基于CFD的煙氣脫硫數值模擬研究

孫晶

摘 要：論文通過簡述活性炭的化學性質及基本原理，得出活性炭表面有很多官能團可以吸附含硫化合物，應用CDF軟件建立活性炭脫硫數值模型，可得煙氣入口速度、SO2入口濃度、吸附溫度對活性炭脫硫效果的影響，并通過與實際試驗效果進行對比，探究出最適合實際情況的數學模型。

關鍵詞：CDF；煙氣脫硫；數值模擬；活性炭

一、活性炭的脫硫原理

通常氣體吸附在固體上有兩種：物理吸附、化學吸附。物理吸附是由吸附質與吸附劑分子間作用力即作范德華力引起的，該結合力較弱，在吸附過程中沒有電子轉移、化學的斷裂和生成及原子重排等，物理吸附一般在20℃-80℃就可發生且不需要活化能，被吸附物質也較易被解吸出來，因此該過程是可逆的。化學吸附是吸附質分子與固體表面原子或分子發生電子轉移、交換或共用，該過程一般需要活化能，對溫度也有要求，中溫（80℃-160℃）以化學吸附為主，活性炭脫硫的化學反應主要是其表面的SO2和O2發生催化反應，生成SO3并與水生成H2SO4，當溫度超過250℃時幾乎全部為化學吸附。活性炭的脫硫原理如下：

O2→2O*，SO2→SO2*，H2O→H2O* （1）

SO2*+O*→SO3* （2）

SO3*+H2O*→H2SO4*，H2SO4*+nH2O→（H2SO4·nH2O） （3）

其中：*—表示吸附于活性炭表面的分子，反應（2）是控制步驟。

二、CFD簡述

對于流體的分析研究，傳統的方法是理論分析法和實驗測量法。理論分析方法是指導實驗研究和驗證新的計算方法的基礎，要求先對計算對象抽象化和簡單化。實驗測量方法所得到的結果真實可信，但實驗常常受到工藝尺寸、人身安全和測量精度的限制，有時可能很難通過試驗方法得到結果。該方法通過虛擬數值試驗，可以對流體性能進行精準的驗證和預測，可以對復雜的流體流動及傳熱現象進行精確地計算和分析，減少試驗成本。將該方法與理論分析方法、實驗測量方法結合，組成了研究流體流動問題的完整“3D”體系。

三、基于CFD活性炭脫硫數值模型的建立

（一）建立數學模型。使用CFD軟件進行計算，選用標準k-ε兩方程湍流模型，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，流體運動遵循質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。

1、質量守恒方程

式中u、v、w分別為x、y、z坐標上的速度。

2、動量方程

式中，為廣義擴散系數；S為源項，為耗散系數。

3、能量方程

式中，為流體的導熱系數，為流體的內熱源，為表面力對流體微元體所做的功，一般可以忽略。

（二）活性炭脫硫模擬結果分析

1、煙氣入口速率。煙氣入口速度在提高的同時分子在床內的停留時間會縮短，煙道中部分未及時反應的氣體被帶走，使反應器脫硫效率降低，反之脫硫效果就會提高。如圖1在SO2出口濃度隨脫硫時間的變化情況。

2、初始SO2濃度。當煙氣中的SO2含量較高時，活性炭與SO2間的濃度梯度增大，氣體擴散的推動力增大，使更多的SO2氣體通過活性炭的微孔深入到顆粒內部發生物理吸附與化學反應，煙氣中SO2濃度增加會與更多O2分子發生反應。此外，溫度對多孔介質的化學反應影響非常大，60℃下活化能較小，化學反應不劇烈，即使增加初始SO2濃度也不會對脫硫效果有較大的影響。

3、吸附溫度。吸附床層溫度增加多孔介質區濃度也增加，該模擬過程只考慮化學吸附過程，當入口煙氣溫度增大時，煙氣中的分子運動會更加劇烈，與反應器內分子的接觸會更充分，使氧化反應速度加快，活性炭孔內濃度升高，可知反應的活化能與溫度成正相關，參與反應的物質越多，反應速率就越快。在40℃和60℃時，多孔介質中濃度很低，說明只有很少的一部分SO2轉化為S03。當溫度升到時，大量的反應開始進行，使得不斷生成和積累，最高含量達。

四、結語

總而言之，煙氣中含硫化合物排放到大氣中會污染大氣環境，還會形成酸雨，因此，研究活性炭煙氣脫硫對于減少含硫化合物的排放具有重要的現實意義，而建立CDF活性炭脫硫數值模型可以為相關人員提供更具科學性的參考依據。

參考文獻：

[1]王盼.活性炭煙氣脫硫工藝的研究進展及存在的問題[J].江西建材，

2016，05：275-276.endprint