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湿法脱硫喷淋塔烟气入口角度优化数值模拟

肖国俊
（华中科技大学，湖北武汉430074）
摘要：本文利用商用CFD软件Fluent，采用k－ε模型和SIMPLE算法，针对湿法脱硫喷淋塔
空塔内部的三维流场进行了数值模拟，并根据计算结果对比分析了不同烟气入口角度对喷淋
塔内部流场内的影响，据此获得了最佳的烟气入口角度范围。此结论与现场运行实践所获得
的经验值范围基本吻合，因此对喷淋塔的设计及其改进具有一定的指导意义。
关键词：喷淋塔；数值模拟；入口角度
E-mail:[e-mail]
引言
湿法脱硫工艺是国内外烟气脱硫的主流工艺。湿法烟气脱硫工艺中吸收塔设备主要选用
喷淋塔，这是因为相对于其它吸收装置，喷淋塔除了脱硫效率高外，还具有压降小、内构件
相对较少和不易结垢等优点。实际运行表明喷淋塔内部的流动状态会直接影响着脱硫塔内的
压降、除雾效率及脱硫效率等重要设计参数。因此，对塔内流场的模拟研究成为设计技术国
产化的研究热点。目前计算流体力学CFD(ComputationalFluidDynamic)已成为研究三维流
动问题的重要手段，国内外有多位学者采用数值模拟的方法对实验装置的流场进行模拟，从
计算结果与实验结果对比看数值模拟无论在时间和精度上相对于其它的方法均有优势[1]。
因此本文将利用CFD软件Fluent，采用k－ε模型和SIMPLE算法，针对湿法脱硫立式喷淋
空塔内部三维流场进行了数值模拟，并根据计算结果对比分析了不同烟气入口角度对喷淋塔
内部流场内的影响，以获得最佳的烟气入口角度范围。
1喷淋塔内部烟气流场数学模型的建立
1.1基本假设
（1）塔内烟气的流动为三维、定常、不可压缩流动；
（2）不考虑温度、传质、传热、相变及化学反应过程的影响；
（3）烟气流动处于旺盛紊流区，紊流区各向同性。
（4）忽略除雾器及喷淋梁的影响。
1.2湍流时均NS控制方程
由于本文研究的流场属三维定常流动，因而采用时间平均基本方程中的因变量在湍流中
表示流量的瞬时值，对这些量进行雷诺分解，而后对方程中的各项进行雷诺平均，即可得到
湍流时均流的控制方程。
（1）连续方程
∂∂ρ
+()0ρuj=
∂∂txj
（2）动量方程

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∂∂∂⎡⎤⎡⎤⎛⎞⎛⎞∂u∂∂uu2∂∂u∂p
()ρρuuu+=()⎢⎥⎢⎥μ⎜⎟⎜⎟j+−+−−iiδμρiuu′′
∂∂txiij∂∂∂∂∂∂xxxxxx⎜⎟⎜⎟3ijij∂x
jjij⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎝⎠⎝⎠jiji
（3）能量方程

∂∂∂⎡⎤⎛⎞∂u∂p
()ρρTuT+=Γ−−()⎢⎥⎜⎟iρuT′′
∂∂txjij∂∂xx⎜⎟∂x
jjj⎣⎦⎢⎥⎝⎠i
1.3k－ε模型方程
由于k－ε模型考虑了对流和扩散对脉动速度的影响，因此被广泛地应用于计算有回流的
流动及三维边界层流动。由于喷淋塔内存在回流，且计算区域较大，因而本文选取了有一定
计算精度且计算量较小的k－ε双方程模型。
（1）k方程

∂∂∂kk⎡⎤⎛⎞⎛⎞μ∂k∂∂uu∂u
ρ+=ρμμu+tii++−jρε
jt⎢⎥⎜⎟t⎜⎟
∂∂∂txxjj⎣⎦⎝⎠⎢⎥⎝⎠σkj∂xxxx∂∂∂jji
（2）ε方程

∂∂∂εεε⎡⎤⎛⎞⎛⎞μμε∂Cuu∂∂∂uε2
ρρ+=uCμ+ttii+1+−jρ
jt⎢⎥⎜⎟⎜⎟2
∂∂∂txxjj⎣⎦⎝⎠⎢⎥⎝⎠σε∂xkxxxkj∂∂∂jji
2喷淋塔内流场计算
2.1物理原型
本文选择的喷淋塔的物理原型（如图1），是一套石灰石湿式脱硫装置，喷淋塔采用立
式布置。

图1湿法脱硫喷淋塔示意图

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2.2基本参数
表1喷淋塔的基本参数
参数参数值
烟气进口速度（m/s）7.8
烟气密度（kg/m3）0.927
烟气入口压力（Pa）103000
烟气出口压力（Pa）103000
2.3计算模型及其结构参数
物理模型的最高浆池液面为距塔底14m处，而本文的计算区域为液面以上高度为24m
的气相区域。此计算模型的具体结构尺寸参数见图2。

图2喷淋塔结构尺寸示意图
2.4评定流场的方法
为评定喷淋塔内流场的均匀性，以便比较不同烟气入口角方案的优劣，特建立以下评定
指标：
（1）纵向截面流场：按图2所示位置选取纵向截面对流场进行分析。截面A－A位于脱
硫塔沿进气方向的轴对称线上，该截面能够反映塔内的纵向主流特征。
（2）横向截面流场：按图2位置选取横向截面，对塔内流场进行分析。共选取液面以
上12m和18m两处设横剖面。

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3模拟结果及分析
有关文献表明，改变喷淋塔入口角度对