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液柱塔喷浆管道设计与优化 * 杜云贵 1 邓佳佳 2 杨斌懿 2 余宇 2 肖涛 2 1. 重庆大学资源与环境科学学院， 重庆 400045;2. 中电投远达环保工程有限公司，重庆 400060 摘要 为了研究喷淋液柱吸收塔喷浆管道的喷嘴喷射流量以及液柱高度， 对喷浆管道的流场进行了研究。采用基于计 算流体力学的 Fluent 软件平台， 对某电厂 2 360MW 机组液柱脱硫塔喷浆管建立数学物理模型。采用基于有限体积 法的 SIMPLE 算法进行计算， 计算对比了不同结构喷浆管各喷嘴对应的液柱高度分布以及流量分布， 得到了最优化的 液柱塔喷浆管道结构， 并根据计算结果指导设计。 关键词 液柱塔; 喷浆管; Fluent; 优化; 设计 DESIGN AND OPTIMIZATION OF SPRAY PIPE FOR LIQUID COLUMN TOWER Du Yungui1Deng Jiajia2Yang Binyi2Yu Yu2Xiao Tao2 1. College of Resources and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400044，China;2. Yuanda Environmental Protection Engineering Co. ，Ltd，R ＆ D Center of China Power Investment Corporation， Chongqing 400060， China AbstractThe flow field of a spray pipe system was analyzed in order to study the nozzle flow rate and the height of liquid column of the spray pipe for a liquid column tower. The software Fluent plat based on computational fluid dynamics was used to set up a model of the spray pipes of the tower for 2 360 MW units in a power plant. SIMPLE algorithm based on finite volume was adopted to calculate and compare the distribution of the liquid column helght and flow of the nozzles corresponding to spray pipes with different structures， with which the optimal structure of spray pipe of the tower was got， and the design could be guided by the calculated results. Keywordsliquid column tower;spray pipe;Fluent;optimize design * 国家科技支撑计划资助 2007BAC24B00 。 0引言 喷淋液柱吸收塔 以下简称液柱塔 是一种湿法 脱硫 装置， 具有结 构简 单、 投资 省、 维 护 方 便 等 优 点 ［ 1］， 目前在国内已有一些工业应用。液柱塔的浆 液喷射高度以及浆液流量分布均匀性对液柱塔的脱 硫特性有很大的影响。现阶段国内液柱塔的喷浆管 道设计根据引进技术来设计， 设计方法呆板粗糙而且 容易造成浪费。为形成国内具有自主知识产权的液 柱塔喷浆管道设计方法， 需要对液柱塔喷浆管道流场 进行模拟。 国内外对液柱塔进行了许多实验研究， 如液柱塔 的阻力特性研究 ［ 1］、 液柱高度与喷嘴压力、 流量、 液 柱散落面积直径等于喷嘴压力、 流量等的关系等 ［ 2］， 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， 具有很大的局限 性。随着 计 算 机 技 术 的 迅 速 发 展， 计 算 流 体 力 学 computational fluid dynamics，CFD 已成为研究流体 流动的重要手段， 采用该技术可以弥补和克服传统设 计方法的缺陷， 减少物理实验次数， 缩短研发周期， 节 约研究经费， 还可以获取大量局部、 瞬时数据， 来指导 工程的设计和优化 ［ 3- 4］。 本文利用 Fluent 软件对某电厂 2 360 MW机组 液柱塔喷浆管流场建模， 并进行数值模拟， 模拟了共 计 84 种不同工况下的喷浆管流场， 分别比较了各工 况条件下液柱喷射高度以及流量标准方差分布规律， 得到了最优化的喷浆管结构。 1物理模型 用于脱硫工程的液柱塔如图 1 所示。烟气从塔 下部进入， 与喷浆管喷出浆液接触净化后， 经除雾器 排到塔外。浆液自设置在塔底部的耐磨特殊喷嘴向 上喷出， 与烟气发生气液接触后使之脱硫。液柱塔具 37 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 有阻力小， 内构件少， 不易结垢等优点， 因而被很多国 内电厂选用。 图 1液柱塔构造 图 2 所示是常用的某 2 360 MW电厂液柱塔喷 浆管道中的一支， 单根浆液管进口处的浆液流量为 251. 08 kg/s， 该管道上面布置了 13 个喷嘴。根据流 体力学的原理分析， 随着浆液的喷出， 喷浆管内的浆 液流速越来越低， 必将导致喷管顶端的喷嘴处压力偏 大， 从而影响喷浆管各喷嘴的喷射高度和流量均匀 性。工程上常用的方式， 就是在喷浆管的顶端布置一 从顶端到进口不断下降的导流隔板， 来降低喷管顶端 的压力， 从而优化浆液喷射高度和流量分配均匀性。 该导流隔板的位置由如图 2 所示的 x， y 两个长度参 数确定， 喷嘴编号如图 2 所示。 图 2喷浆管简化模型 2数学模型 2. 1模型基本假设 1 假设喷浆管内浆液流动为三维、 定常、 不可压 缩流动， 湍流是各向同性的。 2 忽略液柱塔内烟气流动以及塔内的化学反应 对浆液柱的影响。 3 忽略浆液内的固体颗粒对浆液流动的影响， 假设整个喷浆管是绝热的。 2. 2控制方程 由于本文研究的流场属三维定常流动， 采用湍流 时均流的控制方程。其标准的控制方程为 连续性方程 ρ t  x i ρ珔u i Sm 1 动量方程 ρ珔ui t ρ珔ui珔uj x j － p x i  x j μ 珔ui x j 珔uj x [] i －  x j ρ u′iu′j－ 2 3  x i μ 珔uj x [] j ρgi Fi 2 式中珔ui为流体的平均流速;珋 p 为平均压力; μ 代表分 子黏性系数;c s为组分 s 的平均浓度;ρ u′iu′j代表由 湍流脉动引起的雷诺应力张量; h 为总焓;λ 为有效 热传导系数;Sm、Fi分别代表连续方程、 动量方程的 源项。 湍流模型 本文选取了有一定计算精度且计算量较小的 κ － ε双方程湍流模型， 其表达式为 ［ 5］ ρ珔uj k x j  x j μ μt δ k ε x [] j Gk Gb－ ρε 3 ρ珔uj ε x j  x j μ μt σ ε ε x [] j C 1ε ε k Gk C 3ε Gb－ C 2ε ρ ε 2 k 4 式中μt ρCμ k2 ε ;Gk、Gb、C 3ε 分别代表平均速度 梯度引起的湍动能生成项、 浮升力引起的湍动能生成 项及浮升力对湍流 ε 的影响系数; σk ， σ ε分别代表 k， ε 的湍流 Prandtl 数; C 1ε 1. 44 ， C 2ε 1. 92 ， Cμ 0. 09 ，σk 1. 0 ，σε 1. 3。 2. 3边界条件与数值方法 本文使用基于有限体积法的 SIMPLE 算法 ［ 6］的 Fluent 软件， 对不同结构的喷浆管流场进行了数值 模拟。 3计算结果与讨论 3. 1无导流隔板方案 本文首先模拟了无导流隔板的方案。无导流隔 板的喷浆管工况各喷嘴对应的液柱高度分布曲线如 图 3， 流量分布曲线如图 4 所示。其液柱高度分布标 准方差为0. 079 m， 流量分布标准方差为0. 075 kg/s， 最大液柱高度差为28 cm， 最大流量差为0. 26 kg/s。 液柱高度的平均值为10. 89 m， 13 号喷嘴液柱高度为 10. 70 m最小; 流量分布的平均值为19. 31 kg/s，13 号流量为19. 14 kg/s最小; 从图 3、 图 4 可以看出， 液 柱高度分布以及流量分布都存在分布不均匀， 特别是 13 号喷嘴， 其液柱高度与平均值、 流量与流量平均值 47 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 均有较大差距。因此需要对其进行优化。 图 3无导流隔板方案液柱高度标准方差分布 图 4无导流隔板方案流量标准方差分布 3. 2有导流隔板方案 为了 优 化 该 喷 浆 管 的 流 场， 模 拟 了 x 分 别 为 1 400， 1 800， 2 200， 2 600， 3 000， 3 400， 3 800， 4 200， 4 600， 5 000， 5 400， 5 800 mm，y 分别为 35， 45， 55， 65， 75， 85， 95 mm方案， 对不同的 x、 y 值进行组合， 共 计模拟了 84 种不同工况， 各种工况下的各喷嘴对应 的液柱喷射高度标准方差计算结果如图 5 所示， 流量 标准方差如图 6 所示。 从图 5、 图 6 可以看出 1 液柱高度标准方差分布与流量标准方差分布 呈现一致性。 2 随着 x 增大， 液柱高度标准方差分布以及流量 分布呈现先下降后增大的趋势; 随着 y 增大， 其最大 方差逐渐减小， 直至呈现一条非常平坦的曲线。 3 液柱高度标准方差小于0. 079 m的方案有 69 个， 占 总 方 案 数 的 82 ，流 量 标 准 方 差 小 于 0. 075 kg/s的方案有 72 个， 占总方案数的 85 。说 明 84 种导流隔板设计方案， 优于无导流隔板方案的 方案数占大部分， 但是还有少量方案差于无导流导流 隔板方案。 图 5液柱高度标准方差分布 图 6流量标准方差分布 4 最优化的导流隔板方案出现在 x 4 200 mm， y 85 mm 以下简称最优方案 处; 最差方案出现在 x 5 800 mm， y 35 mm 以下简称最差方案 处。 最优化方案对应的液柱高度分布见图 7， 流量分 布曲线见图 8， 其液柱高度标准方差为0. 025 m， 对应 的最 大 液 柱 高 度 差 为 8. 6 cm;流 量 标 准 方 差 为 0. 020 kg/s， 对应的最大流量差为0. 06 kg/s， 其结果 优于无导流隔板工况的结果; 最差方案对应液柱高度 分布见图 9， 流量分布曲线见图 10， 其液柱高度标准 方差为0. 317 m， 对应的最大液柱高度差为1. 04 m; 流量标准方差为0. 275 kg/s， 对应的最大流量差为 0. 90 kg/s。最差方案与最优方案进行对比， 最大液 柱高度差为 12 倍， 最大流量差为 15 倍。 分析计算结果， 隔板长度 x 过大， 隔板高度 y 过 小会引起喷淋管内的压损增大， 导致喷浆管进口段压 头、 流量较大， 喷浆管末端喷嘴压头、 流量较小， 具体 57 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 如图 9、 图 10 所示。其结果显示当导流隔板过长时， 其导流效果反而很差， 这与导流隔板越长其效果越好 的常识刚好相反。 图 7最优方案液柱高度标准方差分布 图 8最优方案流量标准方差分布 图 9最差方案液柱高度标准方差分布 图 10最差方案流量标准方差分布 综上所述， 针对本工程的喷浆管道， 为了达到液 柱高度以及流量分布一致性， 同时考虑喷浆管隔板的 制作难度， 建议隔板水平长度 x 取3 000 ～ 4 600 mm， 隔板到喷浆管顶端距离 y 取 55 ～ 95 mm为宜。 4结论 本文利用 Fluent 软件对某电厂 2 360 MW机组 液柱塔的喷浆管进行了数值模拟， 比较了不同结构的 喷浆管液柱高度以及流量分配， 得到了最优化的喷浆 管结构， 为科学指导喷浆管结构设计提供了依据， 并 得到以下结论 1 总压标准方差分布与流量标准方差分布呈现 一致性。 2 随着 x 增大， 总压分布以及流量分布呈现先下 降后增大的趋势; 随着 y 增大， 其最大偏差逐渐减小， 直至呈现一条非常平坦的曲线。 3 当导流隔板过长时， 其导流效果反而很差。 4 最优化的喷浆管结构方案为 x 4 200 mm， y 85 mm的隔板方案处; 为了达到液柱高度以及流 量分布一致性， 同时考虑喷浆管隔板的制作难度， 建 议隔板水平长度 x 的取值范围取3 000 ～ 4 600 mm， 隔板到喷浆管顶端距离 y 的取值范围取 55 ～ 95 mm 为宜。 参考文献 ［ 1］ 潘利祥， 孙国刚. 液柱脱硫塔压力特性研究［J］ . 化学工程， 2006，34 6 13- 16. ［ 2］ 万玮. 液柱式湿法烟气脱硫系统中液柱喷射性能的研究［D］ . 北京 清华大学，2003. ［ 3］ 郭瑞堂， 高翔， 王君， 等. 液柱塔内流场和 SO2 吸收的 CFD 模拟 和优化［J］ . 浙江大学学报 工学版 ， 2007， 41 3 494- 498. ［ 4］ 潘羽. 湿法脱硫复合式 液 柱 吸 收 塔 内 过 程数 值模 拟及优化 ［D］ . 北京 华北电力大学，2005. ［ 5］ David C W. Turbulence Modeling for CFD［M］ . California，DSW Industries，Inc. 1994. ［ 6］ 陶文铨. 数值传热学［M］ . 西安 西安交通大学出版社，1988 260- 275. 作者通信处杜云贵400045重庆大学资源与环境科学学院 E- maila2883524 126. com 2009 － 08 － 13 收稿 67 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期