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工业湿烟气脱硫装置(WFGD)的CFD模拟
作者:管理员    发布于:2016-10-21 02:33:29    文字:【】【】【

摘要

3D全比例的计算流体力学模型发展至今已经可以用于模拟湿法烟气脱硫装置。这种模型还考虑热量转移、浆液滴蒸发、液滴和壁面的相互作用以及液滴大小分布:欧拉-拉格朗日模型已经在多相流的模拟中得到应用,当模拟需要考虑到湍流作用时,可以使用k-ε湍流模型;浆液液滴和烟气之间的相互作用可以通过双向耦合在模拟中体现;动态阻力系数可以用来调节浆液液滴所受到的阻力与其在空气动力的作用下发生的扭曲的相关性;TAB扭曲模型已经用于计算浆液液滴的扭曲情况;Qausi的稳态液滴蒸发模型可用来捕捉浆液液滴的蒸发;Rosin-Rammler液滴大小分布模型可用于模拟各种大小的液滴;为了模拟向脱硫塔内注射浆液,建立了1520个锥角为120°的空心锥模型;另外,将除雾器模拟为具有适当压力降的多孔介质。

模拟结果表明,随着烟气流进WFGD装置后逐渐冷却,并且由于与浆液液滴的相互作用导致水汽含量增加,其结果就是进行了传热传质过程。流体动力学研究表明,在脱硫塔入口对面的塔内壁附近,烟气速度越快,导致壁面附近的L/G比越低,而脱硫塔内部的L/G比越高。为了降低壁面附近的速度,浆液应更多地分布在脱硫塔壁面附近而不是内部区域。从模拟中显而易见的是,为了减小脱硫塔入口处的烟气速度,在脱硫塔前布置一根合适的管道是必不可少的。

关键词:CFDWFGD、欧拉 - 拉格朗日、浆滴、流体力学、烟气

1.简介

酸雨主要是由电厂中燃烧化石然燃料产生的二氧化硫(SO2)引起的。多年来, SO2排放限值逐渐降低,迫使我们提高脱硫设备的脱硫效率。国际上,在烟气脱硫的诸多技术中,湿法脱硫技术用的比较多,因为其性价比比较高。湿法烟气脱硫净化系统通常位于布袋除尘或静电除尘系统之后。布袋除尘或静电除尘主要用来清除烟气中的悬浮颗粒。湿法脱硝技术(WFGD)被认为是一种成熟的商用技术,全世界有很多供应商可以提供。

WFGD系统中最重要的过程是二氧化硫的吸收。二氧化硫在喷雾吸收区通过与石灰石浆液滴反应被吸收,因此,吸收区的化学吸收是脱硫塔中最复杂的和重要的一步。一般而言,在脱硫塔和浆液池中有以下四个过程:石灰石溶解,二氧化硫吸收,三氧化硫的负离子氧化,石膏结晶。在WFGD系统中,这四个过程的反应和相互作用很难用数学模型准确的加以描述,特别是描述湿法脱硫系统(四个过程中)各部分之间的相互转化。

研究人员运用欧拉-欧拉和欧拉 - 拉格朗日这两种方法来模拟WFGD脱硫塔内部的流场。在现在的工作中,人们已经采用欧拉-拉格朗日法来模拟工业中的全比例脱硫系统三维模型的流场、滴壁相互作用、蒸发及冷凝、液滴尺寸分布、传热和液滴变形等。

2.过程描述

典型WFGD单元的与强制氧化系统的简化图如图a所示。烟气脱硫的主要任务是强制氧化去除烟气中的二氧化硫气体,产生石膏作为可供出售的产品。含尘气体通过入口烟道进入到浆液池上部的脱硫塔区域。该浆液是一种石灰石混合物,由碳酸钙、亚硫酸钙、和硫酸钙组成。

每个喷淋层设置有众多喷嘴,喷嘴喷出雾化的浆料。喷嘴分布在整个塔的截面上以达到最优效果。烟气向上流动和接触浆液滴从而去除二氧化硫气体。液滴与烟道气反应之后落到浆液池中。喷雾液滴中的一些水分通过蒸发,把烟道入口气体从143℃冷却到48℃,并使烟气和水充分混合。

去除烟气中的污染物二氧化硫后,含饱和液滴的烟气到达除雾器。烟气进入除雾器后,大部分的浆料液滴被捕获并返回到下部反应器(浆液池)中。除雾器位于喷淋层上方,由两部分组成。第一部分除去大部分夹带的液体的液滴;在第二部分捕获一些好的液滴,除雾器经常用工艺用水冲洗,保持清晰表面和低的压力损失。

                    

              图1:(a)脱硫塔简化的几何外形    (b)带喷头排列的几何模型

3.模型的开发

脱硫系统脱硫塔中的流动可被认为是二相流,其由气相(烟气)和液相(浆液的液滴)组成。对于模拟来说,烟气可用连续相表示,液滴可用离散相来表示。为了充分理解脱硫塔内两相间的物理过程,通过移动参考坐标来模拟液滴的水平运动是必须的。通过这种方法,气相中浆液液滴的一些重要特征,如液滴尺寸分布、液滴相互作用、液滴蒸发、液滴吸收等,可以很容易地加以考虑。因此,欧拉 - 拉格朗日(E/L)方法被用于模拟WFGD脱硫塔,其中烟气是运用欧拉方程来模拟,浆滴是由拉格朗日方程来模拟。

   3.1模型的假设

1. 烟气被认为是不可压缩粘性流体(马赫数不高)

2. 脱硫塔内液体体积分数通常低于8-10%,除了非常靠近喷嘴的地方,因此假设其(液体体积分数)是零。

3. 假定液滴间的相互作用是零,因为液滴间是非常稀释的离散相。

4. 分散的液相包含球面的和非旋转的液滴。

5. 对于非常稀的流动,辐射引起的传热可以忽略不计。

6. 液滴的温度被认为是在控制体积内均匀的,由小尺寸几毫米的量级表示。

7. 理想反射(回弹)模型已被用于液滴-壁相互作用。

   3.2烟气

烟气的守恒方程可以假设成单相流同样的模式。

   3.3浆液液滴

浆液液滴的轨迹的计算通过拉格朗日法来进行。其通过跟踪计算域中的大量粒子来进行滴浆和烟气的质量由于二氧化硫的吸收可以相互转换,比如浆液液滴的移动、液滴蒸发、水蒸汽冷凝和二氧化硫的解吸等。

在目前的研究工作中通过蒸发进行质量传递。准稳态单相液滴蒸发模型用于计算液滴蒸发,其中假设液滴内部均一,是由一个单一的液体成份构成。

对于液滴动量传递模型,作用于液滴上的力平衡问题必须加以设置和解决。液滴上的力可分为表面力和内力。内力如重力和升力作用在整个液滴,而表面力如惯性和阻力作用在液滴的表面。

虚拟质量力可忽略不计,因为烟道气体密度比浆液液滴的密度小得多。阻力对液滴的气相运动有很大的影响。阻力系数可以通过使用刘氏动态阻力系数模型来表示。刘氏动态阻力系数的目的是考虑到液滴阻力在气动力作用下的变形。

由于液滴的变形增加,它的形状被假定为成为一个磁盘状,其轴线与相对速度方向一致。这增加了对液滴的拖动。刘氏阻力系数模型最后指出,高雷诺数限制这种类磁盘的系数为1.54。然后,它假定类磁盘液滴阻力要高于球体的拖动雷诺数0.424,这中间的形状的阻力可在这两个极值间变化。

WFGD中能量传递主要通过液滴蒸发,即烟气和液体之间的对流热传递。辐射热传递被认为是可忽略不计,因为它只有很稀少的热量传递。由于液滴尺寸使用均匀体积分布的模型,所以液滴的温度可以被认为是均匀的,其中最大液滴尺寸为约4毫米。

对流热传递系数的平均值可通过计算它的连续相的热导率函数得到,努塞尔数和相互作用长度作为标准:努塞尔数由Ranz-马歇尔相关的计算为液滴的雷诺数的函数,是烟气的普朗特数(PDF)。

   3.4 浆液液滴的蒸发

准稳态单组分液滴蒸发模型可用来计算液滴蒸发。这个模型把液滴准稳态蒸发率添加到质量守恒方程。用于蒸发的驱动力是从液-气系统平衡出发的。除了动力,另外两个重要的参数中确定液滴蒸发速度是气体成分的分子扩散率和液滴舍伍德数目。

   3.5 浆液液滴的变形

计算液滴在空气动力作用下的变形由TAB变形模型表示。该模型计算出的瞬间位移x是从它的平衡位置到液滴赤道的距离。Cb为经验常数,Dd是液滴直径,yTAB变形,y可以直接在刘动态阻力系数的计算中使用。

   3.6 除雾器

除雾器模拟成多孔介质,主要考虑多孔挡板边界条件:

                          

α和β的值通过由除雾器厂家提供的实验结果计算得到。

   3.7液滴-壁面相互作用

在目前的研究中,反弹冲击模型用于模拟液滴壁面相互作用。在模型中,脱硫塔的壁面,喷头,喷嘴和除雾器被定义为墙,相对于壁速度的回弹速度是由所确定的撞击速度和相应的恢复系数决定。

             

上标RI分别表示反弹和冲击;下标nt指相对于法向和切向分量分别作用墙上,e是恢复原状系数。上面的等式可以被分成两部分来定义:法向恢复原状系数和切向恢复系数。

           

两个系数的范围可以从01。在当前的模型中,我们使用的不同的恢复系数值为脱硫塔的墙壁、喷头壁、喷嘴。这是想在以后的研究中,模拟液滴碰壁后液滴破碎变化将液滴壁的相互作用更加具体化。

4.计算区域

一个具体化、大规模的工业湿法脱硫脱硫塔进行3-D模拟如图1所示(B)所示。该模型由烟气进口、烟气出口、浆液喷嘴、除雾器和脱硫塔组成。在模型中分别设置为速度进口、压力出口、喷射器的墙壁、隔板多孔和墙壁;然后重新划分网格用合适的墙壁恢复原状因素分别计算被离散化的多面体和棱镜层单元表面。烟气被模拟成连续相由Navier-Stokes方程来表示。通过牛顿第二定律用来表示液滴的各种分散的液相受到的力。多相欧拉-拉格朗日计算流体力学模型已被应用于建模阶段,而同时湍流效应已被引入使用K-ε模型湍流模型。浆液液滴和烟道气之间在模型中通过双向耦合,受到两相间的相互作用。对于阻力系数,刘氏动态阻力系数已被用来表示阻力的存在性,浆液液滴在空气动力作用下的变形。对于计算悬浮液滴变形,TAB变形模型已被使用。该准稳态液滴蒸发模型用来捕捉悬浮液滴的蒸发。这种模式使液滴通过蒸发进行质量转移。它还允许通过冷凝获得质量缩合。引入液滴的大小不同,使用不同的Rosin-Rammler液滴尺寸分布模型,其中,Rosin-Rammler系数和参考直径一直从喷嘴制造商提供的喷嘴特性数据计算获得。喷嘴未建几何模型,但浆料从锥体定位器注入到喷头再由喷嘴喷出。喷雾特性的规格、计算从喷嘴制造商交付的数据获得。因此喷射浆液到脱硫塔,用1520120°锥角的空心锥形喷嘴来模拟, 除雾器用适当压降的多孔介质来模拟。体力和表面力也被添加到模型中。

a)除雾器的上游速度(b)穿过除雾器的压降(c)液气比

2:模型关键参数网格独立研究

5.结果与分析

为了评估WFGDCFD模型的结果,一些关键的参数已被选定,如速度分布、液气分布、靠近除雾器的速度分布、烟气温度和浆液液滴蒸发等。速度变化图和L/G分布是很重要的因子,是吸收剂达到最合适计量,即最佳二氧化硫移除效率的关键。除雾器上游速度为它的性能和耐用性起非常重要的作用。平滑的上行速度分布是良好性能的关键。此外,除雾器表面的最大速度也暗示除雾器表面的污染风险:最大速度的地方风险比较小,同样碰撞除雾器表面的液滴也较少。

网格独立性的研究已经完成,通过使用250万的多面体单元与湿法烟气脱硫的关键参数关联,如L/G比值,上行速度和压降。网格独立的结果如图2所示。所述L/G曲线示于图3,显示出了更高的L/G在脱硫塔中的中间与吸收体壁的比较。

这是因为在烟气入口管的对侧具有很高的烟气流速。该浆液覆盖整个吸收区L/G6-8区域,与观测值非常相似,这就是湿法烟气脱硫操作过程中的价值。

  

3:(a)整个区域的液气比(b23层间的液气比

4:(a)除雾器上游10厘米处的速度分布(b)液滴尺寸分布

液体浆液很大程度上改变了烟道气体的速度分布,在脱硫塔入口对面的壁面附近气体的速度较高,这股高速烟气很快就传播整个区域。为了消除这种高速区域,可以在脱硫塔壁面处布置更多的浆液喷嘴,在内部区域布置较少的喷嘴。在除雾器上游的速度分布也是非常重要的。图4a)代表除雾器上游10厘米处的速度分布。脱硫塔横截面上的速度分布均匀性较好,而较低的速度是除雾器持续地表现出良好性能的主要原因。

我们已经引入Rosin-Rammler分布函数作为模拟不同尺寸液滴的模型。从图4b)中可以看出,较小尺寸的液滴更多地出现在脱硫塔上部而非下部。图5所示为烟气温度和相对湿度的等值线图,随着烟气流进WFGD装置后逐渐冷却,并且由于与浆液液滴的相互作用导致水汽含量增加,其结果就是进行了传热传质过程。

5:(a)烟气相对湿度梯状分布 b)烟气温度的梯状分布

6.结论和建议

    该模拟结果表明,在整个脱硫塔内速度和L/G比较为均匀,也表明了在除雾器上游较低的烟气速度有利于使除雾器持续地表现出良好的性能,随着烟气流进WFGD装置后逐渐冷却,并且由于与浆液液滴的相互作用导致水汽含量增加,其结果就是进行了传热传质过程。流体动力学研究表明,在脱硫塔入口对面的塔内壁附近,烟气速度越快,导致壁面附近的L/G比越低,而脱硫塔内部的L/G比越高。为了降低壁面附近的速度,浆液应更多地分布在脱硫塔壁面附近而不是内部区域。为了减小脱硫塔入口处的烟气速度,在脱硫塔前布置一根合适的管道是必不可少的。我们同样致力于化学动力学、二氧化硫的吸收和增强因子的模拟,这对于模拟WFGD装置中传质过程和脱硫塔效率来说是必不可少的。从模拟结果可以推断出,CFD是一种研究WFGD装置脱硫塔内部空气/流体动力学和传热传质过程的有效工具,也可以用于工艺优化。

脚注信息
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