基于CFD的活性炭煙氣脫硫數值模擬

楊忠國 ,荀海川 ,都基圣

(1.黑龍江八一農墾大學工程學院,黑龍江大慶 163319;2.大慶市高新熱力有限公司,黑龍江大慶 163316)

0 前言

隨著能源需求的增長和清潔燃煤技術的發展,二氧化硫污染及酸雨危害成為了我國大氣污染的主要問題[1]。目前,國內外應用的 SO2的控制途徑有 3種,即燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫(即煙氣脫硫)[2]。煙氣脫硫是目前世界唯一大規模商業化應用的脫硫方式,是控制 SO2污染和酸雨的主要技術手段?；钚蕴繜煔饷摿蚴且环N先進、高效率的干法脫硫技術,它是 20世紀 70年代以來發展起來的一項脫硫技術。根據煙氣脫硫過程是否有水參與及脫硫產物的干濕狀態可分為濕法、半干法和干法煙氣脫硫[3]。其中濕法煙氣脫硫反應速度快,脫硫效率高,應用最廣[4-6]。濕法煙氣脫硫技術包括:石灰石/石膏法、雙堿法氧化鎂法、檸檬酸鹽法、海水法、氨法等。近年來,我國科技工作者研究出了一些脫硫新技術,如微生物脫硫、硫化堿脫硫、膜吸收法等,這些技術還有待繼續研究。

1 模型的建立

1.1 物理模型的建立及簡化

移動床反應器采用的是三維模型,對于吸附反應,移動床氣體入口和出口直徑皆為 1 000 mm,活性炭入口直徑為2 000mm,出口直徑1 200mm,床層高6 000mm。對于脫附反應,移動床氣體入口直徑為500mm,出口直徑為500mm,活性炭入口直徑為1 000mm,活性炭出口直徑600mm,床層高3 000mm。模型見圖1。

1.2 數學模型的建立

使用CFD軟件進行計算,選用標準 k-ε兩方程湍流模型,控制方程離散采用二階迎風差分格式,空間區域離散選擇外節點法劃分網格,對壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法求解。流體運動所遵循的規律是由物理學三大守恒定律[7-9]規定的,即質量守恒定律,動量守恒定律和能量守恒定律。

(1)質量守恒方程(連續性方程)

圖1 移動床反應器模型簡圖

式中u、ν、w分別為x、y、z坐標軸上的速度。

(2)動量方程

式中,Γ為廣義擴散系數;S為源項。

(3)能量方程

式中,λ為流體的導熱系數;Sh為流體的內熱源;pdiνU為表面力對流體微元體所做的功,一般可以忽略;Φ為耗散系數。

2 模擬結果及分析

2.1 SO3濃度場的模擬

選擇煙氣入口速度v=0.5m/s,床層空隙率a=0.35的情況,對SO3濃度場進行模擬,t=2 s、3 s、4 s、5 s時SO3的濃度場見圖2。

圖2 不同時刻SO3濃度(mg/m3)等值線圖

由圖2可以看出:

(1)在反應的初始階段,移動床活性炭出口的 SO3濃度較大,隨著化學反應的進行,濃度逐漸變小。這是因為活性炭吸附了一定量的 SO2后,隨著新鮮活性炭的補充,吸附了 SO2的活性炭由出口排出。

(2)煙氣進口、煙氣出口和活性炭進口的 SO3濃度變化不大。

(3)SO2和O2被活性炭吸附后,進行化學反應,生成SO3,隨活性炭向下運動,導致活性炭出口處的SO3濃度最大。

(4)當 SO3的反應區超過煙氣出口處時,活性炭將失去吸附作用,這時應降低煙氣的速度或者加快活性炭下移的速度,以保證脫硫效率。

2.2 煙氣入口速度對脫硫效果的影響

對于不同的鍋爐,煙氣的排放速度有很大的差別。煙氣入口速度是影響脫硫效率的一個非常重要的因素,對脫硫過程的影響也較為復雜。如何使活性炭在高空速條件下保持較好的脫硫效果,已經成為工業中煙氣脫硫面臨的難題。模擬采用4個不同的氣體速度(0.5 m/s、0.9m/s、1.1m/s、1.6m/s),對脫硫過程進行模擬,氣體入口SO2濃度對SO2濃度的影響見圖3和圖4。

圖3以直線(0,0)為研究對象,得出不同煙氣入口速度對SO2濃度的影響曲線,從圖3可以看出:

(1)由于 SO2分子在活性炭中的擴散和化學反應的作用,在離煙氣入口較近的區域內,SO2濃度迅速下降,然后趨于平穩。

(2)在同一位置,SO2濃度隨著煙氣入口速度的增加而增加。

圖4為不同煙氣入口速度下 SO2出口濃度隨時間的變化曲線圖,由圖4可以看出:隨著煙氣入口速度的增大,煙氣出口處的SO2濃度變化較為明顯。其中煙氣入口速度為0.5m/s時的曲線變化較為平緩。

2.3 煙氣入口SO2濃度對脫硫效果的影響

在活性炭煙氣脫硫工藝中,煙氣中 SO2的濃度對脫硫效果有很大影響。在煙氣中 SO2的平均體積濃度分別為1 310mg/m3、2 200mg/m3、3 100mg/m3、3 950mg/m3的情況下進行模擬,煙氣入口SO2濃度對SO2濃度的影響見圖5和圖6。

圖5以直線(0,0)為研究對象,得出不同煙氣入口SO2濃度對SO2濃度的影響曲線。從圖5中可以看出:(1)某點的SO2濃度隨煙氣入口SO2濃度的增加而增加,然后逐漸下降,趨勢基本相同。(2)隨著煙氣入口SO2濃度增大,活性炭和SO2之間的濃度梯度也相應增大,化學反應速率增加,SO2濃度下降較快。

圖6中橫坐標為吸附時間,縱坐標為氣體出口的 SO2濃度,從中可以看出,在吸附過程中,煙氣入口SO2體積濃度為1 310mg/m3的時候,煙氣出口處的SO2濃度下降較慢,SO2吸附和氧化反應速率較慢,隨著煙氣入口SO2濃度的增大,煙氣出口的SO2濃度下降速度增加,SO2吸附和氧化反應速率增大。

3 結論

利用CFD軟件對移動床內的SO3濃度場、煙氣速度場進行模擬計算,通過模擬,得出了煙氣入口速度、煙氣入口 SO2濃度對脫硫效率的影響關系,模擬結果對實際生產具有非常重要的指導價值。

[1] 劉卓衢,余徽,夏素蘭,等.煙氣 SO2活性炭吸附床層負荷分布及透過曲線模型計算[J].天燃氣化工,2007,32(5): 36-39.

[2] 鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例[M].北京:化學工業出版社,2001.

[3] 王建偉,曹子棟,張智剛.活性炭吸附法煙氣脫硫關鍵參數的研究[J].鍋爐技術,2004,35(5):67-71.

[4] 韓永嘉,王樹立,李輝,等.煙氣脫除二氧化硫技術現狀與發展趨勢[J].過濾與分離,2009,19(2):23-27.

[5] 張現,王鑫宇,齊緣鳳.活性碳纖維(ACF)用于煙氣脫硫的研究進展[J].廣西輕工業,2010(7):31-32.

[6] 劉義,陳星.固定床活性炭脫硫機理和應用研究[J].環境科技,2010,23(1):12-14.

[7] 韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2004.

[8] 陶文銓.數值傳熱學[M].2版.西安:西安交通大學出版社,2001.