船用脫硫塔在不同進氣方式下的數值模擬

夏同友

（上海海事大學商船學院 中國 上海 200135）

0 引言

海水法煙氣脫硫主要是利用海水中的堿性進行脫硫[1]。海水的PH值一般在 7.6-8.3，堿度（CO32-、HCO3-)為 2.0-2.8mg/L。 煙氣中的 SO2被海水吸收而轉化為HSO3-和SO32-,在空氣的氧化作用下轉化為硫酸鹽，吸收二氧化硫后的酸性水被碳酸鹽和碳酸氫鹽中和產生碳酸，然后分解產生二氧化碳被空氣趕走[2]。

船用海水脫硫工藝如圖1所示[3]，其中的常用設備是噴淋脫硫塔即圖示吸收塔。本課題組實驗所用的脫硫塔如圖2所示：海水通過一離心泵送至一定高度的噴淋層，再由噴嘴向下噴淋形成許多分散的小水珠往下掉落，與同時由底層進入的逆流向上的柴油機煙氣充分接觸，經過一段時間的接觸后，海水吸收煙氣中的二氧化硫。該工藝因海水資源豐富，以及其工藝脫硫效率高，所以用于船舶尾氣脫硫的前景非常廣闊。而該噴淋塔因內部構件少，不易結垢等優點，必將成為該工藝的主要塔型。

圖1 海水脫硫工藝

圖2 脫硫塔

影響脫硫塔設計和脫硫效率的關鍵因素是塔內復雜的流場，對于脫硫塔這一反應器，僅靠實驗不僅浪費大量的人力和物力，并且難以準確揭示塔內的流場分布規律，因此數值模擬為脫硫塔煙氣流動規律的找尋以及塔的設計方面提供有力的幫助。

1 脫硫塔的建模

1.1 本課題組實驗所用的脫硫塔的基本參數如表1。

1.2 煙氣流動的數值模型

1.2.1 基本假設

表1

（1）柴油機產生的廢氣，看作不可壓縮牛頓粘性流體，忽略溫度變化對煙氣密度以及速度的影響。

（2）忽略脫硫噴淋塔內噴嘴、管路等阻件對氣相流場流動的影響。

（3）假定整個脫硫噴淋塔的塔壁為絕熱表面，對流以及熱交換僅在煙氣和噴淋漿液滴之間發生。

（4）將收斂精度設定為1e-6，用于定性的分析是足夠精確的。

（5）模擬三維、定常不可壓縮流動，湍流是各項同性。

1.2.2 數值模型選擇

鑒于脫硫塔內的流動是三維湍流問題的復雜性，本文采用的是應用比較多的帶旋流修正的k-epsilon（2eqn)模型。湍流動能方程k,和擴散方程e：

方程中Gk表示由層流速度梯度而產生的湍流動能，Gb是由浮力產生的湍流動能，YM由于在可壓縮湍流種，過度的擴散產生的波動，C1、C2、C3是常量，σk和 σe是 k 和 e 方程的湍流 prandl數，Sk和 Se是用戶定義的。 湍流速度模型中速度ut是由下式確定：μt＝ρCμ，C1e=1.44，C2e=1.92，Cu=0.09，σk=1.0，σe=1.3。

圖3 切向進氣迭代示意圖!1938 Solution is converged

圖4 垂直進氣迭代示意圖!2921 Solution is converged

2 噴淋塔流場數值模擬

本文利用先用GAMBIT軟件對煙氣切向進入和垂直進入兩種類型的脫硫塔進行建模和網格劃分，設置邊界條件：入口設為壓力進口，表壓設為691Pa,湍動強度設1%，水力直徑設0.14米，出口為壓力出口，壓力設為0Pa,湍動強度設1%，水力直接設為0.2米。FLUENT軟件對煙氣切向和垂直兩種方式進氣脫硫塔的塔內流程進行三維數值模擬。選擇連續相模型和顯式差分格式，運用SIMPLE算法求解k-ε雙方程模型，模擬脫硫塔內的流場分布。

3 結果與分析

3.1 迭代計算比較

從以上（圖3、圖4）計算結果比較中，我們發現：在相同邊界條件設置下，切向進氣1938步收斂，而同樣邊界條件的垂直進氣要2921步才收斂，顯然切向進氣更容易收斂。

3.2 內部速度場比較

圖5 切向進氣y=0剖面速度云圖

圖6 垂直進氣y=0剖面速度云圖

圖7 切向進氣z=0.5剖面速度云圖

圖8 垂直進氣z=0.5剖面速度云圖

從以上圖5—圖8的對比可以看出，切向進氣時，氣體順時針方向進入塔內，在水平方向，速度沿著徑向（從中心到塔壁）逐漸增大，在垂直方向，由下到上逐漸增加。廢氣流動狀態的變化趨勢：由截面水平切向流速大于垂直流速，旋流為主，上升流為輔；變化為垂直流速大于水平切向流速，上升流為主，旋流為輔。塔內紊流強度變化趨勢為：沿著塔高方向逐漸減弱并在塔內形成了明顯的紊流強度不同的區域[4]。垂直進氣時，氣體進入塔內，迅速穿過進氣平面到達對面的塔壁，沿塔壁一部分上升，大部分向下流動，上部大部分區域湍流強度很弱。相比較切向進氣，顯然這是不利于噴淋時氣液的摻混。

4 實驗驗證

根據數值模擬的結果，在實驗中脫硫塔采用煙氣切向進入的方式設計進口。取出塔內相關附件，進行空塔運行實驗，進氣管中心風速32m/s，記平均速度為16m/s,進口壓力控制在691Pa，確保實驗和模擬的邊界條件一致。塔內風速采用德圖風速儀進行測定，進口壓力采用testo-350儀器測定。將實驗結果和模擬結果進行比較分析，圖9、圖10、圖11分別是如風口處、距入風口0.4米以及距入風口0.8米高斷面上塔內氣體流速的測試結果和模擬結果的比較，從圖中數據可知，模擬結果和實驗結果基本一致，說明CFD模擬具有較高的準確性，可以用來進行進氣方式優化選擇[5]。

圖9 z=0.5斷面

圖10 z=0.9斷面

圖11 z=1.3斷面

5 結論

5.1 脫硫塔煙氣切向進入有利于塔內氣流場分布，噴淋層設置有規律可循，同時均勻流場為噴淋狀態下海水液滴于煙氣的充分接觸，以及為脫硫效率的提高創造良好的條件。而垂直進氣時因大部分氣體沿對面塔壁上升，塔內流場分布嚴重不均，噴淋層不好設置，氣液也難以充分混合，這必然影響脫硫效率的提高。故切向進氣為海水脫硫工藝比較理想的一種進氣方式。

5.2 用數值模擬的方法可以為脫硫塔的優化設計提供指導。

［1］張志紅,唐茂平.漳州后石電廠6*600MW超臨界機組海水脫硫工藝介紹[J].中國電力,2002(2).

［2］陳偉洪,等.海水法煙氣脫硫實驗[J].石油化工技術經濟,2007,04-0034-04.

［3］馬義平,許樂平.海水脫硫在船舶硫氧化物排放控制上的應用[J].船舶工程.

［4］李國誠.船用脫硫塔的數值模擬研究[D].上海:上海海事大學,2012.

［5］張玉君,等.湍球塔氣流入口方式的CFD模擬[J].廣州化工,2010,38(2):172-173.