湿法烟气脱硫塔内流场优化的数值模拟

摘要

湿法脱硫塔是燃煤电厂烟气脱除二氧化硫的关键设备，同时对夹带的石膏浆液也有一定捕集作用。根据气液两相传递和反应特征，脱硫塔可以分为喷淋区、除雾区与氧化区三个部分。针对目前电厂超低排放的需要，本论文采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法研究了脱硫塔喷淋区内气相流动特性，基于烟气流动均匀性提出了喷淋区结构优化方案;模拟了除雾区内气液两相流动特性，提出了增强除雾器捕集液滴的一种构件设计方案。
　　采用标准k-ε湍流模型封闭的雷诺时均N-S方程研究了500MW燃煤机组脱硫塔内烟气单相流场，预测了喷淋区内烟气流速分布特性。针对局部高速气流引起的流速分布不均问题，提出了一种加装于脱硫塔喷淋层下方的螺旋形肋板构件，通过构件的导流作用消除局部高速气流并提高烟气流动均匀度，从而达到流场优化的目标。进而研究了螺旋形构件有效高度、倾斜角和螺旋圈数对脱硫塔内烟气流动特性的影响行为，结果表明构件有效高度与螺旋圈数对烟气流动影响较明显，有效高度与脱硫塔半径比值适宜范围为0.13-0.26，螺旋罔数适宜取值为1.5;而构件倾斜角对流场影响较小，可以选取60°到90°之间。
　　采用欧拉-拉格朗日方法建立了折线形除雾器流场计算模型，模拟了除雾区内气液两相流动特性。烟气视为连续介质，采用SST k-ω湍流模型封闭雷诺时均N-S方程;液滴运动轨迹计算采用离散相随机轨道模型。具体考察了叶片间距为20mm、26mm与38mm折线形除雾器通道内烟气流速分布、回流区范围等流动特性及粒径范围为10μm-30μm共八种液滴的分布特性，对比了入口气速3、4、5、6m/s时三种除雾器的捕集性能与压降特性，与文献实验数据对比验证了计算模型的适用性。针对通道内烟气转折后流场特性，提出了增加流速与调整流向相结合强化气液分离的思路，以提高除雾器叶片对液滴捕集效率，构思了锥形、矩形、弧形三种构件加装于折线形除雾器叶片，模拟了构件形状及其安装位置对板间距26mm除雾器性能的影响行为，获得了采用锥形构件增强气液分离的优化方案。进而考察了锥形构件有效高度与项角对气液两相流动的影响，结果表明除雾效率与烟气流动能量损失随构件有效高度增加或顶角减小而提高，其中有效高度的影响更为明显，以分级除雾效率与压降作为评价指标确定了构件结构参数适宜取值:有效高度为3mm或4mm时，顶角适宜范围为90°-120°;当有效高度为5mm时顶角选取120°为宜。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2．1 WFGD系统简介

1．2．2 脱硫塔内流动状态与反应原理

1．3 脱硫塔内流动特性实验研究进展

1．4 CFD应用于脱硫塔内流动特性研究进展

1．4．1 CFD应用于喷淋区流动特性研究

1．4．2 CFD应用于除雾区流动特性研究

1．5 本论文研究内容与目的

第2章 脱硫塔喷淋区内烟气流动数学模型

2．1 粘性流体的基本控制方程

2．2 脱硫塔内烟气湍流模拟

2．2．1 湍流数值模拟方法

2．2．2 湍流模型选取

2．3 数值求解

2．4 本章小结

第3章 脱硫塔喷淋区烟气流场优化

3．1 计算模型的建立

3．1．1 模拟对象与分析方法

3．1．2 模型简化与假设条件

3．1．3 计算参数与边界条件

3．2 原烟气流场模拟及流场优化方案

3．2．1 脱硫塔内烟气流动特性

3．2．2 脱硫塔流场优化方案

3．3 构件几何条件对流场的影响

3．3．1 螺旋形构件有效高度的影响

3．3．2 螺旋形构件倾斜角的影响

3．3．3 螺旋形构件螺旋圈数的影响

3．4 本章小结

第4章 脱硫塔除雾区内气液两相流动数学模型

4．1 气液两相流动模拟方法

4．2 除雾区气液两相流动模拟

4．2．1 烟气流动模拟

4．2．2 液滴运动模拟

4．2．3 气液两相间的耦合

4．3 本章小结

第5章 脱硫塔除雾区内气液两相流动特性

5．1 除雾器通道内流场数值模拟方法

5．1．1 模拟对象及简化

5．1．2 边界条件与计算参数

5．1．3 网格划分

5．1．4 气液两相耦合方法对比

5．2 除雾器通道内气液两相流动特性分析

5．2．1 烟气流动特性

5．2．2 液滴运动特性

5．2．3 不同间距除雾器性能比较

5．3 本章小结

第6章 脱硫塔除雾区内流场优化

6．1 除雾器通道内流场优化方案的确定

6．1．1 不同形状构件对比

6．1．2 锥形构件布置方法对比

6．2 锥形构件几何参数对除雾器性能影响

6．2．1 锥形构件高度对除雾效率的影响

6．2．2 锥形构件顶角对除雾效率的影响

6．2．3 锥形构件几何参数对压降的影响

6．3 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢