均匀进气喷嘴塔数值分析.pdf

装备制造技术 2023 年第 7 期0引 言湿法脱硫是当今化工行业中最有效的烟气脱硫方法，具有脱硫效率高、技术成熟、运行稳定等优点。喷淋脱硫塔是湿法脱硫的核心设备，在脱硫塔内入口烟气中的与喷淋层喷出的石灰石浆液通过气液反应以实现 SO2的脱除。脱硫塔内烟气分布的均匀性是保持脱硫效率的一个关键因素。进气装置是脱硫塔的重要组成部分，直接影响着脱硫塔内部气体分布均匀性。王旭等1对三种不同入口位置的喷淋塔内部两相流场进行了数值模拟，对喷淋塔入口位置的改进设计有一定参考价值；肖国俊2针对脱硫塔的进气角度进行了脱硫塔内部流场的模拟，得出了不同角度下气体的分布情况。研究脱硫塔进气装置对塔内流场的影响已成为当前一项重要课题。雾化进气喷嘴是决定喷雾质量的关键因素，对脱硫效率有重大影响，因此合理的喷嘴选型对于脱硫塔的运行效率至关重要。目前市面上较为常见的进气喷嘴分为压力式、撞击式、旋转式、静电雾化式等。而在湿法烟气脱硫中使用较为普遍的是压力式进气喷嘴，结构简单且维修方便。压力式的进气喷嘴通过将压力势能转化为动能，加速流经喷嘴的流体，高速运动的流体会在空气中形成液膜，随后与空气产生剪切作用，液膜破碎成小水滴从而实现雾化3。几种常见的压力式进气喷嘴雾化性能见表 1。综合国内进气喷嘴装置应用研究现状，对脱硫塔的进气喷嘴进行结构设计，并利用 CFD 数值模拟方法与已有空心锥进气喷嘴装置进行气体分布模拟对比，对设计的均匀进气喷嘴装置合理性进行了对比验证4。1均匀进气喷嘴方案设计均匀进气喷嘴装置如图 1 所示，主要包括进气管1、支座 2、扩管 3、连接件 4、分布管 7 组成。主进气管焊接在分布管上，分布管为圆环管状。烟气在进入脱硫塔后，其进气路线碰撞后形成一个环形区域 5。扩管与塔壁 6 贴合，分布管内环与扩管通过连接件连接。内环、连接件、扩管之间通过法兰连接。支座结构，均匀进气喷嘴塔数值分析庄绕林1，吴成强2，李乡鹏2，王在良1（1.江苏科圣化工机械有限公司，江苏 淮安 223003；2.淮阴工学院，江苏省先进制造技术重点实验室，江苏 淮安 223003）摘要：进气喷嘴装置是影响脱硫塔内部气体分布均匀性的重要结构，气体分布越均匀，脱硫效率越高。设计出一种均匀进气喷嘴塔，并利用 Fluent 软件将均匀进气喷嘴塔与空心锥进气喷嘴塔内部三维流场进行了数值模拟。结果表明：均匀进气喷嘴塔内气体流动比空心锥进气喷嘴塔平稳，无大波动，且相同高度截面上的 E 值小于空心锥进气喷嘴塔。根据 E=0.5 来判断，均匀进气喷嘴塔内气体均匀度约在 Y=1.5 m 的高度达到标准，进而推断得出均匀进气喷嘴塔比空心锥进气喷嘴塔材料节省 25%。关键词：均匀进气喷嘴塔；空心锥进气喷嘴塔；E 值中图分类号：TQ413.2文献标志码：A文章编号：1672-545X（2023）07-0067-04收稿日期：2023-03-11第一作者：庄绕林（1975-），男，江苏泗阳人，高级工程师，研究方向：机械设计及其自动化.表 1四种常见压力式进气喷嘴的雾化性能比较进气喷嘴类型雾化粒径雾化场形状雾化角螺旋进气喷嘴雾化粒径最小，在 0.1 耀 0援5MPa的液压范围内，雾化粒径范围大致 200耀600滋m，最小可达到204滋m，粒径分布均匀实心锥，液滴分布紧密雾化角较大，可达到 105毅左右实心锥进气喷嘴雾化粒径较大，范围在 1700 耀2100滋m 之间，粒径分布均匀实心锥雾化角随压力的增大而增大空心锥进气喷嘴雾化粒径较小，范围在 1100 耀1900滋m 之间，虽然雾化效果较好，但是粒径随压力变化较大，稳定性不好空心锥雾化角较小，在 50毅左右，但是较为稳定，变化不大扇形进气喷嘴雾化粒径最大，范围 1800 耀2200滋m，由于并非所有液滴都是空气切割而成，所以雾化粒径分布均匀性很差梭状液膜呈扇形，110毅左右，扩散范围大67Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023支座由上下固定环及支撑台组成。两个固定环组成圆的直径等于分布管的直径，两端设置通孔，用螺栓来紧固。均匀进气喷嘴装置工作原理如下：烟气从进气主管进入分布管，并沿着分布管流向四周。随后，扩散的烟气从内环的分口，经连接件流动到各扩管，最终进入脱硫塔内部。脱硫塔内，烟气经碰撞后形成一个圆形区域，为汇流区；扩管内侧的烟气均匀充斥满汇流区。最后，所有烟气沿塔高方向流动。2空心锥与均匀进气喷嘴塔物理模型的建立2.1 物理模型进气装置对塔内流场的分布情况的影响。在模拟过程中，忽略塔内浆液池、除雾区，喷淋段用多孔介质等效替代。由于烟气从塔底侧向进入，从塔顶直接排出，运用 Solidworks 软件建立了常规进气塔和均匀进气塔的模型，如图 2 所示，（a）为空心锥进气喷嘴塔模型，（b）为均匀进气喷嘴塔模型，由下而上可分为进气区、多孔介质区以及直排区。除进气装置外，塔体的所有结构尺寸都相同。2.2 边界条件的设置采用速度进口边界条件，速度入口方向与进气管截面垂直。所用模拟气体为空气，考虑重力的影响。两塔多孔介质区阻力系数设置为相同，且多孔介质区采用各向同性。出口采用压力出口边界条件。2.3 速度均匀性评判标准为了对比两塔内部空气分布的均匀性，采用的评判标准为：E 越1nni=1移Vi-VaVa蓸蔀2蓘蓡12（1）其中，Vi是为各选取点的速度，Va是各点之间的平均速度，n 为选取点的个数。测点个数的选取如图 3 所示：在塔内圆形截面上从内至外取四个圆，每两圆的直径差为恒定值。取最大圆的三条直径，将圆分为等面积六个扇形，取点为直线与各圆的交点，共计 25 个点。3模拟结果分析3.1 空心锥进气喷嘴塔模拟结果分析肖国俊对脱硫喷淋塔烟气入口角度做了多个角度的改变并进行大量实验模拟，模拟结果如图 4 塔内流线场和图 5、图 6 速度场云图。由图可以看出塔内气体的分布均匀度与进气口角度的关系，与空心锥进气喷嘴塔仿真图 7 流线场度和图 8 速度云图基本吻合，验证了本仿真的有效性。模拟时，入口速度为 4 对应实际工况中的烟气进入的速度，多孔介质区黏性阻力系数设置为、惯性阻力系数设置为 对应喷淋段对塔内烟气的均匀度的影响。图 4 为空心锥进气喷嘴塔内部速气体流线图。图5 为空心锥进气喷嘴塔多孔介质区入口处截面的速度分布云图。（a）空心锥进气喷嘴塔模型（b）均匀进气喷嘴塔模型图 2两种塔三维模型图图 3截面测点位置图图 4入口角分别为 11毅、14毅、18毅、22毅、25毅时塔内纵剖面 A-A 流线图2图 1均气匀进喷嘴装置截面图1.进气管2.支座3.扩管4.连接件5.环形区域6 塔壁7 分布管476153268装备制造技术 2023 年第 7 期如图 7 气体进入塔内时，进气装置中的气速出现很明显的分层：从上而下气体速度依次降低。进入塔内后，由于进气口斜向下倾斜的缘故，一部分气体会与塔底发生接触碰撞，随后折流向塔内右侧部分。从图 7 中可以很明显地发现，塔内左侧空间与右侧空间气速出现很明显的差值。左侧空间速度大都保持在（0，1.56区间内，而右侧空间气速维持在1.56，6.241区间内，这表明了塔内速度分布均匀性较低。而在靠近多孔介质区域的空间，右侧气体发生了回流，与左侧气体混合后，产生涡流，这就更加使得气体流动混乱。如图8 所示，整个截面几乎从左至右出现速度断层。其中，截面中央区域被3.121，4.681区间占据，紧接的外层被1.56，6.241区间占据，边缘一小块区域气速最低。为了更具体准确地显示出塔内各截面速度分布均匀性（以下称 E 值），截取截面，进行 E 值计算。图 9常规进气塔 E 值随塔高变化图。从图中，可以发现 E值随着塔高逐渐表小，表明气体在塔内的分布随着高度的增加越来越均匀。在多孔介质区域（Y=2.0 2.5），E 值有个骤降过程，随后 E 值趋向平稳。若以 E=0.15 为气体分布均匀与否的评判标准，则空心锥进气喷嘴塔的合格区为多孔介质区及其以上部分，说明未至多孔介质区前气体处于混乱状态，塔内气体均匀度有待提高。3.2 均匀进气喷嘴塔模拟结果分析由上文所得空心锥进气喷嘴塔仿真有效性可得所设置的条件有效，在此条件下，改为均匀进气喷嘴塔的仿真模拟得出的结论具有有效性。图 10 中为均匀进气喷嘴塔内气体流线图。图 10为均匀进气喷嘴塔多孔介质区入口截面速度分布云图。如图 10 所示，各股气体在塔内汇流后一起上升，且塔内各处气速大多处于一个速度区间内。由流线图可知，气体在上升过程中未发生回流、涡流，总体趋势较为平稳，无大波动。图 11 为多孔介质入口截面速度分布云图，在此截面上，85%以上的区域气速处于0.4398，0.8796（m）区间内，只有边缘一小部分区域图 5入口角分别为 11毅、14毅、18毅、22毅、25毅时塔内 18m 处横截面的气流速度分布2图 7空心锥进气喷嘴塔气体流线图图 9空心锥进气喷嘴塔 E 值随塔高变化图0.30.250.20.150.10.05000.511.522.533.5塔高 Y/m图 8空心锥进气喷嘴塔多孔介质区入口截面速度分布云图VelocityContour11.560e+0011.404e+0011.248e+0011.092e+0019.362e+0017.802e+0006.241e+0004.681e+0003.121e+0001.560e+0000.000e+000m s-1图 6入口角分别为 11毅、14毅、18毅、22毅、25毅时塔内 18m 处横截面与纵剖面 A 一 A 交线上的气流速度分布2line-11line-14line-18line-22line-25-8-6-4-2024683.50e+003.00e+002.50e+002.00e+001.50e+001.00e+005.00e-010.00e+0069Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023气速处于其他区间。可以预见的是，此截面的 E 值已经达到均匀标准。也就是说，均匀进气装置在经过多孔介质区域之前就已达到气体分布标准。图 12 为均匀进气喷嘴塔 E 值随塔高变化图，对比图 9，均匀进气喷嘴塔内 E 值总体比常规进气塔小。也就是说，在相同塔高截面，均匀进气喷嘴塔内气体分布优于常规进气塔。根据 E=0.15 来判断，塔内气体均匀度约在 Y=1.5 m 的高度达到标准，不用经过多孔介质的作用便能达到平衡。因此，对比得出，均匀进气装置对塔内气体的分布作用优于空心锥进气喷嘴塔进气装置。3.3 空心锥与均匀进气喷嘴塔 E 值与塔高关系对比表 2 为空心锥与均匀进气喷嘴塔 E 值与塔高关系，空心锥进气喷嘴塔塔高为 22.5 m 时达到标准 E值，均匀进气喷嘴塔塔高为 1.5 m 时达到标准 E 值，均匀进气喷嘴塔比空心锥进气喷嘴塔材料节省 25%。4结 语利用 Fluent 软件，针对空心锥进气喷嘴塔和均匀进气喷嘴塔内部三维流场进行了模拟，得出以下结论：均匀进气喷嘴塔内气体分布优于空心锥进气喷嘴塔，塔内未发生汇流、涡流等状况，气体整体流动较为平稳，无大波动。在塔内相同高度截面，均匀进气喷嘴塔 E 值低于空心锥进气喷嘴塔 50%，进气更为均匀，塔内气体在流入多孔介质前就能达到均匀度标准。根据 E=0.15 来判断，均匀进气喷嘴塔内气体均匀度约在 Y=1.5 m 的高度达到标准，不用经过多孔介质的作用便能达到平衡，进而推断得出均匀进气喷嘴塔比空心锥进气喷嘴塔材料节省 25%。参考文献：1 王旭，陈鸿伟.入口位置对喷淋塔流场影响的数值模拟J.安徽理工大学学报（自然科学版），2009，29（3）：40-43.2 肖国俊.湿法脱硫喷淋塔烟气入口角度优化数值模拟J.电站辅机，2007（1）：18-21.3 刘定平，李史栋援4 种脱硫喷嘴雾化特性对比试验J.流体机械，2013，41（4）：1-6援4 陈林凤，冯清付，江振飞，等.基于 fluent 乙酸变径精馏塔的数值模拟J.装备制造技术，2019（3）：67-71.图 10均匀进气喷嘴塔气体分布流线图表 2空心锥与均匀进气喷嘴塔 E 值与塔高关系表类型空心锥进气喷嘴塔均匀进气喷嘴塔标准 E 值0.150.15塔高/m22.51.5图 12均匀进气喷嘴塔内 E 值随塔高变化图0.250.20.150.10.05001234塔高 Y/m图 11均匀进气喷嘴塔多孔介质区入口截面速度分布云图Velocity in Stn FrameContour14.398e+0003.958e+0003.518e+0003.079e+0002.639e+0002.199e+0001.759e+0001.319e+0008.796e-0014.398e-0010.000e+000m s-170