用数值模拟方法进行脱硫塔的优化设计
大型烟气脱硫塔的流体动力学模拟及优化设计
收稿日期:2004-07-30; 修订日期:2004-12-10作者简介:孙克勤(1961-),男,江苏南京人,江苏苏源环保工程股份有限公司高级工程师.文章编号:1001-2060(2005)03-0270-05大型烟气脱硫塔的流体动力学模拟及优化设计孙克勤1,周山明2,仲兆平2,金保升2(11苏源环保工程股份有限公司,江苏 南京 210008;21东南大学洁净煤燃烧及发电技术教育部重点实验室,江苏 南京 210096)摘 要:对大型脱硫塔进行合理模化和简化,采用随机模型确定颗粒初始位置,基于k-ε湍流方程对喷淋脱硫塔进行了空塔和喷淋状态下的流场计算。
计算结果表明:喷淋液滴对烟气流场具有强烈的整流作用;在此基础上对脱硫塔来流烟道加以改造,并对改造后的脱硫塔进行了流场计算,计算结果表明,改造后流场更为合理。
关键词:脱硫塔;热态;数值模拟中图分类号:TP311:O357 文献标识码:A1 前 言湿法脱硫工艺是国内外烟气脱硫的主流工艺。
湿法烟气脱硫工艺中吸收塔设备主要是喷淋塔,这是因为相对于其它吸收装置,喷淋塔除了脱硫效率高外,还具有压降小、内构件相对较少和不易结垢等优点。
国内外对烟气脱硫塔进行了大量的研究,主要采用实验方法,如研究塔的阻力特性、液滴运动速度沿塔高变化[1],T C A塔内温度场分布等[2],这些研究对指导工业应用具有重要意义,但其实验结果往往只能针对特定的设备或结构,具有较大的局限性。
随着计算机技术的迅速发展,计算流体力学CFD (C om putational Fluid Dynamic)已成为研究三维流动的重要手段[3],国内外有多位学者采用数值模拟的方法对实验装置的流场进行模拟[4～5],从计算结果与实验结果对比看,数值模拟无论在时间和精度上均有优势,但目前国内对脱硫塔所进行的数值模拟还多处于实验室规模的脱硫塔上,并且这些数值模拟大多为二维的冷态流动;而国外学者的研究主要集中在对脱硫机理方面[6～7],很少有针对大型脱硫塔进行流场模拟研究。
伞罩型除尘脱硫塔数值模拟及优化研究的开题报告
伞罩型除尘脱硫塔数值模拟及优化研究的开题报告一、研究背景随着工业化进程的不断推进，大量的燃煤等能源资源被利用，同时也必然伴随着不可避免的环境污染问题。
其中，燃煤产生的二氧化硫、氮氧化物等大气污染物对环境和健康的危害极大。
因此，如何有效减少和控制燃煤等供能过程中产生的大气污染物已成为国内外环保领域研究的核心问题。
除尘脱硫技术是燃煤等供能过程中必要的环保措施，伞罩型除尘脱硫塔作为一种新型除尘脱硫设备，广泛运用于电力、冶金、化工、轻工等行业，具有结构简单、设备可靠、除尘脱硫效率高等优点。
二、研究目的本论文旨在通过数值模拟方法对伞罩型除尘脱硫塔的内部流场分布、粒子沉降效率、SO2吸收效率等进行分析和优化研究，为实际工程的设计和运行提供理论指导和技术支持。
三、研究内容和方法（一）研究内容1. 建立伞罩型除尘脱硫塔的数值模型，探究其内部流场分布特征。
2. 分析不同颗粒物大小对伞罩型除尘脱硫塔的粒子沉降效率的影响。
3. 研究不同进风速度和排气量流量对伞罩型除尘脱硫塔内部流场分布、粒子沉降效率和SO2吸收效率的影响。
4. 对伞罩型除尘脱硫塔的优化进行探讨，提出可行的技术方案。
（二）研究方法1. 借助CFD软件进行伞罩型除尘脱硫塔数值模拟，得到其内部流场分布特征。
2. 利用数值模拟进行伞罩型除尘脱硫塔的粒子沉降效率分析，考虑不同颗粒物大小对粒子沉降的影响。
3. 通过数值模拟方法，分析不同环境参数对伞罩型除尘脱硫塔内部流场分布、粒子沉降效率和SO2吸收效率的影响。
4. 结合以上研究结果，提出伞罩型除尘脱硫塔的优化技术方案。
四、预期研究成果1. 建立伞罩型除尘脱硫塔的数值模型，揭示其内部流场特征，并对不同颗粒物大小的粒子沉降效率进行分析。
2. 研究不同进风速度和排气量流量对伞罩型除尘脱硫塔内部流场分布和SO2吸收效率的影响。
3. 提出伞罩型除尘脱硫塔的优化技术方案。
五、研究意义伞罩型除尘脱硫塔是一种新型的环保设备，其除尘脱硫效率高，捕集效率好，而且原理结构简单可靠。
湍球塔气体流动的数值模拟
湍球塔气体流动的数值模拟0前言用湍球塔进行烟气脱硫，其脱硫效率在很大程度上取决于塔内发生的流体力学行为。
通过前一阶段的实验发现，空塔气速分布，支撑板、挡板、漩流板的压降及塔的总压降对湍球塔的高效连续运行有直接影响。
这些参数是湍球塔最基本的特性参数，反映出塔板结构的合理性及操作过程中所需消耗的能量[1，2]。
为减少实验次数并更详尽地了解湍球塔内气体流动状况，很有必要对湍球塔内的气体流动进行数值模拟。
1方法简介计算流体力学(简称CFD)是20世纪60年代伴随计算机技术迅速崛起的学科。
CFD的应用使实验次数减少，节省了大量资金和时间，并能解决某些由于实验技术所限难以进行测量的问题，它是研究各种流体现象，设计、操作和研究各种流动系统和流动过程的有利工具口“。
所以，尝试采用这种方法进行湍球塔内的气体流动模拟，分析塔内的气速分布及压力损失，为湍球塔的优化设计提供依据。
目前国外有很多发展成熟的商业CFD软件，这些软件一般包括3个主要部分：前处理器、解算器、后处理器。
现采用Fluent6．0进行计算，它的解算器采用完全的非结构化网格和控制体积法，适用于低速不可压流动、跨音速流动乃至可压缩性强的超音速和高超音速流动等各种复杂的流场，也完全适合于湍球塔内的气体流动模拟。
2几何建模与网格划分在Fluent中，求解区域是用网格分割成有限个控制体(ControlV olumes，CVs)。
同有限差分不同的是，网格为控制体积的边界，而不是计算节点。
为保证守恒，CVs必须是不重叠的。
因此网格生成质量对计算精度与稳定性影响极大，在几何形状复杂的区域上要生成好网格也是相当困难的。
现采用Gambit2．0进行几何建模与网格划分。
该软件包含全面的几何建模能力和功能强大的网格划分工具，可划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。
三维几何模型的建立及网格划分在整个模拟过程中是非常重要也是非常困难的一步。
图1为用Gambit2．0建立的湍球塔三维几何模型，基本上与实际实验装置在尺寸及结构上完全一致，仅湍球层塔板间距比实验装置中的间距要短些，实验装置中湍球层塔板间距为1．5 m，Gambit2．0建立的湍球塔几何模型中湍球层塔板间距为0．5 m。
脱硫塔烟气流场优化数值模拟
1前言电厂脱硫装置的稳定运行是减少SO2排放的重要保障，而喷淋塔作为湿法烟气脱硫系统的核心设备，其复杂的速度场是影响脱硫除尘效率的关键因素［1］。
神头第二发电厂的一期脱硫系统于2006年建成，采用石灰石/石膏湿法、一炉一塔全烟气脱硫装置技术。
系统自运行以来，脱硫塔存在严重的烟气带浆问题，引发净烟气出口烟道严重腐蚀，并出现不同程度的“烟囱雨”或“石膏雨”问题，严重影响电站的稳定运行和周边居民的生活环境。
形成烟气带浆的主要原因也是由于塔内烟气流场的不均匀性，本文基于上述背景，将采用数值模拟的方法，探究脱硫塔内流场分布特性及规律，对神头第二发电厂脱硫系统运行时存在的“烟气携带浆液”问题进行专题技术攻关研究，最终提出解决问题的可行性方案，以提高脱硫系统的可靠性和可用率，保证机组运行的安全性、经济性和环保效益。
2简介2.1模拟对象本文以神头第二发电厂一期500MW燃煤机组湿法烟气脱硫喷淋塔为研究对象，分别模拟了不同的净烟气出口方式、除雾器布置方式以及加高塔体这三种情况下喷淋塔的内部流场。
2.2数值模拟方法烟气在脱硫塔内的流动方式是湍流流动，选取标准的κ-ε湍流模型来模拟塔内湍流。
该模型是基于“湍流动能”和“扩散率”两个参量，入口κ-ε值：κin=0.005u in，εin=0.062u in［2］。
除雾器部分采用多孔介质模型来模拟，通过定义多孔介质的粘性和惯性阻力系数，模拟烟气流过除雾器前后的压降损失，同时可获得除雾器对喷淋塔内烟气流场分布的影响结果。
网格采用多面体网格（poly⁃hedral），网格数量约为80万，网格划分结果如图1所示。
离散格式采用二阶迎风，精度达到二阶。
求解方法采用基于压力求解的SIMPLE算法［3］。
图1入口截面的网格边界条件：①入口边界速度。
u in=Q/A，式中Q为入口烟气量；A为入口截面积。
求得u in=14.57m/s。
②入口κ-ε值。
κin=0.005u in，εin=0.062u in。
脱硫塔内气固流场数值模拟-稠密颗粒动理学方法
３＿ （ｅ １
固相脉 动能 量传递 系数 ：
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其 中 ：。 向分 布 函数 按下 式计算 ： ｇ径
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， ｍ ８ ｘ
第２ 期
郑建祥等： 脱硫塔 内气固流场数值模拟一稠 密颗粒动理学方法
３ ９
其 中 ， 为气相压力 ； ｇ为重力加速度 ； 卢为气 固相 间曳力系数 ； 为气相应力张量 。 其中气相应力张量 为
７ 【 ＋（ ＿ ＝ Ｖｖ ） － 】 （ 。 ｇ ，， Ｖ） （） ３
ｇ
＞ ０． ８
： ｃ ｎ ｒｔ （
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ｃ ：
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．
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其中：ｅ Ｒ 为雷诺数，ｅ＝ａ ｌ ｌ 。 Ｒ ｔ 一 ，Ｕ
２ 进 出 口边 界及 初 始条 件
作用对气 固两相宏观流动特性 的影响。数值模拟喷动床 内气固流动特性。模拟结果可对脱硫塔结构的
，
，
优化设计提供参考 。
１ 数学 模 型
连续 性 方程 （ ＝ｇ时为气相 ， ｋ ｋ＝ｓ 时为 颗粒相 ）
杀ｓ ） （ ） ０ （ ＋ 占 ＝， ‘
其中， 为 ｋ Ｐ 相密度 ； 表示相体积浓度 ； 为相速度 ；为时间。 ｔ
８ Ｉ一 口 。首 ０茸０ 葛ｉ Ｉ 口 ０Ｕ
图 ３ 不同高度颗粒浓度分布 ■■蕊口吲 网 幽＿
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脱硫系统吸收塔内部流场数值模拟
第42卷第3期热力发电V01．42N o．3 2013年3月T H E R MA L P O W ER G E N E R A T I O N M ar．2013[摘胱蕊系铣吸收语l勾名p滋惕数值犊扯顾永正，李旭，马士庆中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京100083要]利用Fl ue nt软件中的离散相模型，对吸收塔内部气液两相流的流场进行三维数值模拟。
选用肛e模型作为计算模型，采用Si m pl e算法进行计算。
结果表明，改变进气管道对塔内压差影响较大，优化模型可改善塔内流场分布，使塔内气液接触更加充分。
在加入喷淋层后，吸收塔上部气体速度变得均匀，塔内总烟气阻力减小。
[关键词]烟气脱硫；吸收塔；离散相模型；气液两相流；流场；三维数值模拟[中图分类号]X511[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2013)03—0031—04[D O I编号]10。
3969／j．i s sn．1002—3364．2013．03．031N um e r i ca l s i m ul at i on on i nt er nal f l ow f i el d of f l ue gasdesul f ur i zat i on abs or berG U Y ongz heng，L I X u，M A Shi qi ngS c hool of M ec ha ni ca l E l e ct r on i c and I nf or m a t i on E n gi nee r i n g，C h i n a U ni ver s i t y of M i ni ng＆T echnol ogy．B ei j i ng100083．C hi naA bst r a ct：D i s cr et e phas e m ode l i n Fl ue nt s of t w a r e w a s appl i ed t O conduct t hr ee—di m ens i ona l nu—m er i c al si m ul a t i on on f l ow f i el d of gas—l i qui d t W O—phas e f l ow i n t he abs or b er．T he肛￡m odel and Si m pl e al gor i t hm w er e adopt ed i n t he ca l cul a t i on。
船用脱硫塔在不同进气方式下的数值模拟
船用脱硫塔在不同进气方式下的数值模拟【摘要】脱硫塔是船用烟气海水脱硫系统中的关键设备，脱硫反应主要在塔内进行，复杂的压力场、速度场、温度场是影响脱硫效率的关键因素。
本文利用商用FLUENT软件对切向和垂直两种进气方式下脱硫塔内的流场进行三维数值模拟，并对模拟结果进行分析。
在计算中选择k-ε湍流模型和SIMPLE算法进行计算。
计算结果表明进气方式对塔内流场有很大的影响，实际运行中应使用切向进气，从而可获得更好的脱硫效果。
【关键词】喷淋塔；海水脱硫；FLUENT软件；流场0 引言海水法烟气脱硫主要是利用海水中的碱性进行脱硫[1]。
海水的PH值一般在7.6-8.3，碱度（CO32-、HCO3-）为2.0-2.8mg/L。
烟气中的SO2被海水吸收而转化为HSO3-和SO32-，在空气的氧化作用下转化为硫酸盐，吸收二氧化硫后的酸性水被碳酸盐和碳酸氢盐中和产生碳酸，然后分解产生二氧化碳被空气赶走[2]。
船用海水脱硫工艺如图1所示[3]，其中的常用设备是喷淋脱硫塔即图示吸收塔。
本课题组实验所用的脱硫塔如图2所示：海水通过一离心泵送至一定高度的喷淋层，再由喷嘴向下喷淋形成许多分散的小水珠往下掉落，与同时由底层进入的逆流向上的柴油机烟气充分接触，经过一段时间的接触后，海水吸收烟气中的二氧化硫。
该工艺因海水资源丰富，以及其工艺脱硫效率高，所以用于船舶尾气脱硫的前景非常广阔。
而该喷淋塔因内部构件少，不易结垢等优点，必将成为该工艺的主要塔型。
图1 海水脱硫工艺图2 脱硫塔影响脱硫塔设计和脱硫效率的关键因素是塔内复杂的流场，对于脱硫塔这一反应器，仅靠实验不仅浪费大量的人力和物力，并且难以准确揭示塔内的流场分布规律，因此数值模拟为脱硫塔烟气流动规律的找寻以及塔的设计方面提供有力的帮助。
1 脱硫塔的建模1.1 本课题组实验所用的脱硫塔的基本参数如表1。
1.2 烟气流动的数值模型1.2.1 基本假设（1）柴油机产生的废气，看作不可压缩牛顿粘性流体，忽略温度变化对烟气密度以及速度的影响。
湿法烟气脱硫塔的优化数值模拟分析
湿法烟气脱硫塔的优化数值模拟分析本文采用FLUENT软件，对于某300MW机组的湿法烟气脱硫塔的流动特性开展了计算机数值模拟。
模拟过程中采用标准k-ε湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动，喷淋液滴采用拉格朗日随机颗粒轨道模型，开展气液两相流动的模拟。
通过模拟和分析入口烟道流场分布、脱硫塔内气-液两相流场分布及脱硫塔内液相分布情况，最终优化烟道导流板、塔内传质构件参数、喷淋层及除雾器布置，保障气液分布均匀，减少烟气逃逸，降低系统压力损失，对其类似项目的设计和实施提供了一定的指导价值。
石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺是国内外主流的燃煤电厂烟气脱硫技术，该技术属于气-液-固三相反应过程，包括了SO2和石灰石在液体中的溶解传质过程以及溶解物在液相中的反映过程。
脱硫塔中，浆液由塔顶喷淋层通过液相喷嘴自上而下喷入脱硫塔，烟气由吸收塔底部区域自下而上通过吸收区域，脱硫浆液在吸收塔内不断循环，完成烟气中SO2的吸收过程。
影响脱硫效率的关键因素是塔内的流动情况，例如脱硫浆液的空间分布、烟气在脱硫塔内的流场及烟气与脱硫浆液的接触情况等。
对于湿法脱硫吸收塔这类大型的气液两相反应器，如通过物理实验很难对塔内的流动情况开展测试，实验工作量十分巨大，实验周期较长；另外，受到实验测量手段及实验方法的限制，很难对现场的工程设计提供指导。
随着计算机计算能力的不断提高，采用计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）软件来开展三维流动的研究已经成为一种重要手段。
合理利用计算机开展仿真数值模拟，不仅能缩短研制周期，降低设计成本，而且能明显提高设计质量，相对于传统的物理实验方法具有优越性。
通过数值模拟可以深入认识吸收塔内烟气和浆液流动规律，这对指导吸收塔的设计起着重要的作用。
而且，随着国家日益严格的燃煤电厂超低排放标准，要求对脱硫塔的设计及运行开展精细化研究。
本文采用FLUENT软件，对于某300MW机组的烟气脱硫塔的流动特性开展了计算机数值模拟，通过模拟和分析入口烟道流场分布、脱硫塔内气-液两相流场分布及脱硫塔内液相分布情况，最终优化烟道导流板、塔内传质构件参数、喷淋层及除雾器布置，保障气液分布均匀，减少烟气逃逸，降低系统压力损失，对其类似项目的设计和实施提供了一定的指导价值。
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嘴采用高低位布置 ，在喷 雾区加装环形导流分布 器，可使 脱硫塔 流场右侧湍流强度明显增加 ，左侧 烟气贴壁 流动有所改善 ，脱硫塔 内流场分布更加 合理，塔 出口温度 低于优化 前温度 ，增加 气液传质 、传热 ，提 高脱硫
效率。
关 键 词 ： 硫 塔 ；数 值模 拟 ；优 化 设 计 ；导 流 分布 器 脱
第３ ７卷第 ２期
２ｌ ００年 ３月
华 北 电 力 大 学 学 报
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Ｖｏ． ７ Ｎｏ． １３ ， ２
Ｍａ ． ｒ ，２ １ ００
用 数值 模 拟 方 法进 行 脱 硫 塔 的优 化 设计
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时间 、经 济和精 度上 均有 优 势 。湿 法 脱硫 吸 收塔
０ 引 言
湿法脱硫工 艺占国内脱硫市场 ８ ％以上 ，湿 ０ 法脱硫系统核心技术设备是吸收塔 ，传统的塔设 备设 计方法 只能 给出一 些 定性 的分 析 结果 ，采 用
常规 的研究方 法进行 试验 台试验 或 在 已投运 的装 置上进 行实 物试验 的优 化设 计 等费 用 高 ，且 只 能 针对特 定 的设 备 或 结 构 ，具 有 较 大 的局 限性 … １。
曾 芳
（ 华北电力大学 环境科学与工程 学院 ，河北 保定 ０ １０ ） ７ ０ ３ 摘要 ：基 于多相流数值模拟 ，进行 了湿法脱硫喷淋塔 的优 化设计研 究，气相 湍流 由标准 模型描 述 ，喷淋液
滴 由确定颗粒轨道模型描述 ，通过对流场和 温度 场模拟 计算得 到优化设计 结果是烟 气入 口向下倾斜 ｌ。 ５，喷
中图分类号 ： ７ ３ Ｘ ７
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１０ ２ ９ （０ ０ ２ ０ ４— ５ ０ ７— ６ １ ２ １ ）０ —０ ９ ０
Ｏｐ ｉ ｉｅ ｅ ｉ ｎ ｏ ｈｅｄ ｓ ｌ ｈ ｒｚ ｔ０ ｐ ａ ｔｍ ｚ ｄ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ｕ ｐ ｕ ｉａ ｉ ｎ ｓ ｒ ｙ