[20]。1.4研究?jī)?nèi)容石灰石-石膏濕法脫硫（WFGD）系統(tǒng)吸收塔設(shè)計(jì)與優(yōu)化要兼顧煙氣速率，系統(tǒng)壓降，SO2去除效果，漿液夾帶量以及塔體幾何參數(shù)等重要指標(biāo)，其內(nèi)部包含：①氣液固三相流態(tài)分布；②氣液傳熱與傳質(zhì)過(guò)程；③液相蒸發(fā)效應(yīng)；④氣-液兩相化學(xué)反應(yīng)；⑤液滴粒徑變化對(duì)流態(tài)及傳質(zhì)傳熱的影響；⑥除霧區(qū)微滴捕集特性；⑦漿液池內(nèi)部流態(tài)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多物理場(chǎng)耦合作用。本文借助CFD軟件將對(duì)石灰石一石膏濕法脫硫工藝開(kāi)展以下研究：（1）以CFD數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，對(duì)未加入噴淋液下脫硫塔速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)進(jìn)行分析，系統(tǒng)研究噴淋層間距調(diào)控對(duì)脫硫塔內(nèi)流動(dòng)特性的影響機(jī)制，確定最佳噴淋層布置間距。(2)進(jìn)行不同噴淋液滴速度情況下的流場(chǎng)仿真，通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及SO2濃度場(chǎng)解析，預(yù)測(cè)塔內(nèi)脫硫效率，實(shí)現(xiàn)噴淋液滴流速參數(shù)的調(diào)節(jié)。第二章吸收塔內(nèi)流場(chǎng)和脫硫反應(yīng)計(jì)算模型及求解方法CFD本質(zhì)上就是以質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程這三大流動(dòng)控制方程為基礎(chǔ)，對(duì)吸收塔內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程實(shí)施數(shù)值求解，進(jìn)而預(yù)測(cè)出流場(chǎng)各處速度、壓力、以及濃度這些關(guān)鍵參數(shù)在空間與時(shí)間上的分布情況及其演變趨勢(shì)。本章基于計(jì)算流體力學(xué)理論，通過(guò)對(duì)濕法脫硫吸收塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性分析，對(duì)實(shí)際工程中的塔內(nèi)氣液相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，下面簡(jiǎn)要介紹模擬中采用的計(jì)算模型。2.1基本控制方程Fluent在各類(lèi)流動(dòng)問(wèn)題中均基于質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程進(jìn)行求解，當(dāng)涉及傳熱傳質(zhì)過(guò)程時(shí)需聯(lián)立能量守恒方程共同計(jì)算。（1）質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）作為流體流動(dòng)的普適性約束條件，脫硫吸收塔內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)同樣遵循該定律，其通用數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (2-1)若將煙氣視為不可壓縮氣體，則連續(xù)性方程可表示為： (2-2)(2)動(dòng)量守恒方程（N-S方程）X-動(dòng)量方程： (2-3)Y-動(dòng)量方程： (2-4)Z-動(dòng)量方程： (2-5)(3)能量守恒方程: (2-6)2.2標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型層流基本方程組是封閉的，而湍流方程組經(jīng)過(guò)平均處理后，如經(jīng)過(guò)時(shí)均化，則是非封閉的，必須借助湍流模型才能使方程封閉。脫硫吸收塔內(nèi)煙氣流動(dòng)屬于湍流，因此應(yīng)選擇CFD湍流模型。Fluent軟件在模擬塔內(nèi)氣體流動(dòng)時(shí)提供了以下三種湍流模型：(1)Spalart-Allmaras模型；(2)k-ε系列（標(biāo)準(zhǔn)、RNG）；(3)k-ω系列（標(biāo)準(zhǔn)型與壓力修正型）。本研究將脫硫吸收塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)簡(jiǎn)化為全湍流不可壓縮流態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型開(kāi)展數(shù)值模擬。Fluent軟件里這個(gè)湍流模型因?yàn)橥ㄓ眯詮?qiáng)，計(jì)算精度又合適，在工業(yè)流動(dòng)和傳熱仿真方面有著廣泛的適用性，這個(gè)模型依照全湍流的假定，忽略了分子粘性作用，所以只能適用于完全發(fā)展的湍流系統(tǒng)，它的控制方程組可以用如下方式表述： (2-7) (2-8)在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，湍流模型中的湍流速度由下式得出： (2-9)其中：——為常量；標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的模型常量為： 這些常量都是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出。2.3兩相湍流模型兩相流指氣體或液體中包含固體或液態(tài)微粒的流動(dòng)體系，由連續(xù)相與離散相構(gòu)成，按分散介質(zhì)可分為氣液、氣固等類(lèi)型。脫硫塔內(nèi)氣液相互作用涉及傳質(zhì)傳熱過(guò)程，需基于兩相流理論分析液滴對(duì)氣相流體的動(dòng)力作用。兩相流模擬方法主要分為兩類(lèi)：1.歐拉-拉格朗日法：連續(xù)相采用歐拉框架求解，離散顆粒通過(guò)拉格朗日追蹤法解析運(yùn)動(dòng)軌跡。2.歐拉-歐拉法：將兩相均視為連續(xù)介質(zhì)，通過(guò)相分?jǐn)?shù)方程耦合求解。常用模型包括：?jiǎn)瘟黧w模型、小滑移模型、雙流體模型及顆粒軌道模型2.3.1單流體模型該模型將含顆粒群的流體等效為連續(xù)混合介質(zhì)，在單相流動(dòng)方程框架內(nèi)引入顆粒相守恒方程（如氣相組分?jǐn)U散方程）進(jìn)行耦合求解，從而簡(jiǎn)化計(jì)算流程。但忽略相間的速度差（無(wú)滑移假設(shè)），僅用一套守恒方程描述混合介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，無(wú)法捕捉顆粒與氣體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得到的仿真結(jié)果會(huì)和實(shí)際相比有較大差距，所以不常應(yīng)用于實(shí)際情況中。2.3.2小滑移模型在單流體模型基礎(chǔ)上，引入有限滑移修正，假設(shè)顆粒與流體速度差異較小，顆粒相對(duì)流體的流動(dòng)過(guò)程被忽略不計(jì)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或漂移速度模型描述滑移效應(yīng)。該模型通過(guò)考慮顆粒與流體的速度滑移產(chǎn)生阻力作用，相較于無(wú)滑移模型主要改進(jìn)在于引入顆粒相動(dòng)量方程，其核心求解流程未作改動(dòng)。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在保留原有框架的同時(shí)，額外考慮了顆粒湍流擴(kuò)散效應(yīng)及滑移阻力機(jī)制，較單流體模型更貼近實(shí)際物理過(guò)程，計(jì)算框架基本維持原狀。2.3.3雙流體模型雙流體模型把顆粒群和流體都當(dāng)作連續(xù)相，二者共同占據(jù)同一個(gè)空間域，并且彼此相互耦合，創(chuàng)建雙流體體系，兩相的運(yùn)動(dòng)均借助歐拉框架展開(kāi)數(shù)學(xué)表達(dá)，這樣的雙歐拉體系便是經(jīng)典的歐拉-歐拉方法。該模型適用于高濃度、強(qiáng)湍流、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)（如流化床中的氣泡運(yùn)動(dòng)），可與多物理場(chǎng)耦合擴(kuò)展至傳熱、化學(xué)反應(yīng)、相變等多物理過(guò)程（如燃燒、催化反應(yīng)）尤其在工業(yè)反應(yīng)器、流化床等場(chǎng)景中表現(xiàn)突出，但其精度高度依賴閉合模型與數(shù)值方法的合理性。在實(shí)際應(yīng)用中，需結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證與參數(shù)標(biāo)定。2.3.4顆粒軌道模型顆粒軌道模型又叫離散相模型，它把氣體相看作是連續(xù)介質(zhì)，考慮到顆粒群和氣相之間的速度滑移現(xiàn)象，顆粒相被當(dāng)作非連續(xù)相，用拉格朗日方法在相應(yīng)坐標(biāo)系里追蹤顆粒群各自沿軌道的運(yùn)動(dòng)特性，這種做法被稱為歐拉-拉氏法，這個(gè)模型假定各個(gè)顆粒群之間互相獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)，彼此不會(huì)產(chǎn)生影響。該模型基于拉格朗日離散相追蹤框架，采用非穩(wěn)態(tài)雙向耦合算法解析顆粒群運(yùn)動(dòng)特性，精確捕捉顆粒與流場(chǎng)間的速度滑移及熱力學(xué)非平衡效應(yīng)（溫度滑移）。其核心優(yōu)勢(shì)在于高分辨率與靈活性，但是該模型方法仍然具有局限性，因其不能夠較好地處理顆粒的湍流擴(kuò)散過(guò)程，在高濃度場(chǎng)景中需謹(jǐn)慎使用（可切換至雙流體模型）。在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定模型參數(shù)，并采用并行計(jì)算或統(tǒng)計(jì)優(yōu)化提升效率。2.3.5本文選用的兩相湍流模型本研究對(duì)氣液兩相湍流體系，把入口煙氣當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，噴淋液滴當(dāng)成離散相物質(zhì)，對(duì)于液滴體積分?jǐn)?shù)小于10%的分散體系，采用拉格朗日顆粒軌道模型開(kāi)展模擬分析，該模型在Fluent仿真平臺(tái)中，借助設(shè)定離散相初始速度、粒徑分布、空間坐標(biāo)以及熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)來(lái)完成建模，此方法計(jì)算效率較高，在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方面具備較強(qiáng)的捕捉能力，而且能夠避免數(shù)值計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的偽擴(kuò)散效應(yīng)，還可以較好地耦合連續(xù)相湍流場(chǎng)對(duì)顆粒群的作用，不過(guò)該模型在離散相湍流輸運(yùn)機(jī)制的表達(dá)上存在不足之處，很難得到與歐拉場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符合的離散相速度場(chǎng)或者濃度場(chǎng)分布。笛卡爾坐標(biāo)系中，顆粒x方向的作用力平衡方程可表述為： (2-10)其中 (2-11)為相對(duì)雷諾數(shù)，計(jì)算式為 (2-12)曳力系數(shù)以采用如下表達(dá)式： (2-13) (2-14)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型及其伴隨的質(zhì)量與能量傳遞耦合方程均通過(guò)離散時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值積分解析。通過(guò)對(duì)控制方程2-10實(shí)施積分運(yùn)算，可獲取顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡各節(jié)點(diǎn)的速度分量，基于各坐標(biāo)軸分量求解該方程即可完整重構(gòu)離散相顆粒的空間運(yùn)動(dòng)路徑。煙氣黏性效應(yīng)導(dǎo)致液滴軌跡計(jì)算需計(jì)入氣液兩相間作用力，可表示為下列關(guān)系式： (2-15)2.4多孔介質(zhì)模型多孔介質(zhì)模型通過(guò)Navier-Stokes方程和達(dá)西定律構(gòu)建，結(jié)合對(duì)流-擴(kuò)散項(xiàng)之后可以用于管道流動(dòng)模擬，其工程應(yīng)用非常方便。脫硫塔除霧器葉片由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致建模時(shí)間長(zhǎng)且計(jì)算存在不確定性，考慮到其主要功能是增加流動(dòng)阻力，本研究使用多孔介質(zhì)模型等效除霧區(qū)域。2.5SO2吸收原理2.5.1物理原理脫硫塔內(nèi)的SO2吸收過(guò)程屬于非均相傳質(zhì)體系，因此采用雙膜理論來(lái)進(jìn)行機(jī)理分析，該理論體系包含三個(gè)基本組分：(1)氣液界面兩側(cè)分別維持穩(wěn)態(tài)氣膜與液膜結(jié)構(gòu)，膜內(nèi)流體為層流層，而膜外區(qū)域則為湍流核心區(qū)。(2)當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到相平衡時(shí)，界面?zhèn)髻|(zhì)驅(qū)動(dòng)力趨近于零，此時(shí)傳質(zhì)邊界層阻力可忽略。(3)溶質(zhì)分子擴(kuò)散過(guò)程集中于氣液膜層區(qū)域，湍流主體區(qū)呈現(xiàn)濃度分布均質(zhì)化特征，無(wú)需考慮濃度梯度及傳質(zhì)阻力效應(yīng)，溶質(zhì)傳遞阻力集中于氣液兩相膜層區(qū)域。研究脫硫反應(yīng)時(shí)，二氧化硫于溶劑體系內(nèi)展開(kāi)物理溶解與化學(xué)反應(yīng)，伴隨氣液兩相傳質(zhì)現(xiàn)象，吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷下降，從而出現(xiàn)液相主體溶質(zhì)濃度小于相界面區(qū)域的濃度分布特點(diǎn)，圖2-1為雙膜理論模型圖。圖2-1雙膜理論模型2.5.2化學(xué)原理煙氣中的SO2與漿液液滴中的水發(fā)生如下反應(yīng): (2-16)漿液水相中的石灰石首先發(fā)生溶解，吸收塔漿池中石灰石溶解過(guò)程如下: (2-17)高PH環(huán)境可提升酸性氣體脫除效率但抑制石灰石溶解，低PH條件則阻礙氣體脫除卻促進(jìn)溶解反應(yīng)。。通入吸收塔漿液池內(nèi)的氧氣將亞硫酸氫根氧化成硫酸根: (2-18)石膏的結(jié)晶主要發(fā)生在吸收塔漿液池內(nèi)： (2-19)脫硫總反應(yīng)式: (2-20)根據(jù)上述反公式，采用FLUENT中組分輸運(yùn)模型，設(shè)置反應(yīng)材料屬性。表2-1物化參數(shù)表符號(hào)物理意義單位x，y，z流速分量m/s流體密度kg/m2U流速矢量m/sP流體壓強(qiáng)流體的動(dòng)力粘度Pa·sSx，Sy，Sz動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)Sh內(nèi)熱源W/m3H焓kJ/Nm3T溫度℃由層流速度梯度引發(fā)的湍流動(dòng)能-由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能-過(guò)渡擴(kuò)散而產(chǎn)生的波動(dòng)-常量-k方程和ε方程湍流數(shù)-流體相速度m/s顆粒速度m/s流體動(dòng)力粘度Pa·s顆粒密度kg/m3顆粒直徑m溶質(zhì)A的摩爾分?jǐn)?shù)-的亨利系數(shù)2.6塔內(nèi)過(guò)程求解2.6.1控制方程的離散流動(dòng)與傳熱數(shù)值計(jì)算中，有限元法、有限差分法與有限體積法構(gòu)成數(shù)值離散方法中核心方法體系。有限體積法因其嚴(yán)格遵循控制方程積分守恒原理，在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域逐步發(fā)展為優(yōu)勢(shì)方法，尤其在復(fù)雜流動(dòng)模擬中展現(xiàn)出更強(qiáng)的物理守恒性。其核心是將計(jì)算域離散為連續(xù)控制體，各體以節(jié)點(diǎn)表征，基于守恒方程積分完成離散過(guò)程。其控制容積積分策略結(jié)合了有限差分法的迭代求解優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)逐變量迭代計(jì)算直到收斂。微分方程離散化需針對(duì)各物理項(xiàng)選擇匹配的離散格式：二階格式可滿足常規(guī)精度需求，擴(kuò)散項(xiàng)推薦中心差分法，對(duì)流項(xiàng)則根據(jù)流動(dòng)特性選取迎風(fēng)（上風(fēng)）或乘方格式，二者因數(shù)值穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)在工程計(jì)算中廣泛應(yīng)用通用微分方程離散化。2.6.2代數(shù)方程的求解數(shù)值模擬需要求解離散控制方程生成的代數(shù)方程組，其計(jì)算方法主要分為直接解法和迭代解法兩類(lèi)。（1）直接解法直接解法通過(guò)有限次數(shù)值運(yùn)算獲得代數(shù)方程組的準(zhǔn)確解，適用于小型線性問(wèn)題，但在處理非線性流動(dòng)傳熱方程時(shí)有局限性，且節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率明顯降低，實(shí)際工程應(yīng)用較少。（2）迭代解法大規(guī)模線性代數(shù)方程組的求解大多采用迭代法，以初始猜測(cè)作為起點(diǎn)，依靠迭代公式逐漸逼近精確解，與直接法相比，迭代法有著算法簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)空間需求小等優(yōu)點(diǎn)，所以是大規(guī)模方程組的主要解法。第三章吸收塔內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬方法本研究以350MW機(jī)組脫硫吸收塔為研究對(duì)象，根據(jù)WFGD系統(tǒng)吸收塔和煙道的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立含有進(jìn)出口煙道、噴淋層和除霧器的三維模型，采用混合網(wǎng)格法進(jìn)行離散，設(shè)置邊界參數(shù)，導(dǎo)入Fluent進(jìn)行數(shù)值求解。3.1三維模型建立350MW電廠脫硫吸收塔主要設(shè)計(jì)資料如下表3-1。表3-1脫硫塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)單位數(shù)值吸收塔塔徑m13吸收塔塔高m10.2漿池區(qū)直徑m15.5漿池高度m10.6噴淋層數(shù)層4層間距m2每層噴嘴數(shù)個(gè)80除霧器間距m3平均漿液滴粒徑mm2表3-2煙氣中各組分占比組分單位數(shù)值N2Vol%80.541CO2Vol%13.888O2Vol%6.248SO2Vol%0.073H2OVol%7.143為簡(jiǎn)化計(jì)算建立以下假設(shè)：(1)漿液池區(qū)域設(shè)為靜態(tài)液面，其流體效應(yīng)微弱，故排除在計(jì)算域之外；(2)除霧器主要功能為清除煙氣液滴，對(duì)脫硫過(guò)程影響可忽略，且其幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致流場(chǎng)不可控因素較多，故除霧器及后續(xù)空間不列入計(jì)算范圍。經(jīng)優(yōu)化處理，研究區(qū)域限定于漿液池與除霧器間的擴(kuò)容均勻段，假設(shè)結(jié)構(gòu)件對(duì)流動(dòng)及溫度場(chǎng)影響可忽略。根據(jù)上述參數(shù)構(gòu)建的脫硫塔物理模型如圖3-1。(a)吸收塔空塔(b)噴淋層圖3-1吸收塔物理模型3.2網(wǎng)格劃分吸收塔三維模型搭建完成之后，用ICEM軟件執(zhí)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)整體模型特性，采取混合網(wǎng)格策略，主體部分使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散，針對(duì)復(fù)雜的噴淋層區(qū)域，做非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格局部加密，得到大約160萬(wàn)個(gè)量級(jí)的計(jì)算網(wǎng)格（見(jiàn)圖3-2）。圖3-2網(wǎng)格模型3.3基本假設(shè)由于塔內(nèi)涉及物理化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜，因此對(duì)吸收塔內(nèi)流動(dòng)做出以下假設(shè)：(1)塔壁面設(shè)定為絕熱邊界，無(wú)氣液相間熱交換；(2)煙氣按不可壓縮牛頓流體處理，密度設(shè)為常量；(3)忽略漿液顆粒碰撞聚并與流場(chǎng)間的雙向耦合效應(yīng)（DPM模型單向求解）；(4)排除漿液池對(duì)氣液兩相的干擾；(5)漿液按球形液滴自由沉降模型處理，忽略蒸發(fā)效應(yīng)。3.4初始條件與邊界條件根據(jù)脫硫系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)計(jì)資料，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得煙氣及漿液的初始條件如下表3-3所示。表3-3煙氣及漿液的初始條件參數(shù)單位數(shù)值吸收塔前煙氣量m3/h97142入口煙氣溫度℃90入口煙氣流速m/s15煙氣密度Kg/m31.129入口SO2濃度mg/m33050單層噴淋漿液流量m3/h4800噴淋漿液速度m/s3.5噴淋漿液溫度℃45漿液密度Kg/m31142模擬邊界條件設(shè)置如下：入口速度：垂直截面方向的速度入口類(lèi)型。出口條件：壓力出口類(lèi)型。噴淋層噴淋區(qū)域：采用DPM模型，模擬氣液兩相流動(dòng)。除霧器：多孔介質(zhì)條件。壁面條件：標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。收斂條件：收斂殘差<10-4。3.5模擬流程第二章與第三章通過(guò)CFD方法構(gòu)建脫硫塔模擬基礎(chǔ)框架，相關(guān)技術(shù)流程通過(guò)圖3-3具體呈現(xiàn)。圖3-3CFD工作流程3.6本章小結(jié)(1)本章以某電廠350MW機(jī)組配套脫硫噴淋塔為研究對(duì)象，基于實(shí)際塔型結(jié)構(gòu)參數(shù)及相關(guān)技術(shù)資料，對(duì)塔內(nèi)煙氣流動(dòng)特性進(jìn)行合理簡(jiǎn)化與假設(shè)建模。(2)構(gòu)建包含塔外形、進(jìn)出口煙道、四層噴淋層及除霧器等的三維計(jì)算域，采用結(jié)構(gòu)化-非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行空間離散化處理，規(guī)則區(qū)域（塔外形、煙道主體）采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)估，復(fù)雜結(jié)構(gòu)（噴嘴、除霧器）使用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格整體網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)標(biāo)，網(wǎng)格量達(dá)160萬(wàn)單元。(3)在數(shù)值模擬設(shè)置方面：煙氣側(cè)初始條件設(shè)定為入口流速15m/s、SO?濃度3050mg/m3；漿液系統(tǒng)采用平均粒徑0.002m的液滴群模型，噴淋速度為3.5m/s,在Fluent仿真環(huán)境中，邊界條件按以下規(guī)范設(shè)置：入口邊界采用速度入口定義初始流場(chǎng)參數(shù)，出口設(shè)定為壓力出口；液滴相物理屬性定義為離散液滴（DropletPhase），粒徑分布采用Rosin-Rammler函數(shù)進(jìn)行多分散性建模，完成上述參數(shù)配置后，將生成的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬求解。(4)在Fluent軟件中完成網(wǎng)格模型導(dǎo)入后，按如下流程進(jìn)行數(shù)值模擬設(shè)置：首先激活標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型用于模擬湍流流動(dòng)，同時(shí)啟用組分輸運(yùn)模型以追蹤SO?的擴(kuò)散過(guò)程，并耦合DPM離散相模型模擬顆粒相的運(yùn)動(dòng)與相互作用。求解器選用SIMPLE算法對(duì)壓力-速度耦合問(wèn)題進(jìn)行處理，采用二階迎風(fēng)格式以提高計(jì)算精度，設(shè)置收斂判據(jù)為各方程殘差均低于10??量級(jí)。可以輸出速度、壓力云圖以及SO?濃度圖，并對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。第四章吸收塔數(shù)值模擬結(jié)果與分析本章根據(jù)第三章設(shè)計(jì)參數(shù)，利用本章建立的仿真模型，在不同運(yùn)行參數(shù)輸入下進(jìn)行CFD模擬，得到脫硫塔內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)分布情況，對(duì)煙氣入口流速、噴嘴霧化速度以及噴淋層間距的配置情況進(jìn)行了變量分析，對(duì)比了各個(gè)工況下的流動(dòng)特性。4.1未加噴淋前的煙氣流場(chǎng)分布未加噴淋液滴前，通過(guò)CFD模擬得到煙氣速度場(chǎng)分析如圖4-1,圖4-2。圖4-1煙氣速度分布圖圖4-2煙氣壓力分布圖圖4-1縱切面速度云圖中可以看出塔內(nèi)煙氣的分布十分不均勻，一個(gè)大型的渦流結(jié)構(gòu)在入口正上方形成。脫硫塔右側(cè)形成突出的主流區(qū)，這個(gè)區(qū)域的流速基本保持在8~10m/s左右，經(jīng)過(guò)噴淋層后降到5m/s左右。而對(duì)應(yīng)的入口側(cè)左側(cè)則形成低速流動(dòng)區(qū)，速度值在2~4m/s之間。結(jié)合圖4-2壓力分布圖可以發(fā)現(xiàn)入口到第一層噴淋層間的壓降梯度非常明顯，入口正上方左側(cè)形成低壓區(qū)，這是由于高速煙氣進(jìn)入塔內(nèi)與壁面發(fā)生碰撞形成渦流，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非常大的能量耗散，因此渦流區(qū)的壓力會(huì)比外圍壓力低。4.2不同噴淋層間距分析4.2.1噴淋層不同間距下速度分布在保持塔體結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作條件恒定的前提下，采用參數(shù)化研究方法對(duì)噴淋層間距進(jìn)行調(diào)整分為1.8m、2.0m、2.2m三組工況，通過(guò)控制變量法開(kāi)展無(wú)噴淋液滴介入的純氣相CFD模擬。獲取脫硫塔各噴淋層上游斷面速度場(chǎng)分布，模擬結(jié)果詳見(jiàn)圖4-3、圖4-4、圖4-5。(a)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(c)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(b)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(d)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)圖4-3噴淋層間距設(shè)置為1.8m時(shí)各噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)分布(a)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(c)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(b)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(d)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)圖4-4噴淋層間距設(shè)置為2.0m時(shí)噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)分布(a)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(b)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(c)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(d)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)圖4-5噴淋層間距設(shè)置為2.2m時(shí)各噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)分布從上圖可以看出，不同噴淋層間距（1.8m，2.0m，2.2m）各層上游截面速度云圖均存在非均勻分布特點(diǎn)，速度值主要集中在3~5m/s之間，并且邊緣處速度出現(xiàn)突然增大情況，可能是由于壁面區(qū)域產(chǎn)生的不可壓縮流體邊界層效應(yīng)造成的：實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中流體受粘性作用影響，在近壁面區(qū)域形成速度梯度較大的薄層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粘性流體在邊界層內(nèi)流動(dòng)接近理想流體，在壁面附近及周邊區(qū)域則表現(xiàn)為典型的邊界層流動(dòng)。對(duì)比不同噴淋層間距速度場(chǎng)分布表明，2.2m間距時(shí)噴淋層上游截面速度均勻性最優(yōu)，而1.8m和2.0m間距的均勻性指標(biāo)相近且偏低。由于層間距壓縮導(dǎo)致噴淋層主、支管道間隙收窄，在交叉排列結(jié)構(gòu)下，氣流經(jīng)前層噴淋縫隙后未完成充分均流即進(jìn)入下層，隨著間距減小，層間氣流均布時(shí)間縮短，速度場(chǎng)均勻性呈下降趨勢(shì)。增大噴淋層間距有利于提高速度場(chǎng)的均勻性，最佳噴淋層間距為2.2m。分析1.8m間距工況下，從下至上各噴淋層上游截面最大速度分別為8.05m/s、6.97m/s、6.87m/s、4.92m/s，說(shuō)明隨噴淋層位置上升，塔內(nèi)煙氣速度峰值呈持續(xù)降低趨勢(shì)，體現(xiàn)煙氣動(dòng)能遞增性耗散，2.0m、2.2m層間距工況各噴淋層上游截面速度變化規(guī)律與1.8m工況保持一致。4.2.2噴淋層不同間距下壓力分布通過(guò)保持其他參數(shù)不變，將噴淋層間距設(shè)置為1.8m、2.0m與2.2m，基于CFD模擬獲取脫硫塔在未添加噴淋液滴條件下，脫硫塔入口至最后一層噴淋層壓力場(chǎng)分布，模擬結(jié)果詳見(jiàn)圖4-6。1.8m2.0m2.2m圖4-6縱切面壓力場(chǎng)分布從圖4-6可得，三種噴淋層間距下縱切面壓力差變化分別為：303Pa、283Pa、269Pa，壓力差隨著噴淋層之間間距的增大而減小。當(dāng)相鄰噴淋層間隔過(guò)小時(shí)，煙氣在穿越多層噴淋區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的流場(chǎng)畸變現(xiàn)象。由于層間空間受限，高速流動(dòng)的氣體在通過(guò)前層噴淋層后，其流線偏轉(zhuǎn)角度急劇增大，氣流未能完成均勻化，導(dǎo)致后續(xù)噴淋層區(qū)域的湍流強(qiáng)度顯著提升。數(shù)值模擬結(jié)果表明：噴淋層間距與系統(tǒng)壓降呈顯著負(fù)相關(guān)性，當(dāng)間距從1.8m增至2.2m時(shí)，氣相流場(chǎng)中湍流耗散強(qiáng)度降低，導(dǎo)致噴淋層間壓降梯度縮減。但實(shí)際工程中噴淋層配置數(shù)量至少需維持在3-4層方能滿足排放指標(biāo)，同時(shí)塔體高度需控制在合理經(jīng)濟(jì)區(qū)間以防止建設(shè)成本增長(zhǎng)。4.3噴嘴不同液滴噴出速度下分析在進(jìn)口煙氣15m/s恒定工況下，通過(guò)設(shè)定方案一（2.5m/s）、方案二（3.5m/s）、方案三（4.5m/s）三檔噴嘴液滴速度開(kāi)展數(shù)值模擬，獲取脫硫塔內(nèi)速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)分布規(guī)律，設(shè)置三組工況對(duì)比分析。通過(guò)CFD數(shù)值模擬得到塔內(nèi)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和顆粒濃度場(chǎng)分布，分別截取第一、第三層噴淋層及縱切面如圖4-5。方案一方案二方案三(a)第一層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)(b)第三層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)方案一方案二方案三(c)第一層噴淋層上游橫截面壓力場(chǎng)(d)第三層噴淋層上游橫截面壓力場(chǎng)方案一方案二方案三縱切面速度場(chǎng)縱切面壓力場(chǎng)圖4-6在不同噴淋速度作用下的流場(chǎng)分布結(jié)果圖4-6速度場(chǎng)分布顯示，脫硫塔入口至末端噴淋層段隨噴淋液滴速度提升，噴淋層上游截面速度保持穩(wěn)定，表明塔內(nèi)氣流速度未受?chē)娏軈?shù)變化干擾。由圖4-6壓力分布可知，脫硫塔入口到末端噴淋層的壓力隨液滴速度增加而下降，但是下降程度不大，可能是液滴速度梯度設(shè)定過(guò)小以及塔內(nèi)氣流分布不均導(dǎo)致截面壓力不同。第三層噴淋層上游斷面壓力比第一層低很多，主要原因在于氣流經(jīng)過(guò)多層噴淋受到漿液沖擊阻力和管道阻力的影響，氣動(dòng)動(dòng)能衰減和壓力損失增加。圖4-6縱切面顯示，脫硫塔入口到末端噴淋層的區(qū)段，速度場(chǎng)分布均勻性保持穩(wěn)定，整個(gè)截面氣流平均流速穩(wěn)定10.2m/s左右，與速度場(chǎng)數(shù)據(jù)相契合；對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)壓差隨著液滴噴射速度提高呈現(xiàn)階梯式下降，因?yàn)橐旱蝿?dòng)能增大導(dǎo)致氣液相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度下降，減小湍流耗散作用而減少流動(dòng)阻力，這個(gè)規(guī)律也與壓力場(chǎng)模擬結(jié)果一致。通過(guò)三組液滴噴射速度參數(shù)的對(duì)比模擬，獲得脫硫塔內(nèi)SO2去除效率變化規(guī)律，仿真結(jié)果如圖4-7所示：（a）2.5m/s(b)3.5m/s(c)4.5m/s圖4-7不同噴淋速度下SO2濃度圖由圖4–6不同噴淋速度下SO2濃度圖可以計(jì)算出，三組噴淋速度對(duì)應(yīng)的脫硫效率分別為89.5%，94.7%，96.5%。噴淋速度遞增使煙氣-漿液相對(duì)速度下降，托盤(pán)上方未穿透噴淋層的煙氣SO2就被下噴漿液捕獲，SO2濃度大幅下降，噴淋系統(tǒng)對(duì)氣流的整流效應(yīng)強(qiáng)化。我國(guó)燃煤機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰時(shí)，鍋爐負(fù)荷頻繁調(diào)節(jié)，使脫硫系統(tǒng)入口煙氣流量出現(xiàn)波動(dòng)，煙氣流速升高但噴淋液滴流量不變的情況下，氣液相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增大，液滴夾帶現(xiàn)象加重，脫硫效率隨之下降，此時(shí)提升噴淋層供液量可以降低氣液相對(duì)速度，抑制塔內(nèi)湍流擴(kuò)散效應(yīng)，改善吸收反應(yīng)條件，提高脫硫系統(tǒng)運(yùn)行效率。第五章結(jié)論與展望第五章結(jié)論與展望5.1結(jié)論本研究對(duì)350MW機(jī)組濕法脫硫吸收塔展開(kāi)流場(chǎng)數(shù)值模擬，借助結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格耦合技術(shù)創(chuàng)建計(jì)算域，用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)描述氣相湍流特性，依照雙膜理論創(chuàng)建SO2吸收動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合Simple算法算出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行工況下的氣液兩相流場(chǎng)分布特點(diǎn)，得到以下研究成果：(1)未加噴淋狀況下，噴淋層間距從1.80m增大到2.20m時(shí)，吸收塔各層噴淋層上游橫截面速度場(chǎng)的均勻性得到明顯改善，塔體入口至末端噴淋層X(jué)=0縱切面壓降從303Pa依次下降到283Pa、269Pa，經(jīng)綜合分析，2.20m為噴淋層最佳布置間距。(2)噴淋系統(tǒng)作用下脫硫塔內(nèi)噴嘴速度呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，三層噴淋速度分別為2.5m/s、3.5m/s、4.5m/s時(shí)，X=0縱切面自入口至末端噴淋層區(qū)域煙氣速度保持不變，均值維持在10.2m/s。研究發(fā)現(xiàn)：塔體壓降隨噴淋速度增大呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，脫硫效率隨噴淋速度升高而降低，工程中需要合理控制液滴流量參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)降低煙氣阻力和提高脫硫效能的協(xié)同控制。（3）采用CFD數(shù)值模擬分析脫硫噴淋塔內(nèi)部流動(dòng)特性，可直觀呈現(xiàn)塔內(nèi)煙氣速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布特征及脫硫效率，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)調(diào)控提供依據(jù)。該技術(shù)通過(guò)流場(chǎng)可視化能夠有效指導(dǎo)噴淋層布局優(yōu)化、噴淋速度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的參數(shù)配置，提升脫硫裝置運(yùn)行效率。5.2展望本研究采用Fluent軟件對(duì)某電廠350MW噴淋脫硫塔內(nèi)部流場(chǎng)開(kāi)展數(shù)值模擬分析，獲取了具有工程應(yīng)用價(jià)值的參考結(jié)論。但由于本課題的復(fù)雜性，本次數(shù)值模擬工作中仍然存在一些不足和需要改進(jìn)的地方，這些工作會(huì)在以后的學(xué)習(xí)研究中不斷完善，主要包括：（1）針對(duì)WFGD脫硫系統(tǒng)吸收塔和煙道的具體結(jié)構(gòu)和布置,在不影響計(jì)算結(jié)果和計(jì)算要求下使用精度更高的簡(jiǎn)化模型，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格數(shù)可以繼續(xù)加密使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。（2）脫硫塔進(jìn)口煙氣側(cè)，可以加上管道使進(jìn)入脫硫塔的煙氣流動(dòng)穩(wěn)定，使得到的模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。（3）本文利用Fluent軟件研究了噴淋層液滴速度對(duì)流場(chǎng)分布的影響，并且圍繞噴嘴的幾何參數(shù)及布置數(shù)量仍需進(jìn)一步研究，以便找到最優(yōu)的噴嘴結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)喬民，楊在雄.淺析燃煤電廠脫硫技術(shù)[J].黑龍江科技信息，2011，28:74~74.郝吉明.中國(guó)燃煤二氧化硫污染控制戰(zhàn)略與政策煙氣脫硫技術(shù)講座,杭州.2005年1月張龍飛,林朝扶,范華等.石灰石—石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化探討[J].廣西電力,2015,38(4):75-77李偉偉，宋獻(xiàn)，張立棟等．脫硫塔流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及速度不均勻度分析［J］．潔凈煤技術(shù)，2022，28(5)：152－159．武春錦,呂武華,梅毅等.濕法煙氣脫硫技術(shù)及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析[J].化工進(jìn)展,2015,34(12):4368-4374UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency(USEPA).ControllingSO2emissions:areviewoftechnologies.EPA/600/R-00/093;2000姜樹(shù)偉,秦翠娟,盧作基.濕式氨法煙氣脫硫技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)性分析[J].能源工程,2013(02):59-62ZhongY,GaoX,HuoW,etal.Amodelforperformanceoptimizationofwetfluegas