PDF《颗粒轨道模型用于烟气脱硫喷淋塔两相流数值模拟》

颗粒轨道模型用于烟气脱硫喷淋塔两相流数值模拟 赵1,田贺忠1 ,郝吉明1

3 ,张华2 ,刘汉强2 (1.

清华大学环境科学与工程系 ,北京

100084 ;

2. 北京国电龙源环保工程有限公司 ,北京 100761) 摘要 :以FLU EN T 软件为计算工具 ,采用 Euler2Lagrange 方法模拟喷淋塔内部气液两相流动. 气相用标准 k2 ε湍流模型描述 , 喷淋液滴用颗粒轨道模型描述. 综合考虑颗粒受力分析、 颗粒湍流扩散以及气液两相耦合

3 方面影响因素对颗粒轨道模型进 行设置 ,从液滴粒径分布、 液滴出口速度、 喷淋夹角

3 个方面对喷嘴射流源进行精确定义. 模拟结果表明 :喷淋塔内轴向气速分 布均匀 ;

中空锥形的喷嘴设计使喷淋液形成伞状雨帘 ,有效防止烟气短流 ;

塔内液滴浓度分布存在中间高、 边缘低的问题 ,可 通过改进喷嘴布置方案加以改进 ;

颗粒轨道模型能够较好地预测喷淋塔内两相流动. 关键词 :颗粒轨道模型 ;

烟气脱硫 ;

喷淋塔 ;

数值模拟 中图分类号 :X70113 文献标识码 :A 文章编号 :025023301 (2005)

0620033205 收稿日期 :2004210225 ;

修订日期 :2005212217 基金项目 :国家高技术研究发展计划(863) 项目(2001AA642020) 作者简介 :赵(1979~) ,男 ,博士研究生 ,主要研究方向为大气污染 控制 ,E2mail : zhaozhe97 @mails. tsinghua. edu. cn

3 通讯联系人 ,E2mail :hjm2den @tsinghua. edu. cn Particle Trajectory Model Used in Numerical Simulation of Flue G as Desulfuriza2 tion Spray Tower ZHAO Zhe1 , TIAN He2zhong1 , HAO Ji2ming1 , ZHAN G Hua2 , L IU Han2qiang2 (1. Department of Environmental Science and Engineering , Tsinghua University , Beijing

100084 , China ;

2. Beijing SP Longyuan Environmental Protection Engineering Co. Ltd. , Beijing

100761 , China) Abstract :The commercial computational fluid dynamics (CFD) software FLU EN T is used to predict the two2phase flow in a flue gas desulfurization (FGD) spray tower. The Euler2Lagrange method is used , in which the gas flow is described with standard k2 εturbu2 lence model , and the motion of the liquid droplets is described with the particle trajectory model. The procedure of model definition , including force analysis of liquid particle , gas turbulent dispersion and the gas2liquid coupling method , is presented. The results show that the uniformity of axial gas velocity in the spray tower is satisfactory , and the hollow spray nozzle used in the tower can efficiently prevent short2circuiting of the flue gas. The concentration of liquid droplets in the central region is higher than near the wall , and this problem can be solved by optimizing the arrangement of the spray nozzles near the wall. Model predictions for particle trajectory are shown to be in good agreement with experimental results , and the particle trajectory model can predict the two2phase flow in the spray tower successfully. Key words :particle trajectory model ;

flue gas desulfurization (FGD) ;

spray tower ;

numerical simulation 烟气脱硫喷淋塔是湿法烟气脱硫的核心设备 , 其内部两相流动状态直接影响压降 (能耗) 、 除雾效 率、 气液传质及脱硫效率等脱硫塔的重要性能参数. 近年来 ,国内外学者采用多种方法对烟气脱硫喷淋 塔内两相流场进行模拟研究[1~3 ] . 烟气脱硫喷淋塔内部是典型的气液两相流动. 研究两相流有 Euler2Lagrange 和Euler2Euler 方法. 颗粒轨道模型是 Euler2Lagrange 方法体系下的两相 流模型之一 ,与其他两相流模型相比 ,该模型的优点 是无需构造颗粒湍流模型 ,易于模拟有复杂经历(如 颗粒凝并、 破碎) 的颗粒相 ,且没有数值扩散 ,但该模 型的计算过程却相对复杂[4 ] . 随着计算流体力学的 发展 ,颗粒轨道模型已经包括到著名的商业软件 ,如FLU EN T 和STAR2CD 中 ,使得该模型广泛用于工 程模拟[5 ] . 本文选用 FLU EN T 作为计算工具模拟 喷淋塔内气液两相流场 ,对气相湍流用 Euler 方法 描述 ( 标准k2 ε 湍流模型) , 对液相颗粒采用Lagrange颗粒轨道模型描述. 模拟用到的设计、 运行参数均取自北京国电龙 源环保工程公司江阴夏港电厂二期脱硫吸收塔 ,主 要参数列于表 1.

1 模型设置

111 颗粒受力[6 ] 在模拟中 ,将烟气作为连续相处理 ,将喷淋液滴 作为离散相处理. 液滴的作用力平衡方程在直角坐 标系下的形式为 : dup dt = FD ( u - up) + g (ρ p - ρ ) ρ p + Fother (1) 第26 卷第

6 期2005 年11 月环境科学ENV IRONMEN TAL SCIENCE Vol.

26 ,No.

6 Nov. ,2005 ? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. FD = 18μ ρ p d

2 p CD Re

24 (2) 式中 , u 为气相时均速度 (m/ s) ;

up 为颗粒速度 (m/ s) ;

ρ为流体密度 (kg/ m3 ) ;

ρ p 为颗粒密度 (kg/ m3 ) ;

μ为流体动力粘度 ( Pa・ s) ;

dp 为颗粒直径 (m) ;

CD 为阻力系数(无量纲) ;

Re 为相对雷诺数 (颗粒雷诺 数) ,无量纲 ;

Fother为其他相间作用力(N) . 表1模拟参数 Table

1 Parameters used in simulation 项目 数值 烟气量/ m3 ・ h -

1 1

012 668 塔径/ m

12 塔高/ m

36 计算区域高度(浆液池表面至除雾器底面) / m

1616 入口截面积(高*宽) / m

4 *

10 单层喷嘴数量/ 个96 出口压力(表压) / Pa

1 575 喷淋液出口速度/ m・ s -

1 10 液气比/ L・ m -

3 1318 进口烟气速度/ m・ s -

1 10 阻力系数 CD 与颗粒雷诺数以及颗粒形状有 关 ,可表示如下 : CD = a1 + a2 Re + a3 Re

2 (3) 对于球形颗粒 ,在一定雷诺数范围内 , a1 , a2 , a3 为常数[7 ] . 等式(1) 右端的第一项为单位质量颗粒受到的 阻力 ,第二项为颗粒重力与所受浮力之差 ,最后一项 代表颗粒受到的其它作用力. 主要包括视质量力、 热 泳力、 布朗力、 Saffman 升力等. 视质量力是由于要 使颗粒周围流体加速而引起的附加作用力 ,在流体 密度大于颗粒密度时 ,该力的影响作用不容忽视 ,喷 淋塔中流体密度(气相) 远小于颗粒密度 (液相) ,该 力不需考虑. 热泳力是由温度梯度引起的 ,本研究针 对冷态工况进行模拟 ,假设塔内温度为常温且均匀 分布 ,故热泳力不予考虑. 布朗力和 Saffman 升力均 对亚观粒子 (直径 1~10 μm) 而言 ,喷淋塔内液滴 Sauter 平均直径 ( SMD)

2 100μm ,故不需考虑这

2 种作用力.

112 颗粒湍流脉动 在直角坐标系下积分 (1) 式可得到颗粒运动的 平均轨迹 ,即忽略颗粒湍流脉动条件下的轨迹. 实际 上 ,实验表明许多情况下颗粒的湍流扩散是不可忽 略的. FLU EN T 提供了随机轨道模型及颗粒群模型 来确定湍流脉动对颗粒轨道的影响 ,本文选用随机 轨道模型[8 ] . 在随机轨道模型中 ,(1) 式中的流体平均速度 u 用瞬时速度 u + u′ ( t) 代替. 假设气相湍流各向同性 且局部均匀 ,其随机速度满足高斯概率密度分布 ,气 体脉动速度可表示为[9 ] : u′ x = ζ( u ′

2 ) 1/

2 , u′ y = ζ( v ′

2 ) 1/

2 , u′ z = ζ( w ′

2 ) 1/

2 (4) 其中 , u′ x , u′ y , u′ z 分别为脉动速度矢量 u′ ( t) 在x,y和z方向的分量 ,方程右边带根号的量为当地脉 动速度的雷诺应力.ζ为符合标准高斯概率密度分 布的随机数. 此时 , 流场中各处的湍动能都是已知 量 ,对于 k2 ε模型 ,雷诺应力分量为 : u ′

2 x = u ′

2 y = u ′

2 z =

2 3 k (5) k 为湍动能(m2 / s2 ) . 颗粒湍流扩散的计算应用了积分时间尺度 τ e 的概念 ,该积分时间尺度表示颗粒与随机涡的作用 时间 ,可以取为τ e = min[τ r ,τT ]. 其中τ r 为颗粒脉 动驰豫时间 ,表示为 : τ r = d

2 pρ p/ (18μ) (6) τT 为流体脉动时间(即扩散时间) ,表示为 : τT = k/ε (7) ε为湍能耗散率(m2 / s3 ) . 颗粒与一个涡作用的结束就是与下一个涡作用 的开始 ,这样不断计算至计算域出口 ,即完成一个单 颗粒运动及扩散的计算. 通过这种方法计算足够多 条的颗粒轨迹 ,湍流对颗粒的随机性影响就可以得 到考虑.

113 气液两相耦合 在本设计中 ,当烟气负荷

100 % ,4 个喷淋层全 部投运时 ,塔内液相体积为气相的

114 % ,且液相以 雾化液滴的形式存在 ,强烈影响气相湍流的分布. 因此,在模拟中不仅要考虑气体对液滴的作用 ,而且应 考虑液滴对气体的作用 ,计算气液之间的双向耦合 作用 ,其方法为 :当液滴颗粒穿过每个计算网格时 , 通过计算液滴的动量变化来求解气体传给液滴的动 量值. 液滴动量变化值为 : F = ∑ 18μCD Re ρP d

2 P24 ( uP - u) mp Δt (8) 式中 , mp 为颗粒质量流率 (kg/ s) ;

Δt 为时间步长 (s) . 这个动量交换作为动........