燃煤火力发电是我国主要的发电方式，但其排放的大量SO₂已造成了严重的大气环境污染。新颁布的“火电厂大气污染排放标准”明确要求新上燃煤机组均需配套安装烟气脱硫脱硫。目前湿法脱硫工艺是国内外烟气脱硫的主流工艺。湿法烟气脱硫工艺中吸收塔设备主要是喷淋塔，这是因为相对于其它吸收装置，喷淋塔除了脱硫效率高外，还具有压降小，内构件相对较少，不易结垢等优点。

国内外对烟气脱硫塔进行了大量的研究，主要采用实验方法，如研究塔的阻力特性、液滴运动速度沿塔高变化 ^[1]，TCA塔内温度场分布^[2] 等，这些研究对指导工业应用具有重要意义，但其实验结果往往只能针对特定的设备或结构，具有较大的局限性。随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamic）已成为研究三维流动的重要手段^[3]，国内外有多位学者采用数值模拟的方法对实验装置的流场进行模拟^[4,5]，从计算结果与实验结果对比看，数值模拟无论在时间和精度上均有优势，但目前国内对脱硫塔所进行的数值模拟还多陷于实验室规模的脱硫塔上，并且这些数值模拟大多为二维的冷态流动；而国外学者的研究主要集中在对脱硫机理方面^[6,7]，很少有针对大型脱硫塔进行流场模拟研究。

FLUENT软件是一个重要的计算流体力学（CFD）软件之一。V. V. Ranada等（2001）使用Fluent软件模拟浅床鼓泡柱反应器的瞬间流动 ^[8]。S.Benyahia等（2000）利用Fluent软件来模拟循环流化床内悬浮空间的气固流动^[9]。O. Triedch等（2001）将Fluent软件用于管路和扩压管中对逆向气-固流动进行模拟^[10]。清华大学杨玟等（2001）采用FLUENT软件中的欧拉-拉氏大涡模型研究了鼓泡床内气液两相湍流流动 ^[11]，西安交通大学顾正萌等人（2002）运用FLUENT软件对DFT3－12型滤筒除尘器内部紊流气固两相流动进行了数值模拟 ^[12]。迄今，尚未有利用Fluent软件进行烟气脱硫喷淋塔数值模拟方面公开的文献报道。本文以FLUENT6.1软件为骨架，采用混合网格和随机颗粒生成模型，对某电厂20万千瓦机组的烟气脱硫喷淋塔的热态流场进行了数值模拟，并对系统压力损失进行了较为详细的分析评价。在此基础上，进行了对脱硫塔优化设计计算。

2 CFD模拟

2.1物理模型

烟气脱硫喷淋塔如图1所示。脱硫塔高27.1m，直径11.5m，塔下部7.6m以下部分为蓄液池。入口烟道截面为正方型，边长5.1m。烟气从入口经过两次转弯后进入一扩张段，再进入脱硫塔中；出口烟道截面为矩形，边长为11m×5.1m，在出口烟道距塔中心6.5m处取为出口截面。在塔内部用一高23.12m的竖板将塔分为喷淋区和非喷淋区两部分，竖板顺烟道来流方向，距塔中心2.4m，板下部没入蓄液池中。在喷淋区内17.7m、20.2m和22.7m三个不同高度上分别布置了喷淋管，管上共有螺旋式喷嘴113个，采用同高度均匀布置，不同高度错开布置的设计。

由于喷嘴的存在，无法在计算三维实体上生成网格，因此将其略去。另外在计算中不考虑蓄液池部分，因此也将其省略。在实际设计中，脱硫塔后紧接着除雾器，因此，流体在塔出口处变化很剧烈，在本模型中，将出口部分在原来的基础上延长到20m，使流体在出口处达到较均匀的理想状态，在相应位置取截面作为实际设计中的出口截面。

2.2 计算网格划分

网格划分是否合理不仅影响计算时间，还将影响计算精度。在本模型中，采用混合网格技术对计算模型进行网格划分。将脱硫塔划分成几个相连接的部分，对其中方形烟道和塔内无构件的部分采用六面体结构化网格，其他拐弯连接部分和含喷淋管的塔层采用楔形非结构化网格，这样可以利用规则网格计算速度快、精度高的优点，同时也可以利用不规则网格适应性好的长处。为保证计算精度，关键位置网格数不少于3个，考虑到计算空间较大且换热主要发生在气液间，故未在近壁处增加附面层，总网格数约为10⁶个，如图2所示。

2.3 液滴模型

 该厂实际使用的浆液喷嘴为螺旋式喷嘴，对于此类喷嘴，目前尚无成熟的计算方法。在本计算中，考虑到液滴形成的随机性，采用均匀随机模型确定喷嘴范围内形成的颗粒中心的初始坐标。取喷嘴面中心点为原点，喷嘴半径为R，假设液滴在刚刚脱离喷嘴时形成，对喷嘴面上的xy坐标，采用均匀随机模型确定，使其满足平面|r|≤R；采用高斯随机模型确定颗粒的粒径（由实验得到颗粒平均粒径为0.0021m），其密度分布函数见式(1)。

                                       （1）

式中，σ为方差，μ为均值，x为粒径。

假定液滴初始速度方向与其位置向量一致，液滴运动采用基于拉格朗日算法的DPM模型，在计算中认为液滴遇到边界即中止计算，忽略液滴之间聚并和破碎。为补偿液滴在边界上形成液膜而产生的蒸发，在边界上设立水份固定百分比。考虑到在计算中对计算机资源的需求，本模型中的液滴初始位置可以先行计算，将结果再导入流场计算中进行最终计算。

2.4数值方法

			将雷诺平均的Navier-Stocks方程作为控制方程，湍流模型为标准k-e方程，采用二阶精度上风格式，压力选用SIMPLEC算法，近壁面处进行壁面函数修正；基于微元建立能量方程和组分方程（仅考虑水蒸气和空气），对以上方程进行基于微元中心有限体积元离散，进行迭代求解，其收敛条件为能量方程<10-6，其它为<10-3。计算流程如图3所示。 2.5 计算条件 计算条件如下：烟气流量：997,458Nm3/h， 温度：110.3℃，浆液流量：13,965 m3/h，温度为45℃；液滴平均粒径为：0.0021m，粒径变动范围为：0.0012～0.003m。边界条件如下：塔及烟道外壁为绝热边界，喷淋管外壁温度为浆液温度。采用速度入口，湍流强度由式（2）计算：          （2） 式中 I为湍流强度，Re为雷诺数。 计算采用单AMD ATHLON 2600＋ CPU ，1.5G内存，约200小时收敛。

图3 计算流程图

3 计算结果与讨论

为描述方便起见，图4中为塔内各个截面示意图。

图4中截面1和截面2分别为塔中心处正对烟气入口来流方向截面（图中示为垂直y向）和入口烟道中心处正对出口烟气去流方向的竖直截面（垂直x方向）。截面3、4、5、6、7、8分别为塔高9.1m 、14.2m、11.65m、17.7m、20.2m和22.7m位置水平截面。

3.1 液滴对烟气流场的影响

由图5可以看出，在未加喷淋时，烟气进入塔内其高速区在穿过塔中心面达到了最下层喷淋管，在脱硫塔入口到蓄液池之间的部分有气流回旋现象，这是由于高速烟气从入口进入塔内后，部分烟气撞到正对来流塔壁后产生向下的速度，这股向下的气流在塔壁、液面的约束下形成边界为塔壁、液面和高速烟气区下界组成的脱硫塔下部回流区；而在有液滴喷淋的脱硫塔中，烟气进入塔后其高速区迅速收缩，其高速区到不了同高度上的塔中心处，但在塔的入口与蓄液池液面间高度层上仍然存在烟气回流区，与未喷淋时回流区相比，其规模要小，强度要弱，这是由于液滴下减小了烟气的动能。高速烟气进入塔内后，在液

滴的强扰动下，速度迅速下降，一部分烟气在液滴的作用下其方向转向蓄液池液面，进而在液面、进口侧塔壁和高速烟气的作用下形成回流区，因此在液滴喷淋下形成的漩涡与没有液滴喷淋下形成的漩涡有本质的不同；由于在有喷淋状态下，入口烟气被迅速减速，因此其能量被液滴的粘性所耗散，高速气流对下部的回流区作用减小，所以此时形成的漩涡在规模和漩流程度上均比在未喷淋时形成的漩涡要小。

在有喷淋的脱硫塔内，烟气在进入塔内后，向两侧分成两股前进，中间有一个低速区，在两个高速区与低速区之间有漩涡存在，而在无喷淋的脱硫塔内则无此现象。可以认为，在有喷淋的塔内，靠近塔壁附近的液滴量比同水平面塔中心处少，因此对烟气的作用相对要小，结果在同水平面上形成烟气在两侧高中间低的流场。

在无液滴喷淋的脱硫塔内喷淋管区域流场中，烟气流速在同一层面上仍然保持较大的差异，主要为靠近竖直挡板附近烟气流速低，而靠近塔壁附近到喷淋区中心位置之间速度高，但总体上这种差异程度要比喷淋管下层区域中同截面的流速差小，见图6。一方面高速烟气在到达最下层喷淋管过程中，由于高速烟气流通截面的扩张造成烟气速度的下降，另一方面是由于喷淋管对烟气产生扰动使高速烟气速度下降。在没有喷淋的脱硫塔内由于挡板的存在，上升烟气再一次产生分离，部分烟气在挡板、塔壁和高速烟气区之间形成另一个回流区；而在有液滴喷淋的脱硫塔中，烟气在此区域内流场趋于均匀，仅在喷淋管附近的流场有一些变化，在塔内无液滴喷淋时流场中出现的回流区此时消失；因此可以看出液滴对塔内喷淋区流场有强烈的整流作用。而喷淋管的存在对烟气流也有一定的均化作用。

在竖直挡板另外一面的非喷淋区流场中，由于通流截面的缩小，烟气流速增大，当喷淋区无液滴喷淋时，可以看出其流场相对出口管道中心不对称的，偏向一面，因此可以推断烟气在喷淋区中，其流场均匀度不好；而在有液滴喷淋时，烟气流场相对于出口管道中心对称，说明烟气在喷淋区中流场基本达到均匀。

3.2 脱硫塔入口流场分析

图7为截面3、4和截面5处烟气速度矢量图。截面3为入口底部截面，其烟气流速很低，在靠近塔壁和竖直挡板附近速度稍高，靠近入口处有两个小的回流区；截面4为入口处中层位置部分烟道和塔内的水平截面，烟气在该截面上的入口速度较低，但其衰减较慢，其影响可以达到正对的脱硫塔壁面，其速度分布类似截面5，但位置朝竖直挡板偏移了一点；截面5为入口处上层位置部分烟道和塔内的水平截面，烟气在该截面上进口处速度很高，且速度分布为沿进口截面中间低两边高，且高速区中大小也不同。比较三个截面流场可以看出，烟气沿烟道进入塔内的流场并不均匀，呈现沿烟道顶部速度高，烟道中部速度低，而底部甚至出现塔内烟气倒流的现象。出现这种速度分布的原因在于：烟道在进入脱硫塔之前经过多次拐弯，其方向变化很大，烟气在管道壁面的约束下流动方向不断改变，从而引起烟道截面上烟气流速不均匀；另外，烟道在进入脱硫塔之前，还有一段扩张部分，使烟气低速区速度再次下降，从而引发塔内烟气回流到入口烟道中。从截面4和截面5中还可以发现，液滴对高速气流的作用比对低速气流的作用要显著得多。

3.3 脱硫塔压力分布

图8为截面1和截面2处烟气全压等压线分布图，单位为Pa。由图8可以看出：在脱硫塔进口处，等压线弯曲比较厉害，压力在同一平面不同位置上变化比较显著，而沿塔高度上升其它位置等压线呈水平线分布，说明压力变化主要是沿高度方向，在经过喷淋管之前，烟气的压降比较缓慢，而经过第一层喷淋管后，烟气压力下降较大，随后压降变化又变得均匀了。

截面1                                    截面2 图8全压等压线分布示意图

3.4脱硫塔内温度分布

图9为脱硫塔内截面1和截面2位置处温度分布图，单位为K。由于SO₂溶解于水的过程为放热过程，脱硫塔内温度对脱硫效率有较大影响，过高的塔内温度将降低脱硫效率，从而影响使用效果。由于气液接触为逆流方式，传热速度快，同时浆液的比热容远高于烟气，因此烟气温度下降很快。由图9可以看出：高温烟气在进入塔内后被迅速冷却，在到达第一层喷淋管之前就已经冷却到接近浆液温度的平均温度。脱硫塔出口烟气温度为320K(47℃)。

3.5 变负荷计算

为了了解不同烟气流量下塔内的流动情况，分别对流量分别为设计流量的100％、75％和50％时的情况进行了计算。

从图13可以看出，尽管烟气来流速度不同，在塔底部形成的漩涡大小却相差不大，但强度不同，这可以理解为烟气在不同速度下，液滴对气流的作用力不同，在烟气速度较高时，液滴对烟气的作用力大，其速度衰减快，而烟气速度低时，液滴对烟气作用力相对减小，由此引起的烟气速度衰减较小，因此其作用范围相对较高速度的烟气而言并不缩小。由截面2速度矢量图可以看出，在不同运行流速下，漩涡的位置是不同的，这是由于烟气来流动能强度不同造成的。

而由图14可以看出，除了速度的大小有所区别外，其流场形状变化基本不大。但从同一截面上烟气流速的差异来看，在喷淋区中低烟气来流速度时其流场中最高速度与最低速度的悬殊度要比高来流烟气速度的悬殊度要大。 当来流烟气量少时，由于烟气之间的作用相对较小，烟气的速度一致性较差，同时液滴对烟气的影响减弱，因此烟气中速度较高的部分烟气的速度变化较小，而当烟气流量较大时，烟气内部相互作用力较强，同时液滴对其中的高速部分的减弱作用贡献更大，因此造成的烟气速度一致性较好。

 

100%                     75%                      50% 图15 不同运行流量下截面2全压分布图

由图15可以看出，在不同来流状态下，压力分布有较大差异，这种差异主要体现在塔底部位置。在截面2上，等压线的分布与图14中的速度分布相对应，当烟气来流量较大时，不仅其动能大（由速度反映），其势能也较大（由压力反映）。在进入塔内后一段距离，烟气的部分动能传递给了液滴，也有部分动能转化为势能（压力能），使压力升高。而这种动能势能的转换需要一定距离来完成，因此，在截面1中，可以看到100％设计流量时，在塔喷淋区下部位置，等压线仍然曲折，这表示入口烟气的影响可以穿过截面1所表示的截面，而在75％和50％的设计烟气流量时，塔底部喷淋区的等压线很平坦。

3.6计算结果与设计值的比较

3.3 入口烟道改造后流场分析

根据对喷淋后脱硫塔内流场分析，发现塔内流场均匀化较好，但在塔入口处流场均匀程度不好，因此需对其进行改造。由于烟道拐弯较多，烟气流动方向变化较大，原来烟道中在拐弯处布置有导流板，但经计算后发现原有导流板设置可使烟道内烟气流场在沿流一定长度上均匀化，但不能使在进入脱硫塔前烟道流场达到较为均匀，因此采用延长导流板的方案进行改造设计，延长长度为从烟道斜管处开始至减温管结束，见图10。

在导流板延长后，烟气进入脱硫塔内的方向由改造前的水平进入变为往蓄液池液面方向，见图11，塔入口处烟气充满度变大，原来烟道中存在的与塔下部相连的大回流区几乎消失，在烟道底部和蓄液池上部与出口间存有两个很小的漩涡；在进入脱硫塔后，少部分烟气上升，大部分烟气进入入口下部区域，在塔内行程变长，增大了与浆液液滴的接触几率，有利于脱硫。图12为优化设计前后截面5和截面7的速度矢量图，由图中截面5可以看出，由于来流方向发生改变，入流烟气高速区出现在中间层面，原来烟气分层流动的现象减轻，烟气流场变得更加均匀； 从截面7可以看出，经过液滴的作用，烟气在喷淋区的流场在改造前与改造后差别很小，因此可以认为改造是合理的。

4 结论

   （1）采用混合网格技术对大型脱硫塔进行流场、温度场及组份场计算可以在较低的计算机硬件条件下进行；

（2）采用随机生成法确定颗粒初始位置也可以减轻对计算机配置的要求；

（3）在喷淋塔内烟气的动能损失主要发生在塔的进出口附近，因此改进进出口处烟道设计可以减小烟气能量损失；

（4）浆液液滴对塔内烟气流动具有强烈的整流作用，液滴对高速气流的作用比对低速气流的作用要显著得多。

（5）经过改造后烟气流场更加均匀，使烟气与液滴接触时间变长，有利于烟气脱硫。

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