CN110705160A - 脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，包括以下步骤：根据脱硫除尘一体化脱硫塔的结构及尺寸，采用几何建模工具建立数值仿真的几何模型；在网格划分工具中录入几何模型，并划分仿真计算网格；在计算流体力学软件中读入仿真计算网格，设置烟气入口及出口边界条件，设定壁面边界条件；在计算流体力学软件中设定脱硫单元和除尘单元区域，其中脱硫单元区域采用多孔介质模型来模拟，除尘单元区域设定为气体通路模型；在计算流体力学软件中设置各仿真计算参数，并对计算域进行初始化，然后开始气流仿真计算直至得到结果。本发明在保证仿真结果真实可信的前提下，大幅降低了仿真的计算复杂度，提高了仿真效率。
Description
技术领域
本发明涉及脱硫塔的气流仿真计算，尤其涉及一种脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法。
背景技术
湿法脱硫技术由于其脱硫效率高、无废水外排、脱硫后产物可二次利用等特点，在电力、钢铁等行业的烟气处理中广泛应用。传统的湿法脱硫塔在湿法脱硫后的尾气中含有大量颗粒物，形成大量的气溶胶，导致白烟拖尾、烟囱下雨等现象，造成周围环境的二次污染。针对传统的湿法脱硫塔存在的上述问题，专利CN201721872916.1提出一种脱硫除尘一体的脱硫塔，在脱硫单元上方设置除尘单元，有效捕捉脱硫后的颗粒物，遏制气溶胶的产生。
脱硫除尘一体式脱硫塔的出现，显著改善了湿法脱硫塔的除尘效果，但在该脱硫塔中，多个功能单元的串联造成烟气流动的复杂度上升，为了使脱硫塔内烟气流动均匀，更好地与脱硫剂接触反应，更充分地利用除尘模块，同时降低塔内压力损失，需要对脱硫除尘一体式脱硫塔的气体流动-传质过程进行数值仿真，以优化塔内气流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，旨在用于对脱硫除尘一体式脱硫塔的气体流动-传质过程进行数值仿真，以优化塔内气流。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，包括以下步骤：
根据脱硫除尘一体化脱硫塔的结构及尺寸，采用几何建模工具建立数值仿真的几何模型；
在网格划分工具中录入几何模型，并划分仿真计算网格；
在计算流体力学软件中读入仿真计算网格，设置烟气入口及出口边界条件，设定壁面边界条件；
在计算流体力学软件中设定脱硫单元和除尘单元区域，其中脱硫单元区域采用多孔介质模型来模拟，除尘单元区域设定为气体通路模型；
在计算流体力学软件中设置各仿真计算参数，并对计算域进行初始化，然后开始气流仿真计算直至得到结果。
进一步地，使用ANSYS Fluent软件中的多孔介质多相流模型模拟脱硫单元，并设置孔隙率、粘性阻力系数和惯性损失系数。
进一步地，所述孔隙率通过以下公式计算：
其中，m为脱硫剂流量，单位为kg/s；v0为喷淋器喷出液滴的速度，单位为m/s；S为脱硫单元横截面积，单位为m；
得到孔隙率后，粘性阻力系数和惯性损失系数C2采用Eurgun公式计算，即：
其中，Dp为喷淋器喷出的液滴平均直径，单位为m。
进一步地，所述几何建模工具使用Gambit、Solidworks及SpaceClaim中的一种。
进一步地，所述网格划分工具使用Gambit、Workbench Meshing及Fluent Meshing中的一种。
进一步地，计算流体力学软件采用ANSYS Fluent；烟气入口边界条件采用Velocity Inlet，出口边界条件采用Pressure Outlet，壁面边界条件采用No Slip。
进一步地，所述在计算流体力学软件中设置各仿真计算参数具体包括：设置重力加速度，设置烟气温度、密度及入口流速；设置湍流模型；设置流体为烟气，设置其密度、粘度、入口速度；设置差分格式，设置松弛因子。
进一步地，所述湍流模型选择k-ε模型和标准wall函数。
进一步地，设置差分格式为一阶中心差分格式。
进一步地，设置松弛因子为0.7-0.8。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，通过将脱硫单元区域设置为多孔介质模型，以及将除尘单元区域对气流影响不大的颗粒物运动忽略的方式，在保证仿真结果真实可信的前提下，大幅降低了仿真的计算复杂度，提高了仿真效率。本发明针对脱硫单元多孔介质模型，提出了根据不同的脱硫剂流量计算孔隙率的公式，并使用Eurgun公式进一步计算出当前工况下的多孔介质模型的粘性阻力系数和惯性损失系数，改变了使用经验参数的现状，显著提高仿真精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的脱硫除尘一体化脱硫塔气流仿真几何模型；
图2为本发明实施例提供的脱硫除尘一体化脱硫塔气流仿真结果-纵向中心剖面；
图3为本发明实施例提供的脱硫除尘一体化脱硫塔气流仿真结果-除尘单元入口横截面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明实施例提供一种脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，包括以下步骤：
根据脱硫除尘一体化脱硫塔的结构及尺寸，采用几何建模工具建立数值仿真的几何模型；具体地，所述几何建模工具使用Gambit、Solidworks及SpaceClaim中的一种。
在网格划分工具中录入几何模型，并划分仿真计算网格；具体地地，所述网格划分工具使用Gambit、WorkbenchMeshing及Fluent Meshing中的一种。
在计算流体力学软件中读入仿真计算网格，设置烟气入口及出口边界条件，设定壁面边界条件；具体地，计算流体力学软件采用ANSYS Fluent；烟气入口边界条件采用Velocity Inlet，出口边界条件采用Pressure Outlet，壁面边界条件采用No Slip。
在计算流体力学软件中设定脱硫单元和除尘单元区域，其中脱硫单元区域采用多孔介质模型来模拟，除尘单元区域设定为气体通路模型；
在计算流体力学软件中设置各仿真计算参数，并对计算域进行初始化，然后开始气流仿真计算直至得到结果。
脱硫除尘一体化脱硫塔的脱硫单元的原理是将液体脱硫剂如Ca(OH)2、氨水等溶液通过喷淋器，在至少一个脱硫塔的横截面上均匀喷淋，在一定区域内均匀布满脱硫剂溶液的小液滴，这一区域即为脱硫单元。烟气经过脱硫单元时，烟气从液滴之间的空隙中通过，其中的SO2与脱硫剂发生气-液两相化学反应，从而脱除SO2。模拟烟气在脱硫单元中的流动，需要考虑脱硫单元中密布的小液滴与烟气之间的相互作用，而液滴的数量十分庞大，液滴大小也各不相同，如果在数值仿真软件中分别建立这些液滴的模型，并计算烟气与每个液滴间的相互作用力，需要的网格数量和计算量将大大超出目前计算机的计算能力。在脱硫除尘一体化脱硫塔的气流数值仿真中，更关注液滴对气流的作用，而气流对液滴的作用可以忽略。因此，本发明将脱硫单元中的液滴看做静止不动的固体结构，烟气从液滴之间的空隙中流动，并采用多孔介质模型对这一问题进行模拟，即采用多孔介质模型来模拟脱硫除尘一体化脱硫塔的脱硫单元，可以保证仿真结果的真实可信性，且大幅降低了仿真的计算复杂度。
除尘单元的原理是在脱硫塔内脱硫单元上方布置电晕线(阴极)和颗粒物捕集极板(阳极)，之间形成强大的电场使颗粒物带电后定向移动。颗粒物捕集板为纵横排列的管式结构，气体流向为垂直方向进出。由于除尘单元区域只对颗粒物运动有影响，对气流影响可以忽略，因此，本发明在流体力学软件中设定除尘单元为气体通路模型，在保证仿真结果真实可信的前提下，大幅降低了仿真的计算复杂度，提高了仿真效率。
多孔介质模型是将流动区域中固体结构的作用力看作是附加在流体上的分布阻力，通过在动量方程中添加一项源项来模拟，源项由两部分组成：一个粘性损失项和一个惯性损失项。本优选实施例中，使用ANSYS Fluent软件中的多孔介质多相流模型模拟脱硫单元，并设置孔隙率、粘性阻力系数和惯性损失系数。
对于脱硫单元，目前基本使用经验性的孔隙率和阻力系数参数。然而，在不同的脱硫剂流量下，使用经验参数将会造成很大的计算误差，需要根据实际工况计算孔隙率和阻力系数。
本优选实施例中，所述孔隙率通过以下公式计算：
其中，m为脱硫剂流量，单位为kg/s；v0为喷淋器喷出液滴的速度，单位为m/s；S为脱硫单元横截面积，单位为m；
得到孔隙率后，粘性阻力系数和惯性损失系数C2采用Eurgun公式计算，即：
其中，Dp为喷淋器喷出的液滴平均直径，单位为m。
通过这样的方式，即可以根据不同的脱硫剂流量确定不同的多孔介质模型的粘性阻力系数和惯性损失系数，显著提高仿真精度。
本实施例中，在计算流体力学软件中设置各仿真计算参数具体包括：设置重力加速度，设置烟气温度、密度及入口流速；设置湍流模型，具体可选择k-ε模型和标准wall函数；设置流体为烟气，设置其密度、粘度、入口速度；设置差分格式，具体可为一阶中心差分格式，设置松弛因子，具体可为0.7-0.8。
各参数设置完成之后，在计算流体力学软件中对计算域进行初始化，然后开始计算直至得到气流仿真计算的结果。根据仿真计算结果，可以分析塔内烟气流场。
本发明实施例提供的这种脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，通过将脱硫单元区域设置为多孔介质模型，以及将除尘单元区域对气流影响不大的颗粒物运动忽略的方式，在保证仿真结果真实可信的前提下，大幅降低了仿真的计算复杂度，提高了仿真效率。本发明针对脱硫单元多孔介质模型，提出了根据不同的脱硫剂流量计算孔隙率的公式，并使用Eurgun公式进一步计算出当前工况下的多孔介质模型的粘性阻力系数和惯性损失系数，改变了使用经验参数的现状，显著提高仿真精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据脱硫除尘一体化脱硫塔的结构及尺寸，采用几何建模工具建立数值仿真的几何模型；
在网格划分工具中录入几何模型，并划分仿真计算网格；
在计算流体力学软件中读入仿真计算网格，设置烟气入口及出口边界条件，设定壁面边界条件；
在计算流体力学软件中设定脱硫单元和除尘单元区域，其中脱硫单元区域采用多孔介质模型来模拟，除尘单元区域设定为气体通路模型；
在计算流体力学软件中设置各仿真计算参数，并对计算域进行初始化，然后开始气流仿真计算直至得到结果。
2.如权利要求1所述的脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于：使用ANSYS Fluent软件中的多孔介质多相流模型模拟脱硫单元，并设置孔隙率、粘性阻力系数和惯性损失系数。
3.如权利要求2所述的脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于：所述孔隙率通过以下公式计算：
其中，m为脱硫剂流量，单位为kg/s；v0为喷淋器喷出液滴的速度，单位为m/s；S为脱硫单元横截面积，单位为m；
得到孔隙率后，粘性阻力系数和惯性损失系数C2采用Eurgun公式计算，即：
其中，Dp为喷淋器喷出的液滴平均直径，单位为m。
4.如权利要求1所述的脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于：所述几何建模工具使用Gambit、Solidworks及SpaceClaim中的一种。
5.如权利要求1所述的脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于：所述网格划分工具使用Gambit、Workbench Meshing及Fluent Meshing中的一种。
6.如权利要求1所述的脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于：计算流体力学软件采用ANSYS Fluent；烟气入口边界条件采用Velocity Inlet，出口边界条件采用Pressure Outlet，壁面边界条件采用No Slip。
7.如权利要求1所述的脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于，所述在计算流体力学软件中设置各仿真计算参数具体包括：设置重力加速度，设置烟气温度、密度及入口流速；设置湍流模型；设置流体为烟气，设置其密度、粘度、入口速度；设置差分格式，设置松弛因子。
8.如权利要求7所述的脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于：所述湍流模型选择k-ε模型和标准wall函数。
9.如权利要求7所述的脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于：设置差分格式为一阶中心差分格式。
10.如权利要求7所述的脱硫除尘一体化脱硫塔的气流仿真计算方法，其特征在于：设置松弛因子为0.7-0.8。
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