摘要：本文以一种典型的石灰石-石青湿法烟气脱硫喷淋塔为研究对象，根据塔内工况，以紊流k-e模型及颗粒轨道模型为理论基础，采用有限体积法，运用交错网格，以速度和压力为原始变量，用Gambit软件构造网格节点，再运用Fluent软件计算了脱硫喷淋塔内三维流场和温度场;讨论了烟气入射角度以及喷淋层布置对脱硫的影响。
关键词：脱硫 喷淋塔 数值模拟
1、软件介绍
FLUENT软件是由美国FLUENT公司发行的，在美国的市场占有率为60%。
该软件是目前国内使用最广泛、适应性最广、功能最全的软件。Fluent软件应用范围广，也同样使用在科学研究中。该软件可以进行大量模拟复杂计算，使帮助研究人员从繁杂计算工作中解脱，从而大大提高工作效率，研究人员节省出更多时间和更多精力研究分析问题基础化、关键化等工作，人与计算机取长补短，优势互补，同时取得事半功倍的科研成果[1-3]。
Fluent的软件针对各种物理问题的流动力学特点，均设计单独的数值模拟解法，用户可进行不同格式选择，使该软件在精度、稳定性和计算速度等方面达到最佳。同时，CFD(计算流体力学)软件之间可以进行数值交换，并对交换的数值采用统一模式和定义进行处理，从而大大提高我们的工作效率。
总而言之， Fluent软件作为一种流体力学软件，可以运用适合于各种问题数值解法，针对各种不同流动力学物理问题特点，在计算稳定性、精度、速度等各个方面达到最优化。Fluent软件分别可计算化学反应、温度场、流场、传热等不同反应模式。其本质是编辑许多计算机运算的模块，根据不同流场、边界来采取不同的模型计算相对应数值。目前，Fluent软件程序已广泛应用于制造、生物、水利、医学等方面[4]。
2、吸收塔原型及其利用软件计算参数
2.1吸收塔原型
本论文以典型吸收塔模型作为模拟研究计算对象，该石灰石—石膏湿法脱硫工艺在现有企业已得到很广泛应用实践，这样论文的计算也更加有普遍性。工艺流程是石灰石浆液送至塔内布置在不同高度的喷淋层，再由喷嘴向下喷出分散的小液滴往下掉落;同时，烟气逆流向上流动，气液充分接触并相互掺混，从而对二氧化硫进行洗涤脱除[5]。
为了便于简化模型计算，在计算参数方面作如下假定：
(1)烟气进入脱硫塔前已经过静电或者布袋等各种方式除尘器除尘，因此烟气看作不含颗粒相的气体;
(2)将浆液池液面视为静止液面，对于所占据的空间及其浆液池本身部分不纳入计算区域;
(3)由于除雾器构件构造复杂，对流场的影响难以预料，并且该构件的主要作用对于整个烟气脱硫反应过程及脱硫效率的产生影响较小，因此除雾器及其空间不纳入本文塔内流场的计算;
(4)由于无法在计算实体上生成喷淋梁及喷嘴的网格，因此将其略去。
2.2吸收塔基本参数
吸收塔基本参数见表2.2-1
3、数值的方法和网格划分
3.1数值方法
将雷诺平均Navier-Stocks方程作为数值控制方程，湍流模型是最标准化k—e方程，压力计算使用SIMPLEC的方法，修正所有贴近壁面处的流动壁面函数;在最小微元基础上模拟计算相关能量方程、组分方程的基础上，同时在有限体积元基础上对数值控制、k—e和相关能量方程、组分方程分别进行离散，再分别进行迭代并求解，使其收敛的条件是能量方程<10-6，其它方程是<10-3。[6]
3.2计算网格划分
由于网格划分是否合理对计算机计算时间、计算精度有着较大影响。在本论文模型中，对计算模型进行网格划分采用是混合网格技术。划分方式是将脱硫吸收喷淋塔划分成为几个连续相连接组成部分。这些部分中，塔内无其他构件的组成部分、方形烟道全部采用六面体结构化网格进行计算，其它复杂设计如拐弯连接、含喷淋管的喷淋塔层等不规则空间全部采用楔形非结构化网格进行计算，按照以上划分，计算过程中可充分利用规则网格计算速度快、精度高和不规则网格适应性范围广特点。计算过程中确保计算速度、精度和适应性，所有关键位置网格数≥3个，总网格数约为7×104个，计算网格分布如图3.2-1所示[7]。
4计算结果及分析
4.1烟气水平入射和45°倾斜入射对比
通过烟气采用水平角度和45°倾斜入射进入喷淋塔时的入口速度矢量对比图和塔内流场图对比能够得出，烟气进入脱硫塔以后，由于喷淋塔内部空间变大，烟气流动空间变大，因此烟气运动速度小幅降低。在运动速度降低同时沿脱硫塔左侧向上流动;烟气流动由于受塔壁限制，不能充分发展，同时在脱硫喷淋塔内右侧区有大涡产生，在此区域产生强烈的涡流区。[8]从入口速度矢量图还可以看出喷淋塔内烟气速度分布不均匀，大部分烟气贴壁流动。根据经验分析，喷淋塔内最适宜脱硫的烟气流速为3～5m/s，烟气速度分布的不均匀将不利于脱硫反应的进行，影响脱硫效率。另外烟气进入塔内时，由于高速气流卷吸，在脱硫塔底部浆池附近也形成漩涡，产生强烈的涡流区。同时，由于底部的回流与浆液接触时间变长，导致烟气含水量增加，而且水分随着烟气回流至干湿界面，烟气中液体被迅速加热蒸发，固体物质析出，沉积在烟道入口附近，致使烟道堵塞，脱硫工况恶化[9]。
为提高脱硫效率，优化运行参数，可以对喷淋塔进行改进[10]。通过水平入口速度矢量图和45°倾斜入口速度矢量图对比分析可以看出，改变喷淋塔入口角度对改善塔内流动具有较显著的效果[11]。
4.2喷淋层的布置对塔内过程的影响
4.2.1喷淋层低位置配置
图4.2-1 喷淋层低位置配置速度矢量图 4.2-2 喷淋层低位置配置温度场云图
从图4.2-1速度矢量图和4.2-2温度场云图可以看出，喷淋层高度为14m时喷淋层低位布置，气液接触时间短，但烟气贴壁量少。
4.2.2喷淋层高位置配置
图4.2-3 喷淋层高位置配置速度矢量图 4.2-4 喷淋层高位置配置温度场云图
从图4.2-3速度矢量图和4.2-4温度场云图可以看出，喷淋层为18m高位布置，喷淋可以延长气液接触时间。实际运行过程中，为了集取高地位布置优点，延长气液接触时间，同时减少烟气贴壁量，但实际工程中都是高低搭配进行布置。
4.2.3喷淋层高低错位配置
从图4.2-5和图4.2-6可以看出，由于喷淋塔烟气入口和出口均分布在塔的同一侧，烟气从入口流动到出口这一段路程中，会选择流动阻力最小路径。喷淋形成的液幕成为烟气向远入口侧扩散的关键阻力，距入口的水平距离越大，阻力越强烈，扩散到此处烟气量就越少。结果使大量烟气选择近入口侧，同时也近出口侧流动，从而形成烟气走廊。
数值模拟符合石灰石湿法脱硫喷淋塔实际状况。
5、结论：
本文通过计算软件及其前处理软件对比计算分析，对实际运行湿法脱硫喷淋塔内的流场、温度场进行了初步的研究。并比较烟气水平和45°入口角度、喷淋塔喷淋层14米和18米不同高度的布置对脱硫效率的影响，通过计算机计算、对比、分析，得出以下结论：
(1)含硫烟气采用45°倾斜角度入口进入脱硫喷淋塔的运行方式，与水平角度入口比较而言，从软件模拟实际运行工况计算，喷淋塔内烟气速度分布较均匀，可在不增加投资和其他参数的前提下，有效提高系统脱硫效率。另外烟气采用45°倾斜角度入口进入喷淋塔内时，脱硫塔入口结垢的程度和烟气贴壁的程度均比采用水平角度入口优化，因此在实际脱硫运行过程中，同等运行工况参数下，脱硫喷淋塔若要提高整个系统脱硫效率，入口烟道必须设计成一定角度的倾斜。
(2)通过对喷淋吸收塔14米和18米不同高度的喷淋层布置产生的矢量图进行分析，18米高位、14米低位布置喷淋层各有优缺点。喷淋层采用18米高位布置，缺点是造成大量烟气的贴壁现象，优点是气液两相的接触时间增加;14米低位布置与之相反，缺点是气液两相接触时间缩短，优点是烟气贴壁量减少，实际喷淋塔，高低搭配布置，可充分发挥其各自优点。
(3)设计过程中，在塔内不同层面布置设计喷嘴位置和数量时，液膜覆盖的密实度为设计第一要素，否则会在吸收塔内喷淋过程中造成烟气部分逃逸，同时烟气逃逸过程中会使喷淋塔内部温度失衡，局部温度突然升高，阻碍反应向正方向进行，从而降低整体脱硫系统运行效率。
通过分析表明，将颗粒轨道和k-e两种模型成功运用于喷淋塔内温度场、流场计算，基本可以对喷淋吸收塔工况做出简单的预测分析，根据预测分析结果能够对设计以及现场运行作出验证和指导，本论文采用数值计算的方法在定性方面也是正确的。
由于外部试验条件的局限性，本论文在计算和编写的过程中对脱硫喷淋塔自身本体设计适当进行简化，认为内部空间大部分平滑、圆整，外部设计也省略大部分喷淋塔枝、干管(例如喷淋吸收液进管等)，这也就导致省略掉枝、干管对吸收塔内流场产生影响，这势必造成本论文的模拟计算过程中和最后计算结果与喷淋塔实际运行状况存在差异，但这部分差异对整个脱硫系统来说是固定的，而且对不同进口角度和喷淋层布设位置影响差异不大，可以认为对系统脱硫效率的影响同参数的变化来讲是等同的。同时喷淋吸收塔内存在的复杂放热等化学反应会对温度场在数值模拟计算过程中的变化产生一定影响。
(供稿单位：山东神华山大能源环境有限公司)
