化学工程伞罩型除尘脱硫塔内气固二相流数值模拟分析王大勇，李彩亭，曾光明，李珊红，李思民，王飞（湖南大学环境科学与工程学院，湖南长沙410082）型，颗粒相采用离散相模型（DPM）和欧拉模型，选择SMPLEC算法进行计算。分析塔内0截面的气固二相的浓度，体积分数、速度矢量和压力等参数的分布。结果表明，伞形罩使烟气在塔体内分布得更均匀，延长了气体在塔内停留时间，从而实现高效净化气体的目的；在入口粉尘浓度很低的情况下，DPM更适合气固二相流。模拟结果对设备的优化设计和实际运行有一定的指导作用。

　　我国1970年以来所建的除尘装置相当一部分采用的是麻石水膜除尘器。这种装置曾对燃煤锅炉、窑炉烟气的除尘净化起到一定的作用。但随着烟气排放指标的严格，它的致命弱点也显露出来，除尘效率不高，脱硫效果差、效率低，不能满足目前曰益严格的燃煤烟气排放标准的要求。新型的伞罩型湿式除尘脱硫装置克服了上述现有技术的不足，该装置不仅除尘效率高，而且具有较高的脱硫效率，结构简单、体积小、出口气体脱水效果好、维护方便、运行费用低。该装置内气、液、固三相流动非常复杂，在。

　　装置筒体上方设有喷嘴，中部设有伞形罩。含有粉尘和有毒有害物质的气体，由底部进气管进入塔体，与从喷嘴喷出的吸收液逆方向向上运动，从塔体上方出气管排出。喷嘴喷出的吸收液往下流到设在筒体中部的伞形罩上，形成伞形液膜，液膜沿着伞形罩层层向下流动，形成大量浆液液膜和液幕，延长了气液接触时间，使整个系统的除尘效率及对有害气体净化效率得到提高。下部水箱为循环浆液池，池中的上清液由水泵抽送至本装置上部，再经喷嘴喷下，循环使用。当浆液池中溶液达到饱和后，由排水管排出。

　　2理论模型DFM是将流体视为连续相并求Navie-Stokes方程，由球形颗粒（粒子、液滴或气泡）构成的离散相分布在连续相中，通过计算这些颗粒的轨道来求解离散相：沿颗粒轨道跟踪计算颗粒的位置、速度等参数，模拟宽筛分，蒸发及非均相反应，颗粒-颗粒碰撞、聚集、合并、颗粒-壁面碰撞的复杂经历。本文的连续相为空气，分散相为粉尘颗粒。欧拉模型是多相流研究中通用的模型，但是较复杂。它是将不同的流体视为互相贯穿的连续介质，服从总的及各相的守恒方程。具体的DM与欧拉模型及处理方法3数值模拟及分析由于进出口段为流场的突变区域，为了保证模拟的准确性，计算域的选取应保证除尘器进出口保留足够长的气流均匀段，因此进出口管段的长度分别为管径的3倍和6倍。

　　采用标准的i-E湍流模型171和壁面函数法|81，应用SMPLEC算法19进行求解。速度入口，气速为1057m/s压力出口，出口压力-193Pa实验中所采用的粉煤灰密度为151145kg/m1，进口质量浓度为826910-3kg/m3.对于DPM模型，颗粒采用R-R分布，中位径为54Lm，分布指数为2实验中除尘器的进口粉尘质量有着较宽的分布，而欧拉模型每次只能计算一种粒径。虽然欧拉模型可以把不同粒径的颗粒认为是不同的相来计算，但是由于本文所采用的物理模型比较复杂，增加模拟相的数量会给收敛带来比较大的难度。并且，根据不同粒径粉尘颗粒在入口粉尘颗粒中所占的比例，折算成体积分数后，忽略较小体积分数粉尘颗粒，其对进口粉尘质量浓度影响非常小。因此，采用一种近似的处理，即进口较宽的粒径简化为进口粉尘中所占密度比较大的一种粒径60Lm.根据进口质量浓度折算成体积分数，在进口压力稳定，出口质量流率平衡，残差达到一定精度认为收敛。

　　1单相流分析首先，在没有加入粉尘的情况下对烟气进行三维湍流模拟，得到0截面的速度矢量图和压力场的分布图，见和图玉可以观察到高速烟气进入塔体后直接冲击与烟道进口相对的塔壁，受阻后被迫偏折向上。流经伞形罩，伞形罩起到布气的作用，使烟气在塔体内分布的比较均匀。而后继续向上，流经除雾器，经出口管到达出口截面。在整个塔体内由于壁面和伞形罩面对气流有阻碍作用，使得进口烟气在进口下方和上方产生了涡旋。同时，在伞形罩内外也产生了无数个小涡旋。并且，在壁面处和伞形罩的中心形成了明显的高速气带，最大的速度达到11m/.由可以明显地观察到伞形罩和除雾器是产生压降的主要原因。烟气流经伞形罩，由于黏性作用罩面对烟气产生摩擦阻力，同时在罩面背后产生涡漩，涡漩的强烈运动不断的消耗烟气的机械能，因此流经伞形罩后烟气的压强下降非常明显，由80Pa迅速下降到-40Pa经除雾器压强从-40Pa下降到-80Pa同时，在进口和出口管处，由于管径产生了突变，对烟气的压强变化也产生了较大的影响。经出口管的弯管段压强从-80Pa下降到了-180Pa部的质量浓度的分布情况此可以看到气相对颗―她运动轨迹继续续。

　　的影响非常大，在靠近壁面和伞形罩中部的高速气流区颗粒的质量浓度分布相对较大。除尘器的伞形罩段，质量浓度分布非常复杂，而这里正是除尘器内气流分布最为紊乱的地方。

　　出现这些现象的原因，作者认为主要是颗粒相的进口质量浓度较低，颗粒相之间的相互作用非常小，惯性碰撞、摩擦力、剪切力等不是很明显，而气相对其的作用较为突出。其次是进口颗粒大部分粒径在60Lm以下，属中等stokes数颗粒，颗粒的惯性力并没有占主导地位，颗粒对气相的跟随性相对较好。

　　颗粒在有涡漩的区域受气相涡团黏性与惯性力基本相同，一般分布于强度较弱的涡核边缘1比较DFM与欧拉模型的模拟结果，可以观察到DM与欧拉模型模拟的粉尘在除尘器内的质量浓度和体积分数分布，其分布趋势上是大致相同的，其分布特征也比较相似。进口段粉尘分布比较均匀；伞形罩和除雾器段质量浓度分布比较复杂；壁面附近粉尘质量浓度较高；在出口管下底面粉尘质量浓度相对较高，有积灰。2个模型模拟的不同之处，首先，DPM模拟粉尘在壁面处的质量浓度分布比欧拉模型的体积分数分布更精确，在伞形罩面，壁面和除雾器壁面附近可以明显地观察到粉尘质量浓度的分布非常复杂，而欧拉模型在这些区域的体积分数分布则不是很复杂。还有，在底部水箱右侧，DPM的颗粒相基本上没有到达这个区域。而欧拉模型则很好地描述了颗粒相在这个区域的体积分数分布。

　　2个模型模拟出现这样的差异，首先是因为2个模型对颗粒相的模拟方法不同导致的，DPM通过积分拉氏坐标下颗粒的作用力微分方程来模拟颗粒的运动轨迹，欧拉模型是通过求解颗粒相的连续方程来模拟颗粒相的运动情况。即DPM模型能精确地模拟出每个颗粒的运动轨迹，而欧拉模型把颗粒相当作一个整体能精确地模拟出整个颗粒相的运动情况。另外，模拟初始条件和边界条件设置的差异也对模拟结果产生了一定的影响。

　　即DM的进口颗粒粒径采用分布，有着较宽的粒径分布；而欧拉模型对入口颗粒粒径做了近似处理，只采用了一种粒径（60Lm）分布。DM在下底面和除雾器上表面对粒子设为捕捉，其余壁面为反弹；而欧拉模型对所有壁面均作为一般无滑移壁面处理。壁面边界条件设置的差异正好可以解释在底部水箱右侧，DM与欧拉模型颗粒相质量浓度和体积分数分布的差异。DM下底面设置为捕捉，所有颗粒撞到下底面运动轨迹就停止了；而欧拉模型，颗粒撞到下底面后发生反弹，57m/s进口粉尘质量浓度为2826910-3kg/m3下的气固二相的试验结果和模拟结果比较，模拟与试验能够很好地吻合，达到了工程计算的精度要求。同时试验和模拟均可以观察到粉煤灰对气流的影响不是很大，伞形罩使入口烟气在空间的分布变得均匀。

　　表1气固二相模拟结果与试验结果对比4结论塔体内的伞形罩对入口烟气的布气作用非常明显，使烟气在塔体内均匀流动并在罩面周围形成了无数个小涡旋，增加了烟气停留时间，提高除尘效率，但也增加了烟气的压力损失。

　　气固二相模拟，DM和欧拉模型的模拟结果都较为准确地反映了真实的情况。欧拉模型模拟具有较高的精度，与实验结果比较接近，能较好地反映出颗粒相在塔内的流动趋势，但计算收敛相对困难。DPM收敛相对容易，能较好地模拟颗粒相在某些复杂区域的质量浓度分布，模拟颗粒相在塔体内的整体分布趋势略差。综合考虑上述因素，在粉尘质量浓度相对较低的情况下，DPM更适合模拟除尘塔内的气固二相流。

　　利用FLUENT软件对伞罩型脱硫除尘器进行数值模拟，模拟结果基本能反映气固二相在设备内的流动状态，与实际吻合较好。该方法对烟气净化装置的优化设计具有指导意义。