循环流化床内烟气脱硫模拟分析

引入颗粒相湍能和湍能耗散率描述颗粒团的脉动 分析不同表观气速和颗粒循环量时床内颗粒相轴 及颗粒团形成和脉动对浆滴蒸 分析指出颗粒团的形成可减小浆
向速度沿径向变化规律 发和脱硫效果的影响 滴蒸发速度
增强脱硫效果
关键词: 双流体模型 循环流化床 烟气脱硫 颗粒团
1
高
引言
循环流化床烟气脱硫技术具有脱硫剂利用率 耗水量少以及干态脱硫产物易于处理等优
Sϕ Sϕgp 0
动量方程(z)
ug
µe
− β (u g − u p )
气 相 动量方程(r) vg µe
来自百度文库
− β (v g − v p )
湍能 k 方程 湍流耗散率 ε方程 能量方程 连续方程
k ε
µ g + µ g ,t / ξ k µ g + µ g ,t / ξε λe
0
Gp
(
)
(ε / k )Cε 3G p −α H (Tg − T p )Se
点 获得很好的应用效果 [1,2] 床内复杂的气固 两相流动 浆滴蒸发和 SO2 吸收反应及由此引起 的强烈非线性效应 是影响循环流化床烟气脱硫 设备设计和放大的关键因素 已有描述循环流化 床烟气脱硫设备内流动及热质传递过程的模型 如 Neathery[1] 的一维等温平推流模型 Tan[2]的一 维非等温模型 Yan[3] 基于最小能量原理和环核 流动假设建立的环核流动/ 蒸发脱硫模型等均属 于半经验模型 普适性及实用性都比较差 计算流体力学的不断发展为研究流化床类反 应器的流动 热质传递和化学反应提供了新的手 段 [4,5] 其中双流体模型把颗粒相也视为连续流 体 基于流场中质量 动量守恒建立反映气固两 相流动的流体力学方程组的关键则转化为如何得 到颗粒相的压力 粘度以封闭相应的方程组 颗 粒动力学理论通过定义颗粒随机运动动能为 拟 温度 Θ 或 颗粒温度 获得颗粒相的粘度及压 力表达式[4,6] 程易[6] 等基于颗粒动力学理论采用 不同形式处理气相和颗粒相的湍动和能量耗散 郑雨 [7] 万晓涛 [8] 等考虑到提升管内除了气固两 相处于湍流状态外 反应器内还存在介观尺度的 颗粒团随机运动及气固两相湍动相互作用 发展 出 k − ε − kp −ε p − Θ5 参数模型 研究了提升管内的 复杂流动过程 本文在 k − ε − kp −εp − Θ 5 参数模型 基础上 考虑脱硫设备内气相和颗粒相之间热质 交换 ( E) 和脱硫反应(D ) 构成循环流化床烟气脱 硫反应 k − ε − kp − ε p − È / E − D 模型
ABSTRACT A model was developed from two-fluid model including the effect of evaporation and desulfurization to simulate the flue gas desulfurization process in a circulating fluidized bed. The influence of collision between cluster ans particles and wall was considered by introducing the coefficient of restitution, and the particle turbulent energy and dissipation rate of turbulent energy were introduced to descript the cluster turbulence. These considerations greatly improve the consistence of theoretical predictions with experiments and better understand some phenomena such as local solids fraction distribution. The numerical simulation indicated that the cluster could decrease the slurry evaporation rate and enhance the desulfurization. KEY WORDS: Two-fluid model; Circulating fluidization bed; Flue gas desulfurization; Cluster 摘要: 基于气固两相流双流体模型及床内浆滴蒸发和 SO2 吸收过程的分析 团 特性 过程 该文发展了循环流化床烟气脱硫过程 采用恢复系数修正颗粒与颗粒 合理解释固相含率沿径向分布 的双流体 / 蒸发脱硫模型 壁面之间碰撞影响
2 −1
m D 扩散系数 m⋅s−1
Gs 固体质量通量
径向位置; m
Sc Schmidt 准则数 T 温度 K u 轴向速度 m⋅s−1 ; v 运动粘度, m2 ⋅s−1 ; w 床壁面
径向速度, m⋅s
τ 剪切应力 N⋅(m )
ρ 密度 kg⋅(m )
µ 粘度 Pa⋅s φ 增强因子 v
万方数据
dp 颗粒直径

β (vg − v p )
湍能 k p 方程 湍流耗散率 εp 方程 能量方程 拟温度方程 SO2 浓度方程 H2 O 浓度方程 kg(m2 ⋅s)−1 P
kp εp cpp Tp
µ s + (µ s , t / ξ ε ) µ s + (µ s , t / ξ ε ) λp µ s, t 2 Γ Θ+ 3 ξΘ D SO 2 , e D H 2O ,e
第 23 卷 第 11 期 2003 年 11 月 文章编号 0258-8013 (2003) 11-0173-05
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号 TK221 文献标识码 A
Vol.23 No.11 Nov. 2003 ©2003 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号 470⋅2040
Tab. 1
方程 连续方程 ϕ 1 Γϕ 0
间相互作用 下标 i 取 g 和 p 分别代表气相和颗 粒相 控制方程的具体表达式见表 1
φ=0.3m h=4.5m
图 1 循环流化床烟气脱硫设备反应器示意图 Fig. 1 Diagrammatic sketch of CFB-FGD reactor
表 1 控制方程中各项具体表达式 The expression for the governing equations
汽化潜热 kJ(kg) −1 ; Sh
3 −1
G gp
(
)
(ε p / k p )Cε 3G gp −α H (T g − T p ) Se
0 0 0
(
)
Θ C SO2
C H 2O
注 aD 对流传质系数 m⋅s−1 ; aH 压力 Pa; r
−1
对流换热系数, kJ(m2 ⋅K)−1 cp 定压比热 kJ⋅K−1 Sherwood 准则数
第 11 期
颜
岩等
循环流化床内烟气脱硫模拟分析
175
2.2 相关参数 颗粒动力学参数可参见文[6]~[8] 1 颗粒湍动特性分析 存在着颗粒团 还存在颗粒团 循环流化床烟气脱硫设备中 的生成和解体 除单颗粒脉动外 脉动 对颗粒湍动特性描述
液相中 SO 2 传质为 NSO 2 = φα D ,SO 2 ,l CSO 2 ,i 系, 即 PSO 2 ,i = HCSO 2 , i (10) 联立式 (8)~(10) 得到 NSO 2 = φαSO 2 , l CSO 2 / φα SO 2 ,l / α SO 2 , g + H / RT g (10) 总的 SO2 传质系数为 K SO 2 = φα SO 2 ,l /(φ α SO 2 ,l α SO 2 , g + H / RT g )
α D (C sat − C H 2 O )Se ∂u g 1 ∂ ∂vg ∂P ∂ + −α g + µe r ∂r rµ e ∂z + α g ρ g g z − ∂z ∂z ∂ z ∂u g ∂vg v g ∂ 2 2 + + α g ρ gk + µe ∂z ∂r r 3 ∂z 3 ∂u g ∂ ∂v g 2µ ev g ∂P ∂ + + µ e r∂r rµ e ∂r − r 2 + ∂r ∂z ∂ r ∂u g ∂v g vg ∂ 2 2 α g ρ g g r − α g ρ g k + µe + + 3 r ∂r ∂r ∂z 3 −α g Gk − α g ρ g ε ε Cε1Gk − Cε 2α g ρ gε k
2
数理模型
基金项目 国家自然科学基金重点项目 50136020 教育部博 士点基金项目 2000000304 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50136020).
2.1 数学模型 循环流化床烟气脱硫设备装置及过程描述参 见文 [2] [3] 将循环流化床烟气脱硫设备反应
循环流化床内烟气脱硫模拟分析
颜 岩 彭晓峰 王补宣
(清华大学热能工程系 北京 100084)
INVESTIGATION ON FLUE GAS DESULFURIZATION IN A CIRCULATING FLUIDIZED BED
YAN Yan, PENG Xiao-feng, WANG Bu-xuan (Thermal Engineering Department, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
万方数据
174
中
国
电 机
工 程
学 报
第 23 卷
器简化为图 1 所示的圆柱形结构
烟气中 SO2 浓
位体积内变量 ϕ 的源项
Sϕgp 为单位体积内气固
度很低 可以忽略 SO2 吸收对气相和颗粒相质量 守恒方程的影响 其中 k −ε − kp −ε p −Θ 5 参数模型 的推导详见文[7] [8] 在二维轴对称柱坐标系 (r z)中 模型方程如下 : ∂ (α i ρ iuiϕ ) + 1 ∂ (rα i ρiυiϕ ) = ∂z r ∂r ∂ ∂ϕ 1 ∂ ∂ϕ α i Ãϕ + rα i à ϕ + S ϕ + S ϕgp (1) ∂z ∂z r ∂r ∂r 式中 ϕ 为独立变量 à ϕ 为扩散系数 Sϕ 为单
−α p
动量方程( z ) up µp
β (ug − u p )
颗 粒 相
动量方程( r )
vp
µp
∂P ∂ ∂uv ∂ ∂v 2µ v + µ v + rµ v v − v v + ∂r ∂z ∂r r∂r ∂r r2 ∂P ∂ 2 ∂v v 2 ∂u α v ρ v g r − 2 − α v ρ v k v + µv − ς 2 v + v + v ∂r ∂r 3 ∂r r 3 ∂z − αv G kp − α p ρ p ε p ε p / k p Cε 1 Gkp − C ε 2 α p ρ p ε p µφ g − rα D C sat − C H 2 O Se G pp − (2 / 3)γ / 3 + (2 / 3)α p ρ pε p − K SO2 C SO2 Se α D (Csat − C H 2 O ) Se
0
c pg T g
1
µφ g + rα D (C sat − C H 2 O )Se −α D (Csat − C H 2 O )Se ∂u p 1 ∂ ∂v p ∂P ∂ ∂Ps + + µ p r ∂r rµ p ∂z + α p ρ p g z − ∂z − ∂z ∂z ∂ z ∂u p ∂v p v p ∂ 2 2 + + α p ρ p k p + µ p − ζ s r ∂z ∂r 3 ∂z 3