装有气流分布板的脱硫喷淋塔流场数值模拟过小玲1金保升孙志翱（东南大学热能工程研究所，江苏南京210096）摘要以600 MW机组喷淋塔为研究对象，利用Fluent软件，对装有一定开孔率气流分布板的脱-模型作为计算模型，并结合拉硫喷淋塔进行了空塔和喷淋状态下热态流场数值模拟。

计算中选用kε格朗日颗粒轨道模型，用SIMPLE算法进行计算。

计算结果表明，气流分布板对塔内流场、温度场和压力场都有一定的影响；引入喷淋液后，由于喷淋液滴对塔内流场强烈的整流作用，内部速度明显趋于均匀化。

关键词喷淋塔Fluent软件数值模拟气流分布板Flow simulation for FGD spray scrubber with gas distributing board Guo Xiaoling, Jin Baosheng, Sun Zhiao (Department of Power Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096) Abstract: The research was based on a spray scrubber with a gas distributing board in a capacity of 600 MW unit, using software of Fluent to simulate the field in the spray scrubber. Both under spray and without spray conditions were simulated. The gas flow was described using standard kε-model and SIMPLE algorithm. Lagrange particle trajectory model was used to imitate the initial condition of the slurry droplet. The results showed that the gas distributing board had a significant influence on the interior field. When spray was introduced, the gas velocity became uniform. This was because the slurry droplets bring huge influence on the flue gas flow by cutting down the scale of the eddy of the flue gas.Keywords: Spray scrubber Fluent Numerical simulation Gas distributing board喷淋塔是湿法烟气脱硫工程中的核心设备，其内部复杂的两相流动直接影响着喷淋塔的设计及其脱硫效率。

对于脱硫喷淋塔，仅靠试验难以揭示塔内的各种参数[1]。

而数值模拟方法具有经济、高效的特点，且排除了模型试验方法中存在的缩小误差的问题及安全问题[2]特别是利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)通用软件之后，还避免了复杂的编程工作，已经成为研究塔内流场的有力工具[3]。

目前国内数值模拟基本上为二维的冷态模拟[4]，或者是三维空塔的模拟；而国外学者的研究主要集中在脱硫机理或浆液液滴的运动方面[5-7]，很少针对脱硫塔进行流场等研究。

本文以600 MW机组带气流分布板的喷淋塔为研究对象建立三维模型，用Fluent软件对喷淋塔空塔和喷淋状态下的热态流场进行了数值模拟。

采用kε-模型，并结合浆液液滴随机生成模型，用SIMPLE算法进行计算。

1 喷淋塔模型的建立1.1 烟气流动的物理模型1.1.1 物理模型简化烟气脱硫塔结构如图1(a)所示。

烟气沿水平下倾烟道进入塔体，在上升过程中先通过气流分布板，再依次经过3个喷淋层。

脱硫浆液由均匀布置于喷淋层的雾化喷嘴引入，与1第一作者：过小玲,女，1981年生，硕士，研究方向为烟气脱硫技术。

烟气形成逆流接触。

经过洗涤之后的烟气进入除雾段，吸收SO 2之后的喷淋液下落至浆液池。

本文工作的第一步是建立脱硫塔的物理模型，并对所模拟的问题做出物理上的简化。

在计算中不考虑除雾器以及浆液池的影响，简化后的模型如图1(b)所示。

(a) 示意图 (b) 模型图1 脱硫塔示意图及其模型Fig.1 Wet FGD spray tower and model将图1(b)所示的脱硫喷淋塔模型导入CFD 软件的前处理模块进行网格化。

计算区域选为浆液池表面以上至出口烟道的区域。

在模拟中用空气代替烟气，用水代替浆液进行研究。

1.1.2 模拟中用到的参数脱硫塔高度:34 m ；脱硫塔直径:17.5 m; 烟气入口尺寸:14 m ×4.5 m; 烟气出口尺寸:φ8.5 m; 浆液面至出口烟道中心线高度:30.8 m; 烟气流量：2.376 037×106 m N 3/h; 进口烟气温度: 130℃; 循环浆液量：4.12×104 m 3/h; 浆液温度：45℃; 浆液液滴平均粒径：2.1 mm 。

1.2 烟气流动的数学模型对吸收塔进行物理上的简化之后，需要从数学的角度建立控制方程组，并将其离散化、线性化以进行迭代求解。

1.2.1 气相数学模型从雷诺时均N S -方程组出发、选用标准k ε-湍流模型对气相湍流进行模拟。

气体流动模型包括三维的连续性方程、动量方程和k-ε的两个输运方程，它们可统一表达为以下形式：()()()p u v S S x y z x x y y z z φφφφφρφρφρωφφφφ∂∂∂⎛⎫∂∂∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫++=Γ+Γ+Γ++ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （1） 式中：φ分别代表速度u 、v 、ω、湍流动能k 、湍流动能耗散率ε、压力p 、混合分数f 及其脉动均方值g 和焓h ，当1φ=时为连续性方程；S φ 是由气相引起的源项或汇项；p S φ是由固体颗粒引起的源项，对连续性方程而言，该项是颗粒的质量变化项，对动量方程而言，是由颗粒和气体之间的相互阻力以及颗粒的热解挥发而引起的动量源项。

1.2.2 离散相数学模型目前，拉格朗日颗粒轨道模型是应用最广泛的两相流模型。

该模型无需构造颗粒湍流模型，且考虑颗粒与流体之间的大滑移,认为滑移与扩散漂移无关，还能够得到颗粒运动的确定轨道。

该模型采用随机轨道方法进行修正。

在计算过程中,模型跟踪计算颗粒沿轨道的动量增加与损失,所得计算结果将作用于随后的连续相计算中。

于是,在连续相影响离散相的同时,也考虑了离散相对连续相的作用。

交替求解离散相与连续相的控制方程,直至两者均收敛,即可实现两相之间的双向耦合计算。

颗粒的运动方程可用式(2)表示:()()p g pD g p p g du k u u dt ρρρ-=-+ （2）式中:()D g p k u u -为颗粒与烟气相互作用的单位质量曳力,其中 21824D e D p p C R k d μρ= （3） p p p g e d u u R ρμ-= （4）式中:u 、ρ、μ、p d 和μ分别为速度、密度、动力粘度及浆液颗粒粒径；D C 的取值可参阅文献[7]。

2 结果与分析2.1 塔内气相湍流流场分析由图2(a)和2(b)可以看出，未装气流分布板之前，烟气进入脱硫塔后，由于塔壁的影响，一部分烟气沿脱硫塔左侧向上流动，另一部分烟气形成一个顺时针的漩涡，造成塔内强烈的湍流区；由于脱硫塔出口面积缩小，导致烟气流速增大，特别是烟道左侧拐角处气速比周围都高，可以对此进行改进。

安装气流分布板后，脱硫塔内顺时针回流区明显减小。

从该图中还可以看出未加气流分布板时烟气进入塔内后,部分烟气受到塔壁限制后产生向下的速度，在脱硫塔底部浆池附近形成逆时针的漩涡；安装气流分布板后在脱硫塔底部浆池附近的逆时针漩涡几乎消失。

由图3(a)和3(b)可以看出，在未装气流分布板的情况下，经过喷淋后，在浆液池附近气体扰动非常强烈，烟气在进口贴近浆液面处产生一个逆时针的漩涡，同时在该漩涡的左上侧还产生一个顺时针的漩涡，并且贴浆液面处气速偏大。

由于底部的回流与浆液接触时间较长会使烟气含水量增加，从而导致烟温降低，不仅增加除雾器负担而且容易形成低温腐蚀，对脱硫产生不利影响。

安装气流分布板之后，塔内只在进口右下角处存在一个逆时针的小漩涡，浆液面处的气体速度减小并且均匀，对于控制烟气从浆液面带水起到了一定的作用。

另外，在无气流分布板时，可以看出在低位喷淋层下有一区域速度很低，造成塔内速度的不均匀；而安装气流分布板之后，该低速区基本消失，塔内整体的速度比前者均匀。

(a) 喷淋塔内速度分布图(b) 喷淋塔内速度矢量图图2 未喷淋时塔内加气流分布板前后流场图Fig.2 Flow field of scrubber without spray(a) 喷淋塔内速度分布图(b) 喷淋塔内速度矢量图图3 喷淋时塔内加气流分布板前后流场图Fig.3 Flow field of scrubber with spray同时比较图2 (a)和图3 (a)，可以看出喷淋后塔内总体气体速度降低，最高气速从19 m/s左右降到17 m/s左右，从而使得出口拐角处气速过大的现象有所改进。

比较图2 (b)和图3 (b)可以看出，喷淋浆液液滴对烟气流场具有强烈的整流作用，喷淋后，右上侧顺时针的大漩涡都消失，气体速度明显均匀化。

2.2 塔内温度场和压力场的分析对于塔内的温度场，未喷淋时，塔内温度基本没有什么变化。

当喷淋后，由图4可以看出，流体的温度在塔入口处变化较剧烈，这主要是由于塔入口流场的不均匀性造成的。

随着烟气与浆液传热的进行，气流温度下降迅速，超过一定高度后气流与液滴颗粒的温差变得很小，温度基本保持不变。

脱硫塔出口温度都在50℃左右[8]，这与实际运行的情况比较相符。

图4 烟气进入脱硫塔内加气流分布板前后温度场Fig.4 The temperature field of scrubber with and without tray(a)未喷淋(b)喷淋图5 烟气进入脱硫塔内加气流分布板前后压力场Fig.5 The pressure field of scrubber with and without tray从图4还可以看出，加了气流分布板之后，在低位喷淋层之上，低温区域范围比未装气流分布板时更宽，这主要是因为安装气流分布板后，对烟气的流动产生了一定的阻力，烟气流速变慢，脱硫浆液与烟气的接触时间变长，传热过程进行的较充分；而在接近浆液池部分低温区域反而减小，主要是气流分布板对浆液的下落产生阻力的结果。