一种基于ANSYSCFX软件的氨基湿法脱硫喷淋单塔内脱硫过程的数值模拟计算方法.pdf

一种基于ANSYS CFX软件的氨基湿法脱硫喷淋单塔内脱硫过程的数值模拟计算方法，涉及氨基湿法脱硫技术领域，本发明可针对不同氨基湿法脱硫塔内传质、传热过程的数值模拟，能够在较短时间内预测塔内流场，对塔体结构及其工艺运行参数的优化起到积极地作用，提高效率。

权利要求书
1.  一种基于ANSYS CFX软件的氨基湿法脱硫喷淋单塔内脱硫过程的数值模拟计算方法，其特征在于包括以下步骤：
1）对塔体做一定的结构简化，再采用三维画图软件UG建立脱硫塔全尺寸三维几何模型；
2）采用ANSYS ICEM CFD软件对所述几何模型进行网格划分，以CFX的形式输出，并进行网格无关性分析，得到最优网格数的网格文件；
3）将所述网格文件导入ANSYS CFX-Pre 中进行物理定义，根据现场氨基湿法脱硫喷淋单塔内的运行环境以及在不影响计算准确性的情况下，对吸收塔内气液两相流动状况作假设和简化，具体设定如下：
a.气液相物质的定义：整理现场运行工况下烟气与浆液数据，设定该工况下烟气与浆液的密度、运动黏度和导热系数参数；
b.化学反应模型的定义：根据双膜理论建立氨基湿法脱硫喷淋单塔内SO2吸收的化学反应关联式，结合经验和半经验关联式以及实验结果，得出氨基湿法脱硫单塔内SO2吸收的数学模型，将各数学表达式编写成用户自定义的CCL文件，然后导入到前处理CFX-Pre中完成对表达式的定义；
c.多相流域的定义：将除雾区设定为多孔介质域，其它塔体空间设定为流体域，多相流模拟中模型的设定，包括：湍流计算模型、相间的热量传递模型、液滴间的碰撞模型以及液滴破碎模型；
d.喷嘴的定义：每个喷嘴单独定义，喷嘴的位置以三维直角坐标的形式输入CFX-Pre中，各个喷嘴的特性由喷嘴形式、喷射角度、雾化液滴粒径分布、液滴出口速度及其质量流率特性参数来表征；
e.边界条件的定义：对相应域里的边界条件进行设定，包括塔体进口、出口、壁面边界设置，以及域交界面的设置；
f.设置求解计算控制参数：根据具体案例设置求解格式、物理时间尺度、粒子亚松弛因子和收敛条件；
4）输出后缀名为def的数值计算文件，导入CFX-Solver中定义模拟计算，采用有限体积法进行求解，通过对工作界面中信息的观察，检查变量的残差和求解信息，及时发现计算过程中出现的问题或查看求解的准确程度；
5）通过后处理CFX-Post对收敛的模拟计算结果进行可视化分析，得到脱硫塔内烟气的速度分布、温度分布、压力分布以及SO2脱除效率，导出模拟计算结果获得塔内截面气流的速度标准偏差，判定气流分布均匀性；
6）将不同工况下的模拟计算结果与实验结果相对比，验证模型的合理性。

说明书一种基于ANSYS CFX软件的氨基湿法脱硫喷淋单塔内脱硫过程的数值模拟计算方法
技术领域
本发明涉及氨基湿法脱硫技术领域，特别是对其脱硫喷淋单塔内脱硫过程的数值模拟计算。
背景技术
氨基湿法脱硫与传统的钙法脱硫相比，具有系统简单，设备体积小，能耗低，脱硫效率高，运行费用低，副产物可利用，可实现联合脱硝等优点，但是应用于烧结烟气的氨基湿法脱硫技术尚未成熟。尤其在氨基湿法单塔脱硫系统中，“氨逃逸”、“气溶胶”现象十分严重，其中脱硫工艺运行参数不合理、气流分布不均和局部气速过高都会增加氨的逃逸量，易形成气溶胶，严重污染了周围环境。由于传统的塔设备设计方法只能给出一些定性的分析结果，采用常规的研究方法进行试验台试验或在已投运的装置上进行实物试验的优化设计等费用高，且只能针对特定的设备或结构，具有较大的局限性。目前，CFD软件针对各种复杂的物理化学现象，采用不同的数值计算方法，在待定的领域内使计算速度和精度达到最佳组合，从而高效率的解决所研究领域的计算问题。其中，ANSYS CFX由于其友好的工作界面，强大的前后处理功能，稳定的收敛性，精确的计算结果以及一系列不同层次的用户接口程序，因而应用较为广泛。因此，以CFD软件ANSYS CFX为模拟计算平台，建立一种能够实现模拟氨基湿法脱硫喷淋塔内脱硫过程的计算方法，以实现脱硫喷淋塔结构、工艺运行参数等的优化，提高脱硫效率，减少“氨逃逸”、“气溶胶”的产生，具有重要的实现意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种可实现模拟氨基湿法脱硫喷淋单塔内脱硫过程的计算方法，即：把流体力学与传质、传热方面的方法和脱硫塔结合起来，在本专利中，研究的对象是氨基湿法脱硫喷淋单塔。该技术能够有效地研究脱硫塔内的流场和传质、传热过程，为进一步改善“氨逃逸”“气溶胶”等现象提供了一种新方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：
1、根据现场脱硫塔运行中所出现的问题，确定仿真目的，然后根据文献调研和仿真目的对塔体做一定的结构简化，再采用三维画图软件UG建立脱硫塔全尺寸三维几何模型；
2、由于塔体结构较为简单，采用ANSYS ICEM CFD软件对几何模型进行网格划分，以CFX的形式输出，并进行网格无关性分析，得到最优网格数的网格文件；
3、将网格文件导入ANSYS CFX-Pre 中进行物理定义，根据现场氨基湿法脱硫喷淋单塔内的运行环境以及在不影响计算准确性的情况下，对吸收塔内气液两相流动状况作一定的假设和简化，具体设定如下：
1）气液相物质的定义：整理现场运行工况下烟气与浆液数据，设定该工况下烟气与浆液的密度，运动黏度，导热系数等参数；
2）化学反应模型的定义：根据双膜理论建立氨基湿法脱硫喷淋单塔内SO2吸收的化学反应关联式，结合文献中的经验和半经验关联式以及实验结果，得出氨基湿法脱硫单塔内SO2吸收的数学模型，将各数学表达式编写成用户自定义的CCL(CFX Command Language)文件，然后导入到前处理CFX-Pre中完成对表达式的定义；
3）多相流域的定义：将除雾区设定为多孔介质域，其它塔体空间设定为流体域，多相流模拟中模型的设定，包括：湍流计算模型、相间的热量传递模型、液滴间的碰撞模型以及液滴破碎模型等；
4）喷嘴的定义：每个喷嘴单独定义，喷嘴的位置严格按照设计图纸以三维直角坐标的形式输入CFX-Pre中，各个喷嘴的特性可由喷嘴形式、喷射角度、雾化液滴粒径分布、液滴出口速度及其质量流率等一系列特性参数来表征；
5）边界条件的定义：对相应域里的边界条件进行设定，如塔体进口、出口、壁面边界设置，以及域交界面的设置等；
6）设置求解计算控制参数：根据具体案例设置求解格式、物理时间尺度、粒子亚松弛因子和收敛条件等；
4、输出后缀名为def的数值计算文件，导入CFX-Solver中定义模拟计算，采用有限体积法进行求解，通过对工作界面中信息的观察，检查变量的残差和求解信息，及时发现计算过程中出现的问题或查看求解的准确程度；
5、通过后处理CFX-Post对收敛的模拟计算结果进行可视化分析，得到脱硫塔内烟气的速度分布、温度分布、压力分布以及SO2脱除效率等，导出模拟计算结果获得塔内截面气流的速度标准偏差，判定气流分布均匀性；
6、将不同工况下的模拟计算结果与实验结果相对比，验证模型的合理性。
本发明具有的优点是：①本方法将有限体积法运用到脱硫塔内传质、传热的分析中，可以有效的克服常规的研究方法中对实验设备的依赖，改用数值分析的方法对多个工况下氨基湿法脱硫喷淋单塔内脱硫过程中传质、传热进行模拟，使塔内不可见的流场变化可视化，并通过更改相关参数来达到最佳设计效果，加快了塔体结构及其工艺运行参数优化进度，降低设计成本。②本方法考虑到了喷淋浆液滴的碰撞与破碎，以及除雾层对整个流场的影响。③本方法根据实际塔体结构及工艺运行参数建模，模拟的计算结果与实验结果对比，可验证模型的可靠性。
附图说明
  图1为本发明的技术流程图。
  图2为实施案例中某烧结厂烟气氨基湿法脱硫喷淋单塔的三维造型图。
  图3为实施案例中脱硫喷淋单塔流场区域的结构网格图。
  图4为实施案例中脱硫喷淋单塔内烟气速度流线图。
  图5为实施案例中脱硫喷淋单塔内截面温度云图。
  图6为实施案例中脱硫喷淋单塔内截面压力云图。
具体实施方式
下面将结合具体实施案例对本发明进行进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的具体实施步骤包括：
1.      根据案例中烧结厂脱硫单塔运行所出现的问题，“氨逃逸”“气溶胶”现象较严重，需要对塔体结构及其工艺运行参数进行研究，然后根据国内外研究现状和仿真目的对该塔体做一定的结构简化，再采用三维画图软件UG建立脱硫塔全尺寸三维几何模型，图2为某烧结厂烟气氨基湿法脱硫喷淋单塔简化后的三维造型图。简化后的三维造型图设有烟气入口和出口，在塔体内设有浆液液面、第一喷淋层、第二喷淋层、第三喷淋层和除雾区。
2.      由于案例中塔体结构较为简单，采用ANSYS ICEM CFD软件将几何模型划分为网格质量和收敛性均较好的六面体结构化网格，如图3所示，以CFX的形式输出，并进行网格无关性分析，得到最优网格数为100万左右。
3.      将网格文件导入ANSYS CFX-Pre中进行物理定义，案例中研究重点为浆液面以上的烟气以及喷淋浆液在塔内的流场分布情况，根据现场氨基湿法脱硫喷淋单塔内的运行环境以及在不影响计算准确性的情况下，对吸收塔内气液两相流动状况作一定的假设和简化。
1)        气液相物质的定义：整理现场运行工况下烟气与浆液数据，烟气成分由380 ppm SO2、210 ppm NO、0.548% CO、5.7% CO2、15% O2、10% H2O和68.694% N2组成，浆液由NH4HSO3，(NH4)2SO3和(NH4)2SO4组成，得到该工况下烟气与浆液的密度，运动黏度，导热系数等参数。
2)        化学反应模型的定义：根据双膜理论建立氨基湿法脱硫喷淋单塔内SO2吸收的化学反应关联式，结合文献中的经验和半经验关联式以及实验结果，得出氨基湿法脱硫单塔内SO2吸收的数学模型，将各数学表达式编写成用户自定义的CCL(CFX Command Language)文件，然后导入到前处理CFX-Pre中完成对表达式的定义。
3)        多相流域的定义：将由带倒钩的波纹板菱形组合布置的除雾器设定为多孔介质域，其它塔体空间设定为流体域。根据现场运行中除雾层的高度为2.5 m、压降为100 pa和烟气速度为3.5 m/s得到多孔介质的渗透率为1.68×10-6 m2。
由于氨基湿法单塔喷淋脱硫系统中，其颗粒相所占气相的体积分数远低于10%，将烟气视为连续相，喷淋浆液视为离散相，采用欧拉—拉格朗日模型求解颗粒的质量、动量、能量守恒方程，获得颗粒在轨道的各种变化，两相之间的热量传递采用Ranz-Marshall模型，浆液滴的碰撞模型选用Sommerfeld模型，液滴破碎模型选用TAB模型。实际脱硫塔内部流体流动为复杂的三维湍流流场，计算时采用三维雷诺时均N-S方程来描述塔内不可压缩流体的湍流流动，湍流模型采用带有旋流修正的RNG k-ε模型，具体方程如下：
连续性方程：

 

4)喷嘴的定义：案例中烟气脱硫喷淋塔内布置了三层喷嘴（两用一备），每个喷嘴单独定义，喷嘴的位置严格按照设计图纸以三维直角坐标的形式输入CFX-Pre中，各个喷嘴的特性为：喷嘴形式选用Cone类型，喷射角度为90°，喷射方向与烟气流向相反，雾化液滴粒径分布符合Rosin-Rammler分布、液滴出口速度为6 m/s及其质量流率为18.2 m/s等。
5)边界条件的定义：设置烟气速度进口：13 m/s，出口边界条件：静压力为0 Pa，壁面条件：采用基于ε方程湍流模型的Scalable壁面函数，认为流体在壁面无滑移和无质量渗透条件，液滴与壁面发生完全弹性碰撞。流体域与多孔介质域的交界面设定：交界面模型选择General Connection，交界面网格连接方式选择GGI。
6)设置求解计算控制参数：差分格式选择对结果可靠性和收敛性均可兼顾的混合模式，混合因子为0.9，求解格式选用高阶求解模式，物理时间尺度为0.01，收敛条件为1e-4，粒子亚松弛因子设定：速度0.3，能量0.7。
4.输出后缀名为def的数值计算文件，导入CFX-Solver中定义模拟计算，采用有限体积法进行求解，通过对工作界面中信息的观察，检查变量的残差和求解信息，看其收敛情况和能量守恒情况，通过更改模拟计算参数设置改进收敛情况。
5．通过后处理CFX-Post对模拟的计算结果进行可视化分析，得到脱硫塔内烟气的速度分布、温度分布、压力分布以及SO2脱除效率等，导出模拟计算结果获得塔内截面气流的速度标准偏差，判定塔内气流分布的均匀性。
6.将不同工况下的模拟计算结果与实验结果相对比，验证模型的合理性。
本发明所述的这种数值模拟的方法，不仅可以直观地观察到塔内流体流动状态，而且为氨基湿法脱硫塔结构及其工艺运行参数的优化提供有力的根据。本发明所述的基于ANSYS CFX软件的氨基湿法脱硫喷淋单塔内脱硫过程的数值模拟计算方法可针对不同氨基湿法脱硫塔内传质、传热过程的数值模拟，能够在较短时间内预测塔内流场，对塔体结构及其工艺运行参数的优化起到积极地作用，提高效率。本方法能够较准确地反映塔内气液的传质传热过程，完善了一些仅对塔内流场研究的数值模拟，对传统的设计方法起到一定的促进作用。