烟气脱硫喷淋塔的数值模拟

1、第35卷第8期 2007年8月化 学 工 程 CHEMICALENGINEERING(CHINA)Vo.l35No.8Aug.2007烟气脱硫喷淋塔的数值模拟赵健植,金保升,仲兆平(东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京 210096)摘要:以计算流体力学为基础,在三维坐标系下采用标准k-E双方程模型求解动量、能量和组分方程,结合浆滴蒸发模型及简化的浆滴脱硫反应模型,以Euler-Lagrange方法建立了喷淋塔内烟气脱硫的数值计算模型,模型计算结果与孔华的试验数据符合较好。模型计算结果表明,对于粒径小的喷淋液滴,其烟气脱硫反应和液滴蒸发主要发生在烟气进口附近,而随着液滴粒径的

2、增大,液滴在塔内蒸发和脱硫反应的过程延长。同时,增加烟气温度、降低烟气中SO2的入口质量浓度以及增加液气比均有利于提高脱硫效率。文中模型相对于一维柱塞流模型,能够直观地显示出喷淋塔内的流场、温度场和组分质量浓度场的空间分布。关键词:喷淋塔;浆滴;脱硫反应;蒸发;数值模拟中图分类号:X701.3 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2007)08-0061-04NumericalsimulationoffluegasdesulphurizationbyspraytowerZHAOJian-zh,iJINBao-sheng,ZHONGZhao-ping(KeyLaboratoryonCl

3、eanCoalPowerGenerationandCombustionTechnologyoftheMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,JiangsuProvince,China)Abstract:Basedoncomputationalfluiddynamics,anumericalcalculationmodelforaspraytowerwasestablishedbyemployinganEuler-Lagrangeapproachinathree-dimensionalcoordinatesystem.Momen

4、tum,energyandcompositionequationsofslurry-dropletdesulphurizationweresolvedwiththehelpofstandardk-Edua-lequationmodelsinconnectionwithevaporationandasimplifieddesulphurizationreactionmode.lThesimulateddatawasinagoodaccordancewiththeexperimentaldata.Thesimulateddatashowsthatthedropletsevaporationandt

5、hedesulphurizationreactionmainlyoccurneartheinletofthetowertothesmallerdroplets.Withincreasingthediameterofdroplets,theprocessofthedropletsevaporationandthedesulphurizationreactionwasextended.Meanwhile,thedegreeofdesulphurizationwouldbeimprovedbyraisingthegastemperature,reducingtheinletSO2concentrat

6、ionandincreasingtheslurry/gasratio.Relativetotheone-dimensionalplug-glowmode,lthemodelunderdiscussioncouldvisuallydisplaytheflowfield,elementinthespraytower.temperaturefieldandspatialdistributionofconstituentKeywords:spraytower;slurry-drople;tdesulphurizationreaction;evaporation;numericalsimulation石

7、灰石/石膏湿法烟气脱硫技术是目前世界上最成熟的烟气脱硫工艺,也成为我国火电厂烟气脱硫的首选工艺。在烟气脱硫系统中,吸收塔是核心装置。近年来国内外的发展趋势表明,喷淋塔逐渐成为湿法烟气脱硫吸收塔的主流塔型。在喷淋塔内,含CaCO3颗粒的喷淋浆滴与烟气中的SO2接触,SO2气体溶于液滴中并与CaCO3发生反应;与此同时,喷淋浆滴中的水分在热烟气的作用下升温蒸发。由于塔内的流动状况和化学反应过程比较复杂,尽管许多学者对这一过程进行了大量的试验研究,但是在这方面的模型研究还不是很充分,无论是针对单个液滴进行数值模拟1)2,还是假设气相为3)5柱塞流,然后结合脱硫模型进行计算,都不能够完整地模拟喷淋塔内

8、的流动及化学反应过程,无法得出塔内的流场、温度场及各组分质量浓度的空间分布规律。基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(G2005CB221202);东南大学振兴行动计划资助项目(6550057129),男,mai:lmpz065263.。#62#化学工程 2007年第35卷第8期本文建立了喷淋塔浆滴脱硫的简化模型,将烟气作为连续介质,喷淋浆滴作为离散体系,在Euler坐标系下考察连续相运动,在Lagrange坐标系下采用随机轨道模型研究离散相的运动、蒸发和反应过程,对喷淋塔内烟气脱硫过程进行了详细的数值模拟。1 数学模型1.1 气相控制方程喷淋塔内湍流流动时均特性的连续方程

9、、动量方程、能量方程用标准k-E双方程模型来描述,气相三维湍流方程可用下面通用形式表示:99(Quj<)=#<+S<jj(1)述。根据以上假设,喷淋塔内主要反应过程为:气相SO2在浆滴表面溶解SO2(g)SO2(l)(5)浆滴内SO2与水反应SO2(l)+H2O(l)2SO3(l)(6)因此,根据膜理论,SO2从气相主体到液相主体的传质速率N(SO2)可以通过下式计算N(SO2)=dDKGp(SO2)-pL(SO2)(7)4H(SO2)KG=1+(8)kG2)#k式中,dD为浆滴直径;p(SO2)和pL(SO2)分别为SO2式中,<为通用变量;#<为输运系数;S&

10、lt;为气相自身及相间作用源项;x为轴距;u为速度,下标j=1,2,3,分别代表x,y,z3个空间坐标。1.2 颗粒运动方程假定浆滴颗粒为稀相、球形,不考虑浆滴间的相互作用;浆滴受力仅考虑重力和气相对液滴的曳力,则浆滴的运动方程可以表示为dup)g(Q)p-Q=FD(u-up)+dtpFD=)在气相和液相的分压;H(SO2)为SO2的亨利系数;B(SO2)为由于液相存在化学反应而使传质加强的增强因子7;SO2的气相传质系数kG可以通过Frossling方程求解kGRTdD0.50.33Sh=2+0.55ReScDGpSO2的液相传质系数kL通过下式计算L(9)(2)(3)18LCDRe24Qp

11、dp(10).6PuG式中,Sh,Re,Sc分别为Sherwood数、Reynolds数和Schmidt数;R为通用气体常数;T为气相温度;DG,DL分别为SO2在气相和液相的扩散系数;uG为气相速度。1.4 液滴蒸发模型喷淋浆液中CaCO3在水中的溶解度极小,可认为含有悬浮微粒浆滴的干燥过程和水滴的干燥是相似的。一般来说,干燥过程中升速阶段较短,可以忽略,故在模型计算中只考虑恒速干燥阶段和降速干燥阶段。1.4.1 恒速干燥阶段假设浆滴的恒速干燥阶段按纯水滴的蒸发过程进行计算,浆滴表面的温度为球对称,周围的压力场和热参数也认为是均匀的。液膜内的温度参数及水蒸气参数按下式计算:Tf=Ts-(1/

12、3)(Tg-Ts)(11)8kL=式中,u为气相时均速度;up为颗粒速度;g为重力加速度;Q为流体密度;Qp为液滴颗粒的密度;L为流体动力粘度;dp为颗粒直径;Re为颗粒雷诺数;阻力系数CD与颗粒雷诺数以及颗粒形状有关,可表示为CD=a1+a2a3+ReRe(4)对于球形颗粒,在一定雷诺数范围内,a1,a2,a3为常数。1.3 脱硫反应模型喷淋塔内的脱硫反应非常复杂,涉及到SO2的吸收、HSO3的氧化、CaCO3的溶解和CaSO4#2H2O的结晶等复杂的化学反应过程。为了简化计算,本文在建立脱硫反应模型时作出如下假设:(1)不考虑浆液池的影响,在建模时将其省略。3-(2)根据Kiil等的研究,

13、喷淋塔中HSO3的氧化、CaCO3的溶解和CaSO4#2H2O的结晶主要发生在浆液池中,因此,假设在喷淋浆滴与烟气的接触过程中仅发生SO2的吸收反应。SO的吸理论描-6根据上面的假定,对流传热传质可以通过下式来计算:Qd=P#dp#KA(Tf)#(Tg-Ts)#Nu0# #m=P#dp#ln(1+BT)BT(12)KA(Tf)#Nu0#ln(1+BT)P(13)赵健植等 烟气脱硫喷淋塔的数值模拟#63#式中,#m为对流传质质量;Tg为烟气温度;Ts为浆滴表面温度;Qd为对流传热量;cp为液滴的比热容;KA(Tf)为气膜内烟气热传导系数;Nu0为颗粒没有蒸发时对流换热的平均Nusselt准则,可

14、用Ranz-Marshall公式来表达:1/31/2Nu0=2.0+0.6PrdRedolds数。Spalding热量传递系数BT可用下式计算:cg(T-Ts)BT=(15)rw+cl(Ts-Td)式中,rw为水的汽化潜热;cg和cl分别为烟气比热容和水的比热容;Td为液滴内部温度。1.4.2 降速干燥阶段随着浆滴的蒸发,浆滴中的水分体积分数逐渐达到临界湿体积分数,固体颗粒体积分数开始影响蒸发速率,浆滴随之进入降速干燥阶段。目前还没有简单的关系式来描述降速干燥阶段,本文根据前人的研究假设,认为干燥速率是线性的,则KA(Tf)U-Ue#m=P#dp#Nu0#ln(1+BT)#()cpc-Ue(1

15、6)式中,U,Ue,Uc分别为浆滴的含湿体积分数、平衡含湿体积分数和临界含湿体积分数。2 数值计算方法在三维Euler坐标系下采用标准k-E双方程模型求解连续、动量、能量和组分方程;在Lagrange坐标系下采用颗粒随机轨道模型追踪喷淋浆滴;脱硫反应过程采用双膜模型;气相和浆滴相间的动量、能量和组分的耦合采用PSIC算法;差分方程的求解采用p-V修正的SIMPLEC算法。3 模拟计算结果及分析本文采用孔华的试验参数建立模型,以验证模型的合理性。根据孔华的论文,喷淋塔为圆筒结构,塔体直径为0.45m,塔高为3.55m,入口烟气流量为1716.80m/h,入口烟气温度150e,SO2入口质量浓度为

16、2290mg/m,浆液入口温度为45e,喷淋量为34.3m/h。喷淋浆滴的初始速度和粒径作者没有2,7,10报道,本文按照国内外相关试验的设计参数,取浆滴的初始速度为10m/s,浆滴粒径为1000Lm。3.1 烟气温度对脱硫效率的影响398与模拟结果的比较。从图中可以看出,随着入口烟气温度的增加,脱硫效率也逐渐增加。这是因为随着烟温的升高,烟气对浆滴的传热量也随之增加,气液温度的增加对SO2吸收有两方面的影响:一方面,浆滴温度的增加使各离子的液相扩散系数增加,这会加快浆滴中离子的质量传递,加速SO2的吸收;另一方面,温度的增加会导致吸收液面上SO2的平衡分压增加,不利于气液传质。在本文研究的温

17、度范围内,由于后者的作用比前者小,所以脱硫效率随温度的升高而升高。由图中还可以看出,模拟结果与实验结果吻合较好,证明本文的建模方法可以用于喷淋塔内热质传递和化学反应过程的模拟。(14)式中,Prd,Red分别表示液滴的Prandtl数和Reyn-图1 烟气温度对脱硫效率的影响Fig.1 Effectofgastemperatureondesulphurizationefficiency3.2 浆滴粒径对脱硫效率的影响图2给出了在入口烟气温度100e、入口烟气中SO2质量浓度为2290mg/m、液气比为24L/m的条件下,浆滴直径为1000Lm和2000Lm时的温度场及SO2质量浓度场等值线图。

18、图2 y轴中心截面气相温度场和SO2质量浓度场等值线图Fig.2 ContourchartofthegastemperatureandSO2massconcentrationdistributinginyaxiscentersection从图中可以看出,由于浆滴和烟气速度方向相反,二相间存在着强烈的热量和质量传递。从图中还可以看出,粒径小的浆滴由于比表面积比较大,与#64#化学工程 2007年第35卷第8期过程主要发生在烟气进入塔体附近;而在相同的喷浆量下,大浆滴由于数量少,传质面积大大缩小,浆滴在塔内的蒸发以及烟气脱硫过程较长。3.3 SO2入口质量浓度对脱硫效率的影响图3为在入口烟气温度1

19、00e、液气比为243L/m、浆滴粒径为1000Lm条件下入口SO2质量浓度对脱硫效率的影响曲线。从图中可以看出,随着SO2入口质量浓度的升高,脱硫效率逐渐降低。根据气液反应的双膜理论分析,随着SO2入口质量浓度的增加,烟气中SO2分压增大,引起气液相界面SO2质量浓度增大,使得液膜内反应面内移,SO2在液膜内的传质阻力增加,脱硫效率降低。4 结论(1)本文对喷淋塔内复杂的脱硫反应过程进行适当简化,基于膜理论建立脱硫反应模型,在三维坐标系下,以Euler-Lagrange方法对喷淋塔内的流动、传热、传质等过程进行数值模拟,模拟结果与文献试验结果吻合较好。(2)相对于一维柱塞流喷淋塔脱硫模型,能

20、够更加直观地模拟出气相速度场、温度场和组分质量浓度场的空间分布,可为喷淋塔的运行和优化设计提供参考。参考文献:1 GerbecM,StergarsekA,KocjancicR.SimulationmodelofwetfluegasdesulfurizationplantJ.ComputersChemEngng,1995,19:283)286.2 AmokraneH,SaboniA,CuussadeB.ExperimentalstudyandparameterizationofgasabsorptionbywaterdropsJ.AIChEJ,1994,40(12):1950)1960.3 Ki

21、ilS,MichelsenM,JohansenK.Experimentalinvest-igationandmodelingofawetfluegasdesulfurizationpilotplantJ.Industrial&EngineeringandChemistryeta.lKineticsofResearch,1998,37:2792)2806.4 SadaE,KumazawaH,SawadaY,图3 入口SO2质量浓度对脱硫效率的影响Fig.3 EffectofSO2massconcentrationondesulphurizationeffeciency3.4 液气比对脱硫效率的影响图4为在入口烟气温度100e、入口烟气中3SO2质量浓度为2290mg/m、浆滴粒径为1000Lm的条件下液气比对脱硫效率的影响曲线。从图中可以看出,随着液气比的增加,脱硫效率也随之升高,这是由于在烟气量不变的情况下,液气比的增加会带来塔内喷淋密度的增加,浆滴与烟气的接触面积增大,脱硫效率也随之增加。absorptionsoflean