空氣霧化硫磺噴槍的數值模擬

楊 紅，肖 臻，周 彥，楊 帆，劉 洋

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074；2.湖北宜化化工股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

當代硫酸工業主要以硫鐵礦和硫磺為原料制取硫酸.硫磺制酸比硫鐵礦制酸更具有優勢，主要體現在：減少工藝，消除污染源、能耗消耗下降、生產場地縮小、為企業提供了發展空間，所以硫磺制酸工藝應用較為廣泛［1］.在硫磺制酸工藝中，對原料的利用及節能降耗有著重大影響的一個關鍵設備就是硫磺噴槍，對液硫的霧化有著直接影響.硫酸工業大多數采用的是直流單相噴槍霧化，其霧化效果不是很理想，對液硫的利用率不高.噴槍是一種特殊的噴嘴，相關學者對噴嘴的霧化機理探索多以實驗以及經驗理論為主，從直觀的角度獲取噴槍霧化特性參數，具有較大的局限性［2］.隨著計算機技術和計算流體力學技術的發展，可以利用Fluent軟件對噴嘴外部環境進行數值模擬，得出更寬闊更準確霧化特性參數.

噴槍按照硫磺的霧化方式，通常分為機械霧化噴槍和空氣霧化噴槍.機械霧化是利用高液體壓力經小孔高速射出而霧化，空氣霧化是利用空氣產生的直流、旋流或者交叉射流沖擊液流束而霧化.本文以機械噴槍外加輔助空氣為研究對象，以工藝參數為參考對象，利用計算流體力學軟件Fluent對焚硫爐內噴槍的外部流場及霧化過程進行數值模擬分析，為生產實踐提供參考.

1 模擬對象的幾何結構

焚硫爐及噴槍結構如圖1所示（各部分結構未按比例繪制）.以某焚硫爐及配套機械噴槍（SGI）為例，對噴槍結構進行局部改進，在噴嘴四周通入壓縮空氣，結構參數如表1所示.

圖1 焚硫爐Fig.1 Burning sulfur furnace

表1 模擬對象基本尺寸表Table 1 The mock object basic size mm

給定的工藝參數：該配套裝置硫酸產量為800t／d，計算出噴槍液硫流速為5m／s.其物料的物性參數如表2所示.

表2 物性參數表Table 2 Physical property parameter

2 仿真過程

（1）模型建立.利用Gambit創建模擬對象的幾何模型，模型的具體尺寸以實際尺寸為準（見圖1）.該焚硫爐有兩個進口，一個出口.工作過程如下：液態硫磺經過噴槍高速射入焚硫爐內，形成機械霧化，噴嘴四周設有空氣進口，輔助液硫霧化.該模型為對稱結構，故采用2d模型求解即可，模型比較單一采用結構性網格（即四邊形網格），由于進出口附近流體的流動非常復雜，流體流動的梯度較大，而且是數值模擬的最重要區域［3］，所以在這些區域采用了加密網格的方法，從而細化網格提高計算精度，模型最后的網格總數目為133 000個.

（2）選擇計算模型.該模擬對象只涉及到液體和氣體的兩相流動，故選用VOF模型，由噴嘴處液硫速度及空氣流速計算出雷諾數，以及相關學者得出的這類射流流動的經驗，選擇k－epsilon湍流模型［4］.

（3）邊界條件設置.焚硫爐內氣液邊界條件較為簡單，進口處以液硫、空氣的實際速度為基準，出口處采用壓力出口，且空氣、液流的進口溫度與出口溫度相同，焚硫爐的壁面選用標準無滑移壁面并假設其絕熱.

（4）求解器控制參數的設置.由相關定義計算后可確定該模擬對象為非定常流動，宜采用壓力－速度耦合方程求解，并選用PISO算法，其計算收斂性較好，結果較為準確［5］.

3 計算結果及對比分析

以噴嘴處液硫作為離散相取速度5m／s為定值的參考對象，液硫噴入焚硫爐內，其目的是液硫能充分燃燒，故需要一定量的空氣.由相關化學反應方程式可計算出當空氣的速度大于0.07m／s時，即可滿足燃燒要求，其中過量空氣可循環利用.本文只進行噴槍的霧化數值模擬，對空氣流速是一個試探性的取值，通過分析對比霧化的速度矢量圖，判斷空氣流速取值的范圍.所以空氣進口的速度分別取0m／s、2m／s、4m／s、6m／s、8m／s、10m／s進行數值模擬求解.圖2～7所示為采用k－epsilon模型，在液硫速度為5m／s的條件下，不同空氣速度下計算出的噴槍外部流場的速度矢量圖.

圖2 空氣流速v＝0m／s時的速度矢量圖Fig.2 Air velocity v＝0m／s

（1）圖2為沒有改進前（按輸入空氣的速度為0）進行的數值模擬，由速度矢量圖可以看出：該噴槍的霧化角小，霧化行程較長，而且速度分布不均勻，液滴主要分布在噴嘴附近，此狀況表明該噴槍的霧化效果較差.

（2）圖3～7為改進后（該結構能從噴嘴附近輸入一定速度的空氣）進行的數值模擬，由速度矢量圖可以看出：當輸入一定速度的空氣之后，噴槍的霧化角、霧化行程變大，液滴較為均勻的分布在整個焚硫爐內.這是因為當有一定速度的空氣從噴槍周圍輸入時，在焚硫爐的噴槍附近形成一個渦流負壓區，加速液硫向四周擴算，增大霧化角及霧化行程，這一現象與伴隨射流理論一致［6］，從而使液硫能夠快速霧化.

圖3 空氣流速v＝2m／s時的速度矢量圖Fig.3 Air velocity v＝2m／s

圖4 空氣流速v＝4m／s時的速度矢量圖Fig.4 Air velocity v＝4m／s

圖5 空氣流速v＝6m／s時的速度矢量圖Fig.5 Air velocity v＝6m／s

圖6 空氣流速v＝8m／s時的速度矢量圖Fig.6 Air velocity v＝8m／s

圖7 空氣流速v＝10m／s時的速度矢量圖Fig.7 Air velocity v＝10m／s

（3）由圖6～7的速度矢量圖可以看出：當輸入空氣的速度過大時，導致噴槍附近的渦流強度較大，使液硫霧滴回流，霧滴甩向焚硫爐的壁面，造成硫磺掛壁現象.這種情況不利于霧化，在焚硫爐內要避免發生.

（4）綜合圖2～7可以得出：當噴槍周圍輸入一定速度的空氣后，有利于霧化.在噴槍出口處液硫速度為5m／s，空氣進口速度為4～6m／s時，焚硫爐內噴槍的霧化效果較為理想.

4 結 語

利用fluent軟件對焚硫爐內噴槍的霧化情況進行了數值模擬，通過改進局部結構，在特定的工藝參數下，進行了多組數值模擬，得到多組速度場的分布圖，分析霧化角及霧化行程的變化關系，得到了該工藝條件下液硫與空氣速度相關的耦合參數.即在噴槍出口處液硫速度為5m／s，空氣進口速度為4～6m／s時，該工藝中噴槍的霧化效果較好，對生產實踐有一定的指導意義，同時也為以后焚硫爐內的燃燒情況的數值模擬研究奠定了堅實的基礎.

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