一種船用旋流反應脫硫塔設計的數值模擬

翟亞軍，張懷宇，周 密，陳 寧

（1. 中遠海運重工有限公司，上海 200120；2. 江蘇科技大學，江蘇鎮江 212003）

0 引言

為了有效地控制船舶硫氧化物的排放，1997年 9月在海上環境保護委員會（MEPC）第40屆會議上通過了國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）73/781997年議定書（包括MARPOL附則Ⅵ—防止船舶造成空氣污染規則）及8個決議案。MARPOL附則Ⅵ第14條嚴格規定了船舶燃油含硫量標準和強制執行的時間節點[1]。自2003年MEPC 50屆會議至2013年MEPC 65屆會議，10年共16屆環保會議上制定和修改了國際海事組織（IMO）的MARPOL附則Ⅵ，在全球范圍內確定了一些特殊區域和特別敏感海區，設為船舶廢氣排放控制區（ECA）[2]。因此，脫硫塔作為船用煙氣脫硫系統中的關鍵設備正廣泛應用于船舶上。但由于船舶上空間有限，傳統噴淋脫硫塔體積過于龐大，使得脫硫塔在船舶上的安裝運行受到很大限制[3-5]。因此，本文提出一種利用旋風分離器原理的新型脫硫塔，塔內的旋轉氣流不僅增大了湍流強度使得氣液混合更充分、反應更快速徹底，而且大大增加了煙氣在塔內的行程，使得煙氣在有限尺寸的脫硫塔內依然有足夠的反應時間。

1 旋流脫硫塔結構設計

旋流脫硫塔的結構參數包括：塔徑D、煙氣進口尺寸W×L、煙氣出口直徑D0、底流口直徑Du、柱段長度H、煙氣出口插入深度H0、錐角θ，其結構參數如圖1所示，具體數值如表1所示。

圖1 旋流脫硫塔結構參數

表1 旋流脫硫塔結構尺寸

2 氣-液兩相流的數值模擬

2.1 湍流模型

旋流脫硫塔內的流場是一種高雷諾數、強旋流的流動，Bernardo研究發現各相同性標準的k-ε模型已不能準確描述強旋流流場特征。Erdal采用雷諾應力模型準確預測了旋流器內的流場分布。本文采用雷諾應力模型（RSM）模擬旋流脫硫塔內的強旋湍流流場。雷諾應力模型所對應的方程包括：

1）連續性方程

2）運動方程

式中：Ui為時均速度；gi為重力加速度分量；P為介質壓力；u′為脈動速度；xi為笛卡爾坐標分量；ρ為介質密度；μ為介質黏度。

3）雷諾應力運輸方程

4）湍動能方程

5）湍動能耗散方程

2.2 組分傳輸模型

FLUENT軟件提供了通用有限速度模型、非預混和燃燒模型、預混和燃燒模型、部分預混和燃燒模型4種模擬反應的方法。本文采用的通用有限速度模型是基于組分質量分數的輸運方程解，可以根據定義的化學反應機制，對化學反應進行模擬。這種模型的應用十分廣泛，可包含預混、部分預混、非預混以及燃燒等，主要用于模擬化學組分混合、輸運和反應的問題。

2.3 三維模型及網格劃分

根據旋流脫硫塔的結構尺寸，應用PROE軟件建立旋流脫硫塔三維結構模型，如圖2所示，再將模型導入ICEM軟件中劃分結構網格，如圖3所示。

圖2 幾何模型

圖3 網格圖

2.4 初始條件和邊界條件設置

1）模擬的初始條件

采用RSM湍流模型求解瞬態的雷諾應力方程，計算塔內強旋流場；采用能量模型和組分傳輸模型模擬強旋流場內的化學反應。煙氣溫度為373 K，其中SO2的體積分數為0.12%。CaCO3溶液在進口處被霧化成微小液滴，按照與SO2氣體摩爾比4∶1的比例和煙氣混合進入脫硫塔內。

2）模擬的邊界條件

入口邊界條件：入口邊界類型選擇速度進口（velocity inlet），煙氣流量Q=28.49 kg/s，計算入口流速為25 m/s。

出口邊界條件：出口邊界類型選擇流動出口（outflow）。

壁面邊界條件：計算壁面的邊界條件采用無滑移邊界。

3 結果與分析

3.1 旋流脫硫塔內的速度場模擬

在旋流反應器的速度場中，切向速度占據著一個重要的地位，這不僅因為切向速度在數值上遠大于其他兩個方向的速度，而且因為切向速度是離心力產生的前提。

為了利于觀察不同截面的切向速度分布，在旋流脫硫塔柱段和錐段分別取2個截面進行分析，即y1=2 m，y2=0.6 m，y3=?1.4 m，y4=?3.4 m，其分布示意圖如圖4所示。

圖4 旋流脫硫塔截面分布示意圖

圖5 中，a）、b）、c）、d）分別為y1、y2、y3、y4旋流脫硫橫截面的切向速度分布圖。由圖5可知：塔內流場的切向速度分布基本呈軸對稱，速度由中心處沿徑向方向隨著半徑的增大而不斷增大，到達最大值以后又逐漸減小，在塔壁附近降至較低，由此可以看出塔壁處和中心軸線處為切向速度低速區，旋渦在這兩處形成，塔壁處為自由渦，中心軸線處為強制渦，雙渦交匯處切向速度最大，約在r=0.5 m處取得。

3.2 旋流脫硫塔內的壓力場模擬

圖6為z=0 m、y=3 m處的截面靜壓分布云圖。從圖6中z=0 m處的剖面可以看出：靜壓沿軸向由塔頂向塔底，壓力沒有明顯的變化，等壓的位置幾乎與中心軸線平行，所以可以得出軸向位置對壓力的影響很小；從圖6中y=3 m處的截面可以看出，壓力沿著徑向方向隨半徑的減小而減小，塔壁處壓力最高，中心軸線處壓力最低，這一現象與理論上旋流器中心軸線處易形成低壓氣柱相吻合。低壓區使得煙氣能夠沿著中心軸線處上升直至塔頂處的煙氣出口排出。

圖5 不同旋流脫硫橫截面的切向速度分布圖

圖6 z=0 m、y=3 m處靜壓分布云圖

3.3 旋流脫硫塔內的濃度場模擬

3.3.1 旋流脫硫塔內SO2濃度分布

圖7為z=0 m、y=3 m處SO2濃度分布云圖。從圖7中z=0 m處的剖面可以看出：塔內柱段SO2濃度變化明顯，從上到下、從塔壁到中心處，SO2濃度急劇減小，說明堿液與SO2氣體充分接觸并反應，錐段處SO2濃度穩定在一個極低的范圍內；從圖7中y=3 m處的截面可以看出：煙氣由進口切向進入沿塔壁環流后濃度急劇減少，其變化的趨勢呈現旋轉渦流的形態，其間，SO2幾乎全部被霧化的堿液吸收，脫除效率達到了99.5%以上。

圖7 z=0 m、y=3 m處SO2濃度分布云圖

3.3.2 旋流脫硫塔內堿液濃度分布

圖8為z=0 m和y=3 m處堿液濃度分布云圖。從圖8中可以看出：塔內堿液濃度與SO2濃度變化趨勢一致。由進口切向進入塔內后沿塔壁環流后濃度快速減少，變化趨勢為旋轉渦流的形態。

圖8 z=0 m、y=3 m處堿液濃度分布云圖

4 結論

為了更好地滿足IMO關于船舶硫氧化物的排放標準，本文提出一種利用旋風分離器原理的新型脫硫塔，并利用FLUENT軟件，采用雷諾應力模型和組分傳輸模型對塔內的強旋流場和化學反應進行三維數值模擬，基于模擬結果可以得到以下結論：

1）塔內流場的切向速度分布基本符合蘭金組合渦特征。塔中塔壁處和中心軸線處切向速度較小，在這兩處形成了旋渦，塔壁處為自由渦，中心軸線處為強制渦，雙渦交匯處切向速度最大，大約是在r=0.5 m處。

2）軸向位置對壓力的影響很小，塔壁處壓力最高，中心軸線處壓力最低，這一現象與理論上旋流器中心軸線處易形成低壓氣柱相吻合。

3）SO2和堿液經進口切向進入塔內以后，濃度沿塔壁進行環流的過程中快速減少，其變化的趨勢呈渦流狀；SO2在塔內與堿液充分接觸并幾乎被全部吸收，其脫出效率達到了99.5%以上。

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