田海军等：卧式喷淋塔烟气脱硫的数值模拟 19 2数值模拟控制方程 3双层喷淋布局方式下模拟结果的分析 卧式脱硫塔喷淋塔内部流场模拟过程中，烟气 烟气进入卧式喷淋塔后，分成了上下两部分烟 的体积约占90%以上，应为连续相.液滴的体积仅 流，上部烟气流厚度约2m,约占吸收区高度的 占1.4%，应为离散相16] 30%.下部烟气流厚度约4.4m,约占吸收区高度的 2.1烟气连续相控制模型 70%.在确定塔体形状和入口方式后，单层喷淋设 置仍存在着喷淋死角，喷淋布局的方式是影响工艺 P-p8 烟气脱硫的重要参数[)，喷淋布局方式主要包括喷 (1) 雾角的大小、双喷淋层的间距和双层喷淋层高度. 品(pe)+品(pau)= 卧式湿法喷淋选用螺旋喷嘴，其喷淋出的雾滴会形 成一个实心锥，因此喷嘴喷雾角就是实心锥横截面 I+始)罡]+cR-cae) (2) 顶角.喷淋高度是指上下层喷嘴的安装高度.喷射 方向沿着实心锥的中心轴线方向，和喷嘴的朝向 其中：p为烟气密度，kg·m3;4:为x、y和z方向的 一致. 速度分量，ms1;k为湍流动能，m2·s14为动力 3.1双层喷淋层喷雾角的影响 黏度，N·s·m-2;u,是湍流黏度，Pa·s;P是湍流黏 实际工程中常用的实心喷嘴的喷雾角介于60°~ 性力，N.e是湍流涡耗散，m2s3;4=1.0,o。= 120°之间，喷雾角越大，需要的喷嘴压力大，从而加 0.7179,C2=0.012是常数 大了浆液循环泵的功率，增加了能耗，增大了运行费 2.2液滴离散相控制模型 用1们.设置喷射方向与垂直方向向下为30°~60°， 液滴在流场中受到各种力的作用，本模拟只 浆液喷淋总量为2000m3·h-,单个喷嘴流量为 考虑重力和阻力对液滴的影响.液滴运动的轨迹 13.8kg·s-,喷淋高度距顶面0.1m,即9.7m.双层 方程为： 喷淋层间距为1.5m. 业=F,(u,-4,)+8。-P 图3是喷雾角与压力损失之间的关系，从中可 (3) dt 以看出喷雾角与压力损失之间的关系，喷雾角不断 其中：山。和山.分别为烟气和浆液滴气的运动速度， 增大，压力损失不断减小继而逐渐增大，当喷雾角达 ms;P。和P。分别为烟气和浆液滴的密度，kg· 90时，压力损失最小为178Pa.如图4所示为喷雾 m3;F。为单位质量的液滴所受的曳力，N.g.为x 角与塔内吸收区烟气流动平均速度的关系.随着喷 方向上的重力加速度，m·s2 雾角的增大，塔内烟气的流动速度逐渐减少，但塔内 F。-l8CnRe1 上部烟气速度和下部烟气流动速度相差较大.当喷 p624 雾角度达90°时，塔内上部烟气流动的平均速度约 其中，u为动力黏度，C。为曳力系数，Rea为气液相 3.8ms-1,下部烟气流动平均速度约4.1ms-1,上 对雷诺数 下两部分的烟气流动速度相差最小，塔内烟气流动 2.3气液耦合方程 均匀.喷淋塔内最适宜的烟气流速一般为3.5~5.6 (1)动量交换方程. m·s,有利于气液充分混合[8-).喷雾角继续增 大，塔内吸收区上部烟气流动的速度逐渐减慢.下 F=∑[F(u-p)+Fo]m,At (4) 部烟气的流动速度逐渐加快，上下部烟气流动速度 式中：F是颗粒与气相之间的作用力，N:F。是其他 的差距逐渐变大，这说明随着喷雾角的增大烟气与 单位质量作用力，Nkg;m。是液相的质量流速， 浆液滴接触的范围不断增大，抑制了烟气的流动，有 kgs;△1是时间步长，s 利于烟气与脱硫浆液滴充分的接触.当喷雾角超过 (2)质量交换方程 90时，增大喷雾角使得喷淋的强度减弱，喷淋对烟 M=.m,0 气的阻力减小，因此双层喷淋最佳喷雾角为90°.图 (5) me.0 4所示为喷雾角与塔内烟气温度的关系，随着喷雾 式中：M为液滴的质量，kg;△m。为控制体液滴的质 角的增大，塔内烟气平均烟温呈现先降后升的态势， 量变化，kg;m。.0为液滴初始质量，kg;m。。为跟踪液 说明喷雾角变大，使得双层喷淋范围扩大，进而增大 滴的初始质量流率，kg·s. 了烟气与液滴的接触范围，加快了烟温的降低.但田海军等: 卧式喷淋塔烟气脱硫的数值模拟 2 数值模拟控制方程 卧式脱硫塔喷淋塔内部流场模拟过程中,烟气 的体积约占 90% 以上,应为连续相. 液滴的体积仅 占 1郾 4% ,应为离散相[16] . 2郾 1 烟气连续相控制模型 鄣 鄣t (籽k) + 鄣 鄣xi (籽kui) = 鄣 鄣x [ ( j 滋 + 滋t 滓 ) k 鄣k 鄣x ] j + Pk - 籽着 (1) 鄣 鄣t (籽着) + 鄣 鄣xi (籽着ui) = 鄣 鄣x [ ( j 滋 + 滋t 滓 ) 着 鄣着 鄣x ] j + 着 k (C着1Pk - C着2 籽着) (2) 其中:籽 为烟气密度,kg·m - 3 ;ui 为 x、y 和 z 方向的 速度分量,m·s - 1 ; k 为湍流动能, m 2·s - 1 ;滋 为动力 黏度,N·s·m - 2 ;滋t 是湍流黏度, Pa·s; Pk是湍流黏 性力,N. 着 是湍流涡耗散, m 2·s - 3 ; 滓k = 1郾 0,滓着 = 0郾 7179,C着2 = 0郾 012 是常数. 2郾 2 液滴离散相控制模型 液滴在流场中受到各种力的作用,本模拟只 考虑重力和阻力对液滴的影响. 液滴运动的轨迹 方程为: dup dt = FD(ug - up ) + gx(籽p - 籽g) 籽p (3) 其中:up 和 ug 分别为烟气和浆液滴气的运动速度, m·s - 1 ;籽p 和 籽g 分别为烟气和浆液滴的密度,kg· m - 3 ;FD 为单位质量的液滴所受的曳力,N. gx 为 x 方向上的重力加速度,m·s - 2 . FD = 18滋 籽p d 2 p CDRed 24 其中, 滋 为动力黏度,CD 为曳力系数,Red 为气液相 对雷诺数. 2郾 3 气液耦合方程 (1)动量交换方程. F = 移 [FD(ug - up ) + FO]m籽驻t (4) 式中:F 是颗粒与气相之间的作用力,N;FO是其他 单位质量作用力, N·kg - 1 ;m籽 是液相的质量流速, kg·s - 1 ;驻t 是时间步长,s. (2)质量交换方程. M = 驻m籽 m籽,0 ·m籽,0 (5) 式中:M 为液滴的质量,kg;驻m籽 为控制体液滴的质 量变化,kg;m籽,0为液滴初始质量,kg; m籽,0为跟踪液 滴的初始质量流率,kg·s - 1 . 3 双层喷淋布局方式下模拟结果的分析 烟气进入卧式喷淋塔后,分成了上下两部分烟 流,上部烟气流厚度约 2 m, 约占吸收区高度的 30% . 下部烟气流厚度约 4郾 4 m,约占吸收区高度的 70% . 在确定塔体形状和入口方式后,单层喷淋设 置仍存在着喷淋死角,喷淋布局的方式是影响工艺 烟气脱硫的重要参数[17] ,喷淋布局方式主要包括喷 雾角的大小、双喷淋层的间距和双层喷淋层高度. 卧式湿法喷淋选用螺旋喷嘴,其喷淋出的雾滴会形 成一个实心锥,因此喷嘴喷雾角就是实心锥横截面 顶角. 喷淋高度是指上下层喷嘴的安装高度. 喷射 方向沿着实心锥的中心轴线方向,和喷嘴的朝向 一致. 3郾 1 双层喷淋层喷雾角的影响 实际工程中常用的实心喷嘴的喷雾角介于 60毅 ~ 120毅之间,喷雾角越大,需要的喷嘴压力大,从而加 大了浆液循环泵的功率,增加了能耗,增大了运行费 用[18] . 设置喷射方向与垂直方向向下为 30毅 ~ 60毅, 浆液喷淋总量为 2 000 m 3·h - 1 ,单个喷嘴流量为 13郾 8 kg·s - 1 ,喷淋高度距顶面 0郾 1 m,即 9郾 7 m. 双层 喷淋层间距为 1郾 5 m. 图 3 是喷雾角与压力损失之间的关系,从中可 以看出喷雾角与压力损失之间的关系,喷雾角不断 增大,压力损失不断减小继而逐渐增大,当喷雾角达 90毅时,压力损失最小为 178 Pa. 如图 4 所示为喷雾 角与塔内吸收区烟气流动平均速度的关系. 随着喷 雾角的增大,塔内烟气的流动速度逐渐减少,但塔内 上部烟气速度和下部烟气流动速度相差较大. 当喷 雾角度达 90毅时,塔内上部烟气流动的平均速度约 3郾 8 m·s - 1 ,下部烟气流动平均速度约 4郾 1 m·s - 1 ,上 下两部分的烟气流动速度相差最小,塔内烟气流动 均匀. 喷淋塔内最适宜的烟气流速一般为 3郾 5 ~ 5郾 6 m·s - 1 ,有利于气液充分混合[18鄄鄄19] . 喷雾角继续增 大,塔内吸收区上部烟气流动的速度逐渐减慢. 下 部烟气的流动速度逐渐加快,上下部烟气流动速度 的差距逐渐变大,这说明随着喷雾角的增大烟气与 浆液滴接触的范围不断增大,抑制了烟气的流动,有 利于烟气与脱硫浆液滴充分的接触. 当喷雾角超过 90毅时,增大喷雾角使得喷淋的强度减弱,喷淋对烟 气的阻力减小,因此双层喷淋最佳喷雾角为 90毅. 图 4 所示为喷雾角与塔内烟气温度的关系,随着喷雾 角的增大,塔内烟气平均烟温呈现先降后升的态势, 说明喷雾角变大,使得双层喷淋范围扩大,进而增大 了烟气与液滴的接触范围,加快了烟温的降低. 但 ·19·