装有气流分布板的脱硫喷淋塔流场数值模拟

装有气流分布板的脱硫喷淋塔流场数值模拟

过小玲1金保升孙志翱

（东南大学热能工程研究所，江苏南京210096）

摘要以600 MW机组喷淋塔为研究对象，利用Fluent软件，对装有一定开孔率气流分布板的脱

-模型作为计算模型，并结合拉硫喷淋塔进行了空塔和喷淋状态下热态流场数值模拟。计算中选用kε

格朗日颗粒轨道模型，用SIMPLE算法进行计算。计算结果表明，气流分布板对塔内流场、温度场和压力场都有一定的影响；引入喷淋液后，由于喷淋液滴对塔内流场强烈的整流作用，内部速度明显趋于均匀化。

关键词喷淋塔Fluent软件数值模拟气流分布板

Flow simulation for FGD spray scrubber with gas distributing board Guo Xiaoling, Jin Baosheng, Sun Zhiao (Department of Power Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096) Abstract: The research was based on a spray scrubber with a gas distributing board in a capacity of 600 MW unit, using software of Fluent to simulate the field in the spray scrubber. Both under spray and without spray conditions were simulated. The gas flow was described using standard kε-model and SIMPLE algorithm. Lagrange particle trajectory model was used to imitate the initial condition of the slurry droplet. The results showed that the gas distributing board had a significant influence on the interior field. When spray was introduced, the gas velocity became uniform. This was because the slurry droplets bring huge influence on the flue gas flow by cutting down the scale of the eddy of the flue gas.

Keywords: Spray scrubber Fluent Numerical simulation Gas distributing board

喷淋塔是湿法烟气脱硫工程中的核心设备，其内部复杂的两相流动直接影响着喷淋塔的设计及其脱硫效率。对于脱硫喷淋塔，仅靠试验难以揭示塔内的各种参数[1]。而数值模拟方法具有经济、高效的特点，且排除了模型试验方法中存在的缩小误差的问题及安全问题[2]特别是利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)通用软件之后，还避免了复杂的编程工作，已经成为研究塔内流场的有力工具[3]。目前国内数值模拟基本上为二维的冷态模拟[4]，或者是三维空塔的模拟；而国外学者的研究主要集中在脱硫机理或浆液液滴的运动方面[5-7]，很少针对脱硫塔进行流场等研究。

本文以600 MW机组带气流分布板的喷淋塔为研究对象建立三维模型，用Fluent软件对喷淋塔空塔和喷淋状态下的热态流场进行了数值模拟。采用kε

-模型，并结合浆液液滴随机生成模型，用SIMPLE算法进行计算。

1 喷淋塔模型的建立

1.1 烟气流动的物理模型

1.1.1 物理模型简化

烟气脱硫塔结构如图1(a)所示。烟气沿水平下倾烟道进入塔体，在上升过程中先通过气流分布板，再依次经过3个喷淋层。脱硫浆液由均匀布置于喷淋层的雾化喷嘴引入，与1第一作者：过小玲,女，1981年生，硕士，研究方向为烟气脱硫技术。

烟气形成逆流接触。经过洗涤之后的烟气进入除雾段，吸收SO 2之后的喷淋液下落至浆液池。本文工作的第一步是建立脱硫塔的物理模型，并对所模拟的问题做出物理上的简化。在计算中不考虑除雾器以及浆液池的影响，简化后的模型如图1(b)所示。

(a) 示意图 (b) 模型

图1 脱硫塔示意图及其模型

Fig.1 Wet FGD spray tower and model

将图1(b)所示的脱硫喷淋塔模型导入CFD 软件的前处理模块进行网格化。计算区域选为浆液池表面以上至出口烟道的区域。在模拟中用空气代替烟气，用水代替浆液进行研究。

1.1.2 模拟中用到的参数

脱硫塔高度:34 m ；脱硫塔直径:17.5 m; 烟气入口尺寸:14 m ×4.5 m; 烟气出口尺寸:φ8.5 m; 浆液面至出口烟道中心线高度:30.8 m; 烟气流量：2.376 037×106 m N 3/h; 进口烟气温度: 130℃; 循环浆液量：4.12×104 m 3/h; 浆液温度：45℃; 浆液液滴平均粒径：2.1 mm 。

1.2 烟气流动的数学模型

对吸收塔进行物理上的简化之后，需要从数学的角度建立控制方程组，并将其离散化、线性化以进行迭代求解。

1.2.1 气相数学模型

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：

()

()

()

p u v S S x y z x x y y z z φφφφφρφρφρωφφφφ∂∂∂⎛⎫∂∂∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫++=Γ+Γ+Γ++ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭

⎝⎭ （1） 式中：φ分别代表速度u 、v 、ω、湍流动能k 、湍流动能耗散率ε、压力p 、混合分数f 及其脉动均方值g 和焓h ，当1φ=时为连续性方程；S φ 是由气相引起的源项或汇项；p S φ是由固体颗粒引起的源项，对连续性方程而言，该项是颗粒的质量变化项，对动量方程而