導流板改善反應器流場的數值模擬研究

吳義連安恩科*周洪權孫向軍宋堯季華文

1同濟大學機械與能源工程學院

2上海環境衛生工程設計院有限公司

0 引言

近年來興起的固體廢棄物焚燒發電技術，具有無害化、減量化、資源化等優勢，先后在許多國家推廣使用，成為了近年來城市生活垃圾處理的研究熱點和趨勢[1]。我國垃圾焚燒發電廠的運行數目已由2000年以前的2座快速增加到2016年底的249座[2]。對于垃圾焚燒發電中產生的酸性氣體，目前的去除方法主要有濕法、半干法、干法三種。我國現已投運的垃圾焚燒發電廠大多采用“半干法+布袋除塵”以及“半干法+干法+布袋除塵” 的脫酸工藝。碳酸氫鈉干法因其系統簡單、維護成本低等特點，在保證排放標準的情況下，必將會得到廣泛的應用。

本文利用 Fluent 軟件，采用 Realizablek-ε湍流模型及離散相模型，對一種碳酸氫鈉干式反應器結構的流場進行了數值模擬，研究了導流板數對碳酸氫鈉顆粒分布均勻性、彎管處最大速度、反應器壓損的影響，并選取了合適的導流板數目，為反應器的進一步優化提供了理論基礎和研究依據。

1 物理模型

本文的研究對象是一套簡化的干式煙氣凈化設備，主體是兩段直管和一段彎管，煙氣和碳酸氫鈉顆粒從左側直管進入，從右上方流出。建立物理模型，并導入網格劃分軟件ICEM中進行網格劃分。對于沒有導流板的模型（如圖1所示），采用六面體結構化網格進行劃分，網格數為3623572個。對于有導流板的模型（共8個模型，圖2展示了導流板數量為5的模型），采用六面體網格與四面體網格結合使用的方法進行劃分，彎管導流板處采用四面體網格，其余部分采用六面體網格，交界處采用interface，不同導流板數模型的網格劃分情況如表1所示。不同模型結構相似，選取有5個導流板的模型進行網格獨立性檢驗，最終選擇各個模型網格數均在350萬左右，能夠保證計算精度。設備參數如表2所示。

圖1 無導流板模型

圖2 五導流板模型

表1 不同模型網格劃分情況

表2 設備參數

2 數學模型

2.1 連續相控制方程

煙氣在本文中被認為是連續介質，其 控制方程包括連續性方程，能 量方程，動 量方程，組 分方程以及k-ε湍流方程[3]，通 用表達式為

式中：φ為通用變量，分 別代表常數 1，氣 體質量分數、速度，氣 體焓，湍 動能耗散率和湍動能。Γφ為 輸運系數。Sφ為 源項，包 括氣相作用源項和氣相與顆粒相間作用源項。

2.2 顆粒相控制方程

將碳酸氫鈉顆粒視為離散相。使用顆粒軌道模型模擬碳酸氫鈉顆粒的運動過程。假設碳酸氫鈉為球形顆粒，僅 考慮煙氣對顆粒的曳力和顆粒自身的重力，忽略作用在顆粒上的其它力[4]。顆粒作用力平衡方程為：

式中：為氣相平均速度，m /s；up為顆粒速度，m /s；ρp為顆粒密度，kg/m3；FD(-up)是碳酸氫鈉顆粒受煙氣的單位質量曳力，其 中：

式中：μ是流體的動力粘度，kg/(m·s)；dp為顆粒直徑，m；R e為相對雷諾數；CD為阻力系數，它 的表達式為：

3 計算方法

3.1 基本假設

1）假設整個反應器的壁面均勻絕熱，對流及換熱僅在煙氣與碳酸氫鈉顆粒間進行。

2）碳酸氫鈉顆粒初始速度在入口截面圓周上均勻分布，忽略顆粒間的相互摩擦和碰撞。

3）煙氣被視為不可壓縮黏性流體，不考慮溫度對煙氣密度的影響。將碳酸氫鈉顆粒視為離散相，且顆粒是相同粒徑的球體，不考慮顆粒間的相互作用力。

3.2 邊界條件

3.2.1 連續相初始邊界條件

煙氣入口為速度入口，速 度大小為15m/s，在 入口截面上均勻分布，方 向垂直于入口截面，煙 氣溫度為463.15 K。出口為壓力出口，出 口壓力為零。其余壁面均為絕熱邊界條件。操作壓力為101325Pa，重 力大小為9.8m/s2，方 向沿豎直段管道軸線向下。煙氣組分為（質量分數）：H2O（0.1601325），O（20.05457662），N O2（0.000292516），C O2（0.1566809），SO2（0.000420227），HCL（0.000622707）。

3.2.2 離散相初始邊界條件

顆粒從入口截面均勻進入反應器。顆粒直徑為均一粒徑，0.0003 m，溫度為300K，速度大小為 15m/s，方向與入口截面垂直，質量流量為0.08 kg/s。開啟隨機軌道模型。顆粒密度為2159 kg/m3，比熱容為1219.63 J/(kg·K)。進出口的DPM邊界條件為escape，其余壁面的DPM邊界條件為reflect。

3.3 方程求解

在歐拉坐標系下采用 Realizablek-ε雙方程模型求解氣相連續，動量，能量和組分方程。在拉格朗日坐標系下采用離散相模型和顆粒軌道模型追蹤碳酸氫鈉顆粒的運動。先計算得到氣相場的收斂解，隨后耦合顆粒相進行計算，在氣相和顆粒相之間進行反復耦合迭代求解，直至得到收斂解。其中壓力-速度耦合，采用 SIMPLE算法，壓力采用standard離散格式，其余項均為二階迎風格式。

4 模擬結果與分析

對于不同模型的計算結果，采用不同截面上顆粒濃度的標準差與平均濃度的比值（顆粒濃度不均勻系數）來 判斷模型的顆粒濃度均勻性是否滿足要求[5]：

式中：σc為顆粒濃度標準差；n為相應截面上導出數據的節點數；ci為i數據點的顆粒濃度；為截面上顆粒的平均濃度；xc為顆粒濃度不均勻系數。xc值越小，表明顆粒分布越均勻。

每個模型的分析截面，均為以反應器主管段中軸線為法線的圓截面，各個截面的具體位置如其名稱所示。不同模型分析截面的顆粒濃度不均勻系數計算結果如表3所示。

表3 不同模型分析截面的顆粒濃度不均勻系數

先從表3可以看出，對于不加導流板的模型，除了入口水平段外，各個分析截面上的顆粒濃度不均勻系數都在 150%以上，最高甚至超過了 600%，說明此模型中碳酸氫鈉顆粒的分布很不均勻，需要對此做出改善。圖3為無導流板模型的顆粒軌跡圖，從中也可以看出顆粒在豎直段的分布很不均勻。

圖3 無導流板模型的顆粒軌跡圖

其次，比較表3中無導流板模型和具有不同數量導流板模型的平均顆粒濃度不均勻系數可以發現，導流板結構可以明顯改善反應器顆粒分布的均勻性，對于導流板數量不低于3的模型，分析截面上平均顆粒濃度不均勻系數均從無導流板模型的237.42%減小到了90%以下，圖4是有5塊導流板模型的顆粒軌跡圖，與圖3對比，可以明顯看出顆粒分布變得更均勻。

圖4 五導流板模型的顆粒軌跡圖

另外，比較分析不同數量導流板模型的平均顆粒濃度不均勻系數，可以發現，隨著導流板數量的增加，平均顆粒濃度不均勻系數一直在減小，而在最開始，平均顆粒濃度不均勻系數的降幅比較大。導流板數從1增加到2時，平均顆粒濃度不均勻系數減小了38.5%。導流板數從2增加到3時，平均顆粒濃度不均勻系數減小了9.7%。導流板數從3增大到4時，平均顆粒濃度不均勻系數減小了11.16%。導流板數從4增加到5時，平均顆粒濃度不均勻系數減小了4.89%。導流板數從5增加到6時，平均顆粒濃度不均勻系數只減小了2.33%。圖5是平均顆粒濃度不均勻系數與導流板數的關系曲線，從圖5中可直觀地看出上述規律。

圖5 平均顆粒濃度不均勻系數與導流板數的關系曲線

下面是對導流板改善速度場的分析，圖6和圖7分別是過無導流板模型和三導流板模型彎管部分中軸線中點所作的分析截面的速度云圖，圖8是各個模型在此截面上速度最大值的情況。從圖6和圖7可以看出，相比于無導流板模型，三導流板模型的速度分布均勻性沒有明顯地改善。從圖8可以看出，分析截面上的速度最大值總體上是隨著導流板數量的增加而減小的，僅在導流板數量為5和7時，速度最大值略有增加，選取合適數量的導流板，可以減小彎管部分的最大速度，減輕對該區域管壁的磨損。

圖6 無導流板模型分析截面速度云圖

圖7 三導流板模型分析截面速度云圖

圖8 各個模型分析截面上的速度最大值

圖9 各個模型壓力損失情況

圖9是各個模型的壓力損失情況，從圖中數據可以看出，當導流板數量從0增加到2時，壓力損失值有明顯增加，從121.41Pa增加到了136.25Pa。當導流板數量從2增加到4時，壓力損失從136.25Pa減小到了123.37Pa。當導流板數量從4增加到8時，壓力損失的變化沒有明顯規律，在導流板數量為6時，壓力損失的值最小，為122.52Pa。以上分析可以看出，有導流板的模型相比于無導流板模型，壓力損失是增大的，但導流板數量越多，模型的壓力損失不一定會越大，合適數量的導流板會使模型的壓力損失減小。

5 結論

本文使用計算流體力學軟件Fluent，對一種碳酸氫鈉脫酸反應器流場進行了數值模擬計算，研究了導流板數量對反應器流場的影響。計算結果表明：導流板可以改善模型中顆粒分布的均勻性，當導流板數量較少時，其數量的增加可以明顯改善顆粒分布均勻性，當導流板數量超過5時，其數量的增加對顆粒分布均勻性的改善不是很明顯。導流板對彎管部分速度分布的均勻性沒有明顯改善，但減小了最大速度值，可以減輕對該區域管壁的磨損，速度最大值基本上隨著導流板數量的增加而減小，僅在導流板數量為 5 和7時略有增加。有導流板模型相比于無導流板模型，壓力損失是增大的，但壓力損失的大小與導流板數量的關系沒有明顯規律，對于本文研究的模型，6 塊導流板的壓力損失最小。綜合考慮顆粒分布均勻性、彎管處最大速度值以及壓力損失，對本文研究的模型，建議使用6塊導流板，可以明顯改善顆粒分布的均勻性、減小彎管處最大速度值，壓力損失相比無導流板模型只增加了1.11Pa。

[1]Nie Y F.Development and prospects of municipal solid waste (MSW)incineration in China[J].Front.Environ.Sci.Engin., 2008,2(1):1-7

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.2016年城鄉建設統計公報[EB/OL].http://www.mohurd.gov.cn/xytj/tjzljsxytjgb/tjxxtjgb/ 201708/t20170818_232983.html

[3]解海衛,張于峰,張艷.垃圾焚燒電廠煙氣脫酸數值模擬及實驗研究[J].中國電機工程學報,2008,28(5):17-22.

[4]紀辛,黃碧純,黃昕.垃圾焚燒煙氣噴霧干燥脫酸塔流場數值模擬[J].化學工業與工程,2010,27(4):340-345

[5]周強強.SCR脫硝系統煙道氣動流場數值研究[D].大連:大連海事大學,2015