10-3。

1.4.2 基本計算參數(shù)

本模擬涉及的物料主要包括煙氣、循環(huán)顆粒以及水分，基本參數(shù)見表1。煙氣和循環(huán)顆粒簡化如下：

(1) 入口煙氣為7種氣體和煙塵混合的氣體，由于模擬中不涉及化學反應且忽略煙塵的體積率，因此采用空氣模擬煙氣，并改變相關參數(shù)。

表1 模擬基本參數(shù)

(2) 循環(huán)物料實際為粉煤灰，由于煙氣降溫的主要因素是水分，因此本模擬中用固體硅顆粒模擬粉煤灰，并改變密度值。

(3) 為研究煙氣進速和顆粒粒徑對流場的影響，選取最大和最小煙氣進速以及不同數(shù)量級的顆粒粒徑作為設定模擬條件。

1.4.3 邊界條件

煙氣入口和循環(huán)物料入口均設為速度入口，出口的邊界條件設為充分發(fā)展，壁面則設置為無滑移、絕熱的墻。

2 計算結果與討論

2.1 模擬驗證

在上述設定條件下模擬得到不同工況下出口溫度、顆粒停留時間、速度場、濃度場和壓強場等數(shù)據(jù)，然而最終模擬結果與實測值有一定誤差，原因如下：(1)模擬時不考慮煙氣的可壓縮性和反應器壁的傳熱性，計算溫度偏高；(2)工廠運行中環(huán)境溫度和壓強等均會影響實測數(shù)據(jù)；(3)工廠運行中的數(shù)據(jù)測量點和模擬計算中的觀測點不完全一致。

由李超等[16]和汪建慧[17]的研究可知，煙氣進速越大，氣固輸送量增加，顆粒加速度增大，因此脫硫塔整體壓降增大且顆粒停留時間縮短；顆粒粒徑越大時，顆粒跟隨性越差，氣固間摩擦引起的壓力損失越大，脫硫塔整體壓降增大，顆粒停留時間延長；顆粒粒徑越大，顆粒比表面積越小，越不利于氣液間傳質傳熱，出口溫度升高。圖3至圖5中列出了模擬的顆粒停留時間、反應器壓降和出口溫度隨不同工況的變化，可見這些參數(shù)的變化趨勢與文獻所述規(guī)律相一致。

將模擬數(shù)據(jù)與工廠實測數(shù)據(jù)進行對比分析，最高出口溫度模擬值與實測值的相對偏差僅為4.04%，最大壓降和最小壓降的模擬結果與實側數(shù)據(jù)相比存在一定偏差，但相對偏差最大為12.60%。

圖3 不同工況下顆粒停留時間Fig.3 Residence time under different conditions

圖4 不同工況下反應器的壓降Fig.4 Pressure drop across reactor under different conditions

由蔡容容等[18]的研究可知，NID中顆粒在脫硫反應器內的停留時間的理論值為1.0～2.0 s，模擬結果與理論值相符(見圖(3))。綜合分析，本研究建立的模型和相應算法具有較高的準確性和較好的預測能力。

2.2 反應器內速度場研究

實際工業(yè)運行中，反應器內顆粒物的速度與走向無法測定，而利用Fluent軟件可以模擬得到不同工況下反應器內顆粒的速度分布。以顆粒粒徑為900.0 μm，煙氣進速為15 m/s的工況為例，反應器內顆粒的速度云圖模擬結果見圖6。

圖5 不同工況下反應器出口溫度Fig.5 Outlet temperature under different conditions

圖6 反應器內顆粒速度云圖Fig.6 Velocity contour of particles in the desulfurization reactor

由圖6可見，由于氣固混合的不均性導致反應器內顆粒產生明顯的速度分層，根據(jù)顆粒物流動特征，將反應器循環(huán)物料入口側的低速區(qū)進一步劃分為5個區(qū)域，不同區(qū)域的顆粒速度矢量圖見圖7。

由圖7可見，低速區(qū)內存在明顯的回流區(qū)，這是由于進入反應器內的顆粒主要受到兩個力：自身的重力和煙氣的曳力。在左側高速區(qū)內顆粒受到的曳力大于重力，顆粒隨煙氣向上加速并流運動。在右側低速區(qū)內，氣固接觸不充分，顆粒周圍氣速過低，受到的曳力小于重力，顆粒減速向上運動，最后回落形成回流區(qū)1。隨著反應器高度增加，回流區(qū)1外側的顆粒向內側補充，此時顆粒的速度大于回流區(qū)1內顆粒的速度，但是曳力仍小于重力，形成了回流區(qū)2?；亓鲄^(qū)2外的顆粒繼續(xù)補充時，受到的曳力大于重力，不再產生回流區(qū)，顆粒向上形成并流區(qū)。

表2列出了不同工況下反應器內回流區(qū)域的大小，可見當煙氣進速增大時，總體來看低速區(qū)范圍變小，回流區(qū)變窄，高度增加。而顆粒粒徑減小時，跟隨性增強，回流區(qū)內顆粒量減小，回流區(qū)面積減小。當粒徑為0.5 μm時，反應器內僅存在一個回流區(qū)。

2.3 反應器內顆粒濃度分布研究

顆粒濃度的分布同樣可以反映輸送過程中顆粒的運動狀態(tài)，圖8列出了煙氣進速分別為15、18 m/s時，不同粒徑顆粒在反應器水平截面上的顆粒濃度(以體積分數(shù)表征)沿高度上的變化。綜合分析可知，在1.000～7.000 m高度內，由于有回流區(qū)的存在，顆粒濃度基數(shù)較高，又由于在該范圍內部分顆粒處于加速狀態(tài)，顆粒濃度以較高的速度降低；在7.000 m以上的區(qū)域內，顆?；亓鳜F(xiàn)象消失，顆粒隨煙氣并流向上運動，顆粒平均加速度降低，顆粒濃度出現(xiàn)降速變緩的趨勢，且煙氣進速越小、粒徑越小時，顆粒濃度降速變緩的現(xiàn)象越明顯。結合表2可知，煙氣進速相同時，顆粒粒徑越小，跟隨性越好，形成的總回流區(qū)范圍也就越小，從而顆粒越早進入并流向上運動段，最終顆粒濃度分布基本不隨高度變化，達到穩(wěn)定狀態(tài)。總體看來，當顆粒粒徑相同時，煙氣進速越大，循環(huán)顆粒進料量成比例增加，回流區(qū)內顆粒濃度增加，顆粒濃度達到穩(wěn)定的時間延長。

圖7 不同區(qū)域內顆粒速度矢量圖Fig.7 Velocity vector of particles in different area of desulfurization reactor

表2 不同工況下反應器內回流區(qū)面積

圖8 不同工況下顆粒濃度隨反應器高度的變化Fig.8 Effect of reactor height on particles concentration under different conditions

圖9 不同工況下反應器內壓降隨高度的變化Fig.9 Effect of reactor height on pressure drop in the reactor under different conditions

結合圖8對垂直方向上的顆粒濃度分布進行分析，可見在0.500～1.000 m進料區(qū)循環(huán)物料低速溢流進料，局部顆粒濃度相對偏高；在1.000～7.000 m回流區(qū)內，進入反應器的顆粒沿著回流區(qū)外側向上運動，同時部分回流區(qū)內的顆粒脫離回流區(qū)域，進入左側高速區(qū)域。因此，總體看來，回流區(qū)內顆粒濃度隨高度逐漸降低，局部最高濃度出現(xiàn)在回流區(qū)與高速區(qū)的過渡區(qū)域內。當顆粒進行并流區(qū)后(高度7.000～17.312 m)，其受到的曳力不小于重力，顆粒隨煙氣并流向上運動進入加速段，平均濃度下降。

2.4 反應器內壓強場的研究

反應器內整體壓降的大小與氣固輸送量和氣固間摩擦損失有關，且回流現(xiàn)象的存在對反應器的壓強分布有著明顯的影響，圖9顯示了不同工況下反應器內壓強隨高度的變化。結合圖4可以看出，當煙氣進速增大時，脫硫塔氣固輸送量增加，且氣速與顆粒粒徑的增大均會加大氣固相間的速度差，即增大了煙氣和顆粒間摩擦力，從而使反應器整體壓降增大。

結合圖8分析可知，顆粒進入反應器后顆粒濃度高速下降，相對應的反應器內壓降大幅度增加。結合速度場分析可知，不同工況的反應器內均存在著回流現(xiàn)象，且回流區(qū)內顆粒和器壁的碰撞摩擦均會增加壓力損失，因此在該范圍內會出現(xiàn)局部低壓。當顆粒粒徑為500.0、900.0 μm時，氣固相間速度差值最大且回流區(qū)域最廣，此時局部壓強低于出口壓強，不利于設備的安全運行。而在小粒徑顆粒的工況下，隨著煙氣進速的降低，回流區(qū)范圍變大，塔內壓降存在明顯的波動，不利于設備的穩(wěn)定運行。

實際運行過程中，反應器內局部壓降過大不僅對生產設備有更高的要求，也會產生安全隱患，因此，從安全性和穩(wěn)定性考慮，高煙氣進速(18 m/s)和小粒徑顆粒(0.5～50.0 μm)最有利于實際工業(yè)運行中的安全生產。

3 結 論

基于顆粒動力學理論，對NID脫硫反應器的流場進行三維模擬，得出了不同工況下反應器出口溫度、顆粒停留時間、速度分布、濃度分布和塔內壓強分布等數(shù)據(jù)?？疾觳⒎治隽瞬煌瑹煔膺M速及顆粒粒徑工況下，反應器內的顆粒流動細節(jié)。數(shù)值模擬結果表明：

(1) 將顆粒相做擬流體，利用Fluent軟件模擬NID脫硫反應器的氣體-顆粒兩相流體模型，發(fā)現(xiàn)Fluent軟件對稀相氣力輸送具有很好的適應性，模擬結果與文獻及工廠數(shù)據(jù)基本吻合，F(xiàn)luent軟件可以成為NID脫硫反應器系統(tǒng)設計和優(yōu)化的有力工具。

(2) 在不同的工況下，反應器內速度分層現(xiàn)象一直存在，煙氣進速越大，分層現(xiàn)象越明顯，且在低速區(qū)域內存在不可忽略的回流現(xiàn)象?；亓鳜F(xiàn)象的存在增加了顆粒濃度分布的不均性，對塔內壓降分布產生不利影響。

(3) 顆粒粒徑越小，反應器內回流區(qū)域越小，顆粒分布均勻性增加，塔內局部低壓現(xiàn)象改善；煙氣進速越大，塔內輸送量增加，脫硫塔整體壓降增大，反應器內回流區(qū)域變窄，塔內壓強變化的穩(wěn)定性增加。

(4) 從運行成本、操作安全性以及塔內氣固混合均勻性等角度出發(fā)，實際NID反應器運行中應以18 m/s煙氣進速和0.5～50.0 μm顆粒粒徑為宜。

[1] 楊飏．煙氣脫硫脫硝凈化工程技術與設備[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013．

[2] WANG Yunjun,DUAN Yufeng,YANG Liguo,et al.Experimental research and microscopic mechanism analysis on simultaneous mercury removal by novel integrated semi-dry desulfurization systems[J].Journal of Power Engineering,2009，29(3):270-276.

[3] WU Chengjun,DUAN Yufeng,WANG Yunjun,et al.Characteristics of mercury emission and demercurization property of NID system of a 410 t/h pulverized coal fired boiler[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2008，36(5):540-544.

[4] WANG Yunjun,DUAN Yufeng,YANG Liguo,et al.Mercury speciation and emission from the coal-fired power plant filled with flue gas desulfurization equipment[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering,2010,88(5):867-873.

[5] 蘇清發(fā)，蔣亞兵，吳慕正，等．NID半干法脫硫灰生產蒸壓磚中試實驗研究[J].環(huán)境工程學報，2014，8(9)：3996-4000．

[6] 張善榮．散料輸送與貯存[M].北京：化學工業(yè)出版社，1994．

[7] RAUTIAINEN A,STEWART G,POIKOIAINEN V,et al.An experiment study of vertical pneumatic convey[J]. Powder Technology,1999,104(2):139-150.

[8] LI H,TOMITA Y.Particle velocity and concentration characteristics in a horizontal dilute swirling flow pneumatic conveying[J].Powder Technology,2000,107(1/2):144-152

[9] 謝灼利，張政．氣力輸送的數(shù)值模擬研究[J].北京化工大學學報(自然科學版)，2001，28(1)：22-27．

[10] 蒲文灝，熊源泉，趙長遂，等．垂直管煤粉高壓密相氣力輸送特性的模擬研究[J].中國電機工程學報，2008，28(17)：21-25．

[11] 景山，蔣攀亮，胡慶元，等．垂直稀相氣力輸送壓降特征實驗[J].過程工程學報，2001，1(1)：25-29．

[12] 蒲文灝，趙長遂，熊源泉，等．水平管加壓密相煤粉氣力輸送數(shù)值模擬[J].化工學報，2008，59(10)：2601-2607．

[13] MAROCCO L,INZOLI F.Multiphase Euler-Lagrange CFD simulation applied to wet flue gas desulphurisation technology[J].International Journal of Multiphase Flow,2009,35(2):185-194.

[14] GOMEZ A,FUEYO N,TOMAS A.Detailed modelling of a flue-gas desulfurisation plant[J].Computers & Chemical Engineering,2007,31(11):1419-1431.

[15] BROWN K,KALATA W,SCHICK R.Optimization of SO2scrubber using CFD modeling[J].Procedia Engineering，2014，83:170-180.

[16] 李超，代正華，許建良，等．多噴嘴對置式氣化爐內顆粒停留時間分布數(shù)學模擬研究[J].高校化學工程學報，2011，25(3)：416-422．

[17] 汪建慧．NID循環(huán)半干法煙氣脫硫裝置脫硫效率的分析[J].環(huán)境工程，2011，29(增刊1)：150-152．

[18] 蔡容容，張衍國，蒙晨瑋，等．流化床內球形大顆粒停留時間分布的正交實驗研究[J].中國電機工程學報，2014(5)：713-717．

Numericalsimulationofflowfieldinthenovelintegrateddesulphurizationreactor

YANGJingxian,ZHANGHaitao.

(InstituteofChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237)

Gas-particles two fluid model of Fluent software was introduced to study three dimensional flow behaviors of pneumatic conveying in novel integrated desulphrization (NID) reactor on the basis of the kinetic theory of granular flow. The simulation was run with different inlet velocity and particle size. The result showed that the simulated data had good agreement with the literature data and plant actual monitoring data. The simulated data includes the distribution of particle velocity and particle concentration, the formation mechanism of flow field in the reactor and the effect of inlet velocity, particle size on pressure drop of reactor were investigated. The result indicates that as the inlet velocity was 18 m/s and the particle size was 0.5～50.0 μm, the area of back flow was minmized, which optimized the stability and security of NID reactor in industrial operation.

NID； pneumatic conveying； numerical simulation； pressure drop

楊竟憲，女，1991年生，碩士研究生，研究方向為煙氣脫硫。#

。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.016

編輯:丁 懷 (

2016-07-05)