复合喷动塔内蒸发特性的数值模拟与实验研究.pdf

复合喷动塔内蒸发特性的数值模拟与实验研究 ＊ 陈国庆 高继慧 龚泽儒 高建民 秦裕琨 哈尔滨工业大学燃烧工程研究所, 哈尔滨 150001 摘要 分析了描述喷动塔内气液流动、雾化、蒸发、碰壁的数学模型, 运用上述模型模拟脱硫塔内蒸发特性, 得到了入口 介质条件对塔内蒸发特性及液相水含量的影响, 通过与实验值比较验证了模型的可靠性。 模拟结果表明 液滴蒸发强 度呈现先升高后降低趋势, 在距离喷嘴300 mm处达到最大值; 在一、二级塔体交界处, 由于受多级喷动结构影响, 液滴 蒸发速率明显升高; 液滴截面质量流率沿塔体轴向逐渐降低, 在1 500 m处基本蒸发完毕; 蒸发强度与喷嘴雾化压力呈 非单调关系, 烟气温度和含湿量对一级塔内液态水含量有 3倍 ～ 5 倍的影响; 数值模拟结果与实验值基本一致, 可以 作为研究塔内液滴蒸发特性的有效工具。 关键词 截面蒸发速率; 蒸发特性; 复合喷动; 脱硫反应塔; 数值模拟 NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY ON EVAPORATION CHARACTERISTICS IN MULTI-SPOUTED BED ChenGuoqing Gao Jihui Gong Zeru Gao Jianmin Qin Yukun Institute of Combustion Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China Abstract The mathematic models of gas and droplet flow, droplet atomization, evaporation, and impingement were analysed.The evaporation characteristicswere gotunder differentmedium conditions, such as flue gas temperature, atomizationpressure and flue gas relative humidity. In order to validate the reliability of the models used, the experimentwas done. The simulation resultsindicate that evaporating intensity reaches its peak value in the area of 300 mm away from the sprayer.Due to the multi-spouted configuration, droplet concentration increases obviously in the intersecting region between the first and second reaction region.Droplet intersection massflow rate reduces along the axis, and droplets are completely evaporated at 1 500 mm away from the sprayer. The relation between the evaporation rate and atomization pressure is non -linear. The flue gas temperature and relative humidity can raise thewater volume by 3～ 5 times under the given conditions.The comparison between the numerical and experimental results demonstrates the availability of the model in predicting droplet evaporation. Keywords intersection evaporation rate;evaporation characteristics; multi-spouted bed; desulfurization tower; numerical simulation ＊国家“十一五”重点科技支撑计划项目 2006BAA01B04 ; 国家高技 术研究发展计划 2007AA05Z307 。 0 引言 复合喷动流态化烟气净化工艺是以烟气循环流 化床脱硫工艺为基础 ,着眼于将多种烟气污染物在低 温段实现联合脱除。在一级塔体液相稠密区 ,形成以 液相离子化学吸收为主的烟气净化过程 ,在二级塔体 形成以含湿固相颗粒的气固反应、物理吸附为主的烟 气净化过程 。研究发现 [ 1] ,液相的存在是 SO2吸收剂 脱除过程的关键控制步骤 ,包括一级反应塔体和二级 反应塔体入口段的气液主反应区段 SO2的脱除份额 占整个系统的 60以上 ,该区段的反应环境优化是 实现高效净化的关键 。因此, 深入了解脱硫塔内液滴 的分布特性 、 蒸发干燥特性对于优化脱硫工艺、提高 脱硫效率、降低运行成本具有重要意义。 近年来 ,通过实验手段对于脱硫塔内液滴蒸发特 性已做了大量的研究 [ 2- 5] ,但由于受到实验条件及测 量设备的限制, 以往的研究绝大部分都是以截面中心 温度分布表征液滴蒸发特性, 但受塔内液滴和流场分 布不均影响存在较大误差 。近年来 ,随着计算机技术 和流体力学的发展, 计算流体力学作为一种快捷经济 的工具来研究烟气脱硫装置内气液两相流动 、 传热和 传质特性得到了广泛的应用。本文以复合喷动流态 化烟气净化工艺热态实验台为模拟对象 ,建立浆液雾 79 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 化、 蒸发和传热 、 传质模型 ,得到实验无法得到的描述 液滴蒸发的参数值, 并将实验测得的数据与模拟结果 对照 ,验证所选模型的准确性 。 1 数学模型 1. 1 气相控制方程 在计算中, 将烟气作为连续相介质处理 ,在欧拉 坐标系中采用标准 κ - ε双方程模型 , 使用 SIMPLE 算 法求解。气相控制方程通用形式见式 1 ρ t div ρ U div Γ grad S 1 式中 通用变量 ; Γ 广义扩散系数; S 广义源项 。 1. 2 气液两相流模型 在模拟中, 将雾化液滴作为离散相处理 ,液滴在 烟气中运动时 ,受到气相曳力 、液滴自身重力 、Basset 力等共同作用, 在本文计算中只考虑曳力和重力。根 据牛顿第二定律可以得到液滴运动方程见式 2 dul dt FDu -ulg xρl-ρg ρ l 2 式中 FDug-ul 单位质量曳力 ; ug 气相速度 ; ρg 气相密度 ; ul 液滴速度 ; ρ l 液滴的密度。 1. 3 雾化模型 根据喷雾过程的发生和发展, 将雾化过程分为两 个子阶段 ,分别称一次雾化和二次雾化 。本文根据现 有理论对上述两个阶段分别采用线性不稳定液膜雾 化模型和 TAB 破碎模型求解液滴雾化过程 [ 6] 。 一次雾化 Taylor 认为雾化是由液膜的不稳定而 引起的。液滴从喷嘴喷出后形成液膜, 液膜表面受到 扰动产生波,且波长逐渐增加直至半个波长或整个波 长的液膜被撕裂形成线状液膜 ,然后在液体表面张力 的作用下收缩成液滴 。所以, 首先引起液膜不稳定波 动并导致液膜破碎的临界波长值是决定和影响雾化 液滴粒径的主要因素见式 3 λ cr2π 4μ l σ ρl βρ gug-ul 2 2 3 3 式中 σ 液滴表面张力; μl 液滴黏度 。当扰动波的波长小于该临 界波长时, 扰动波增长为负,波幅迅速衰减; 反之迅速 增加 。 二次雾化 采用泰勒类比模型来求解液滴的二次 破碎 ,将液滴的变形类比为在外力作用下的有阻尼弹性 变形,服从有阻尼强迫振动方程。并用无量纲位移 y 来 判断液滴是否破碎分裂。y 的数学表达式见式 4 y x Cbr 4 式中 x 实际液滴赤道与其为球形时赤道的两 者之间的变形位移; r 液滴的半径 ; Cb 经验常数, 通常取 0. 5。 其中当 y 1 时, 液滴发生破碎分裂 。对于无阻 尼液滴,若假设相对速度不变 ,通过对受迫、 有阻尼振 动控制方程的泰勒类比和无量纲化可以求解 y 见 式 5 y tWe e -t td y0-Weccos ω t 1 ω dy0 dt y 0-Wec td sin ω t e - t/ td 5 式中 y0y 0 ; WecWe 120; We ρ gu 2r σ ; ω 2 8σ ρlr 3-1 t 2 d ; 1 td 5μl 2ρlr 2。 分裂后的滴径与速度, 按 O Rourke 和 Amsden [ 7] 提出的分裂前后能量守恒求出 。 1. 4 蒸发模型 通过对液滴蒸发过程的适当简化 [ 7] ,根据质量守 恒定律,建立控制方程见式 6 G -4πρlr 2dr dt 6 其中 G 为蒸发速率。不计液滴内的导热过程, 则液 滴吸收的热量减去蒸发带走的热量等于液滴的比焓 增,即式 7 mwcp dTw dτ hAwTg-Tw-G r′ 7 式中 mw 液滴质量; cp 定压比热; h 换热系数; Aw 液滴表面积 ; r′ 汽化潜热; Tw 液滴表面温度; Tg 液滴周围空气温度。 根据式 6 和式 7 求出液滴蒸发时间 。式 7 中 80 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 的传质系数可以通过准则关联式求得 。对于具有相 对速度的液滴, 本文采用 Ranz 提出的经典准则关联 式求得 [ 9- 10] 。 2 物理模型及边界条件 2. 1 几何模型 本文的几何模型是以脱硫塔主体流动反应区域 及结构为原型。模型总体高度 H 3 500 mm, 一级塔 体为边长200 mm方形截面, 高度为1 100 mm; 二级塔 体边长为350 mm方形截面, 高度1 100 mm; 出口部分 为550 mm方 形截面, 高590 mm; 脱硫塔下 部为高 200 mm的文 丘里 , 喷 嘴布 置在 距 离文 丘里 出口 200 mm处。 2. 2 网格划分及边界条件 在划分网格的过程中 ,一方面考虑塔体整体结构 尺寸较大, 不可能将计算域的网格尺寸设置过小; 另 一方面为了消除液滴碰撞对网格的依赖性,准确模拟 雾化过程必须采用较小的网格尺寸 ,因此 ,本文采用 网格局部加密的方法解决上述问题。将喷嘴出口区 域200 mm以内及一级塔体壁面区域的网格划分得较 细,其他区域采用尺寸相对较大的六面体网格 。 入口烟气量为700 m 3 h ,雾化水质量为9 kg h, 雾 化颗粒以喷嘴中心为轴线, 在 40 的空间锥角内随机 分布, 雾化颗粒的 SMD 与试验工况基本吻合。在脱 硫塔壁面上取流体速度和相关紊流参数为零 ,用壁面 函数法处理边界层流场 。根据已有试验得到的壁面 温度分布规律, 使用自定义函数给出近壁面烟气温度 分布 。在计算液滴流场时 ,参照液滴在脱硫塔内碰壁 情况, 本文按照文献[ 11] 的边界处理方式, 采用液滴 粘壁模式 。 3 计算结果及讨论 为了定量准确表征液相沿反应塔轴向方向的分 布和蒸发特性, 定义了液滴截面质量流率 α 和截面 蒸发速率 υ , 即单位时间内 , 流过截面液滴的质量 和蒸发量 。 3. 1 反应塔内蒸发特性分析 图1 给出了液滴截面质量流率和截面蒸发速率 沿反应塔轴向方向上的变化, 由图 1 可见, 随着高度 的增加 ,截面蒸发速率呈先增加后降低的分布 ,在距 离喷嘴300 mm和1 200 mm处蒸发速率最大。分析原 因认为 蒸发初始阶段,喷嘴雾炬开始展开,气液混合 效果沿轴向高度趋于强烈和充分 , 同时烟气温度高, 水蒸气分压低, 气液传质驱动力大, 多种因素导致蒸 发强度变强 。当蒸发进行到一定程度,喷嘴初始形成 的大量细小雾滴蒸发完毕 ,由于受二次团聚和液滴惯 性的影响, 形成了一些大粒径液滴, 此时 ,进行蒸发的 液滴平均直径大于蒸发初始阶段。同时 ,该蒸发区域 的烟气温度降低 ,烟气相对湿度也较蒸发初始阶段明 显提高,几种因素综合导致塔内蒸发强度减弱 。 图 1 液滴截面蒸发速率和质量流率分布 图 1 中在1 200～ 1 400 mm高度区域 ,液滴蒸发速 率出现峰值的主要原因是由于该区域处于一级塔体 和二级塔体分界处 ,受多级喷动结构的影响 ,气液混 合强烈造成的。 图2 给出了脱硫塔内相对湿度沿塔高方向的分 布,每隔100 mm取一个测量平面 。 图 2 吸收塔内相对湿度分布 从图 2 中可知,沿塔体高度方向烟气相对湿度逐 渐增加。在喷嘴出口面, 沿径向方向烟气相对湿度分 布呈中心低 ,四周高的分布特点 。分析原因认为 在 压力和水蒸气分压力相同的情况下 ,温度越低, 所对 应的饱和蒸汽分压力越小, 相对湿度相对也就越大。 因此, 由于壁面散热作用 ,导致在非雾化区域的同一 截面上 ,壁面区域温度最低 ,所对应的相对湿度也就 最大 。在喷嘴雾化区域, 相对湿度分布在截面中心和 壁面区域形成峰值, 呈“W”形分布。分析原因认为, 81 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 由于在喷嘴雾化区域液滴蒸发强烈 ,水蒸气分压力增 大,烟气温度降低,所对应的饱和蒸汽分压力减小 ,忽 略压力变化影响 ,中心区域相对湿度增加。对于液滴 未扩散到的区域 ,由于壁面散热导致温度降低 ,相对 湿度增加。综上导致相对湿度在雾化区域呈“W”分 布特点。随着高度的进一步增加, 相对湿度增加且分 布比较均匀,主要是由于烟气的混合作用使得在同一 截面上水蒸气、温度和液滴分布比较均匀。 3. 2 入口烟温对塔内蒸发干燥特性影响 图3 给出了不同烟气温度条件下 ,截面蒸发速率 沿塔高方向的分布情况。从图 3 中可知, 在烟气量、 雾化水量不变的情况下, 随着烟气温度的升高 ,蒸发 速率升高 。分析原因认为 在该工况下影响传质过程 的主要因素是温差, 温差越大 ,液滴的表面温度越高, 表面水蒸汽分压越大 ,与烟气中水蒸气分压差越大, 传质过程越剧烈 。因此, 图中一级塔体内温度越高蒸 发速率越大 。在二级塔体内, 温度越低 , 液滴浓度越 高, 相应的截面蒸发速率也就越大, 对于温度为 180 ℃ 工况的蒸发速率在1. 2 m处没有上升 , 主要是 由于在该工况下, 液滴在1. 2 m之前已基本被蒸发完 毕,在该位置的蒸发速率为零 。 图 3 烟气温度对截面液滴蒸发速率分布影响 图4 给出了烟气温度对一级塔内含水量的影响, 从图 4 中可知, 随着入口烟气温度的升高, 一级塔内 水量减少。烟温由100 ℃上升到180 ℃, 含水量降低 近5 倍。烟气温度越高, 一级塔内蒸发水量越多, 在 脱硫过程中液相存在时间缩短 ,液相离子反应时间越 短,脱硫效率应越低。该现象可以解释 , 在一级塔体 内随着温度的增加, 脱硫效率降低的实验现象 。 综上所述 在保持其他参数不变的情况下, 随着 烟气温度的增加 ,一级塔体内蒸发速度增加 ,液相存 在时间缩短 ,使得 SO2液相离子吸收反应时间缩短, 图 4 入口烟温对液相含量的影响 从而导致脱硫效率降低 。因此 , 烟气温度越高, 一级 塔体内气液主反应区段脱硫效率降低,工程中可以采 用增湿水降温, 控制脱硫塔入口烟气温度波动对脱硫 效率的影响 。 3. 3 雾化液滴粒径对塔内蒸发特性影响 图5 给出了不同喷嘴雾化压力条件下 ,截面蒸发 速率沿塔体高度方向上的分布情况 。由图 5可知 ,随 着喷嘴雾化压力的增加, 在一级塔体内 , 液滴蒸发速 率呈上升趋势 。对于压力式雾化喷嘴, 雾化压力越 大,喷嘴雾化液滴的粒径越小 。在雾化水质量流量不 变的情况下 ,雾化压力降低,雾化液滴粒径增大,雾化 颗粒数量越少 , 气液接触面积也就越小, 蒸发速度 降低 。 图 5 雾化压力对截面液滴蒸发速率分布影响 另外,从图 5 中还可以看出 ,一级塔体内存在一 个蒸发速率分界点, 这是由于液滴粒径和气液相对速 度综合作用的结果。对于压力式雾化喷嘴,雾化压力 越大 ,液滴具有的初始速度越高,动量越大,其穿透距 离越长,雾炬扩散越容易, 气液接触混合越好。但颗 粒粒径越小 ,其速度衰减越快 ,跟随性越好,这就导致 气液速度差减小 ,表面传质系数降低 ,蒸发速率缓慢。 另外由图 5 中还可以看出, 喷嘴雾化压力越大 ,速率 82 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 峰值出现的越靠近喷嘴, 分析认为一方面受颗粒粒径 影响, 另一方面主要由于雾化压力越大 , 越有利于喷 嘴雾化角扩散。 图6 为喷嘴雾化压力对一级塔体含水量的影响, 从图 6 中可以看出 , 随着雾化压力的增加, 一级塔内 含水量降低 ,且降低速率逐渐减缓, 说明颗粒粒径对 于蒸发的影响逐渐减缓。 图 6 雾化压力对一级塔内含水量的影响 综上所述, 对于压力式雾化喷嘴 , 随着雾化压力 的增加一方面导致雾化粒径的减小 ,增大了气液有效 传质面积 ,有利于SO2的脱除。另一方面颗粒粒径减 小,从而使得液相蒸发速率增加, 缩短液相在塔内停 留时间,不利于 SO2离子反应过程的进行 。综合考虑 正反两个方面的影响 ,一级塔体的脱硫效率应呈先增 加后减少的分布趋势 。而在半干法脱硫工程运行系 统中 ,喷嘴雾化所需要的高压泵或空压机在所用电器 设备中所占电耗比例最大 ,因此在运行过程中应选择 经济合理的粒径范围 。 3. 4 入口烟气含湿量对塔内蒸发特性影响 图7给出了不同入口烟气相对湿度条件下, 脱硫 塔内液滴蒸发速率沿轴向方向分布情况。由图 7 可 知,随着相对湿度的增加, 在一级塔内 ,液滴的蒸发速 率降低。分析原因认为 随着烟气中水蒸气含量的增 加,水蒸气的分压力也相应增大,在忽略液滴表面饱和 蒸汽分压力变化的情况下,传质的动力水蒸气组分 压力差 浓度差 减小,从而使得传质过程减缓, 蒸发速 率减小。因此 ,在脱硫过程中, 适当增加水蒸气的含 量,可以延长脱硫剂水分在一级塔体内的存在时间 。 图 8 为相对湿度对一级塔内含水量的影响, 由 图8可知 ,随着入口相对湿度的增加 , 一级塔内的含 水量逐渐增加, 有利于脱硫过程中离子反应的进行 。 4 实验研究 通过对脱硫塔内蒸发特性的数值模拟,可以观测 图 7 雾化压力对截面液滴蒸发速率分布影响 图 8 相对湿度对一级塔内含水量影响 图9 实验系统 实验无法测得数据的变化规律 ,为验证采用数学模型 的可靠性, 本文将实验可测数据与模拟结果比较, 从 而为进一步修正理论模型和校核计算结果提供依据。 本文搭建了复合喷动流态化烟气净化工艺实验 台,如图 9所示, 脱硫塔结构尺寸如前文所述, 采用自 行设计的双回路抽气式温湿度测量装置对脱硫塔内 的温湿度场分布特性进行了实验研究。 83 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 图10 为脱硫塔截面温度沿径向方向变化的模拟 结果图 10a 和实验结果图 10b, 由图 10 中可知数值模 拟值与实验结果基本吻合,在喷嘴出口区域和近壁区域 数值模拟结果略为偏小。造成这种现象的原因包括 1 无法准确地考虑实验过程中壁面温度的变化、 喷嘴雾化液滴分布及液滴碰壁后的模式 。 2 数值模拟采用的模型中许多参数的设置基本 由经验确定,存在较大的误差 。 3 实验过程中影响因素较多 ,同样存在误差。 a 温度场计算结果; b温度场实验结果。 图 10 不同高度截面径向温度分布 5 结论 本文应用数值模拟方法研究了脱硫塔内液滴蒸 发特性 ,通过实验对数值模拟结果进行验证 ,得到如 下结论 1 沿塔体高度方向, 液滴的蒸发速率呈双峰分 布,在距喷嘴300 mm和1 200 mm处蒸发速率最大 。 2 随入口烟气温度升高, 蒸发速率增加, 一级塔 内液相含量降低 ,不利于气液离子反应的进行 。 3 随喷嘴雾化压力增加, 雾化颗粒粒径减小, 气 液初始相对速度增加, 在双重因素作用下 ,蒸发速率 随雾化压力呈非单调变化 。结合喷嘴运行的经济性, 在工程中存在最佳优化雾化压力。 4 提高烟气中含湿量, 可以有效延长液相存在时 间,提高脱硫效率。当烟气相对湿度由 3增加到 12,一级塔内含水量增加 3倍 。 5 实验系统中喷嘴雾化液滴的不稳定性、壁面散 热及液滴碰壁后的复杂性等诸多影响因素在数值模 拟无法准确设定 ,是导致实验结果与数值模拟结果存 在一定偏差的原因 。但数值模拟结果与实验值基本 一致 ,应用本文所选用的模型及模型参数可以研究脱 硫塔内液滴蒸发干燥特性过程 。 参考文献 [ 1] 高继慧, 高继录, 陈晓利, 等. 复合喷动烟气净化工艺气固主反 应区段脱硫特性. 化工学报. 2008, 59 2 461-466. 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