一种船用旋流反应脱硫塔设计的数值模拟

翟亚军，张怀宇，周 密，陈 宁

（1. 中远海运重工有限公司，上海 200120；2. 江苏科技大学，江苏镇江 212003）

0 引言

为了有效地控制船舶硫氧化物的排放，1997年 9月在海上环境保护委员会（MEPC）第40届会议上通过了国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）73/781997年议定书（包括MARPOL附则Ⅵ—防止船舶造成空气污染规则）及8个决议案。MARPOL附则Ⅵ第14条严格规定了船舶燃油含硫量标准和强制执行的时间节点[1]。自2003年MEPC 50届会议至2013年MEPC 65届会议，10年共16届环保会议上制定和修改了国际海事组织（IMO）的MARPOL附则Ⅵ，在全球范围内确定了一些特殊区域和特别敏感海区，设为船舶废气排放控制区（ECA）[2]。因此，脱硫塔作为船用烟气脱硫系统中的关键设备正广泛应用于船舶上。但由于船舶上空间有限，传统喷淋脱硫塔体积过于庞大，使得脱硫塔在船舶上的安装运行受到很大限制[3-5]。因此，本文提出一种利用旋风分离器原理的新型脱硫塔，塔内的旋转气流不仅增大了湍流强度使得气液混合更充分、反应更快速彻底，而且大大增加了烟气在塔内的行程，使得烟气在有限尺寸的脱硫塔内依然有足够的反应时间。

1 旋流脱硫塔结构设计

旋流脱硫塔的结构参数包括：塔径D、烟气进口尺寸W×L、烟气出口直径D0、底流口直径Du、柱段长度H、烟气出口插入深度H0、锥角θ，其结构参数如图1所示，具体数值如表1所示。

图1 旋流脱硫塔结构参数

表1 旋流脱硫塔结构尺寸

2 气-液两相流的数值模拟

2.1 湍流模型

旋流脱硫塔内的流场是一种高雷诺数、强旋流的流动，Bernardo研究发现各相同性标准的k-ε模型已不能准确描述强旋流流场特征。Erdal采用雷诺应力模型准确预测了旋流器内的流场分布。本文采用雷诺应力模型（RSM）模拟旋流脱硫塔内的强旋湍流流场。雷诺应力模型所对应的方程包括：

1）连续性方程

2）运动方程

式中：Ui为时均速度；gi为重力加速度分量；P为介质压力；u′为脉动速度；xi为笛卡尔坐标分量；ρ为介质密度；μ为介质黏度。

3）雷诺应力运输方程

4）湍动能方程

5）湍动能耗散方程

2.2 组分传输模型

FLUENT软件提供了通用有限速度模型、非预混和燃烧模型、预混和燃烧模型、部分预混和燃烧模型4种模拟反应的方法。本文采用的通用有限速度模型是基于组分质量分数的输运方程解，可以根据定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟。这种模型的应用十分广泛，可包含预混、部分预混、非预混以及燃烧等，主要用于模拟化学组分混合、输运和反应的问题。

2.3 三维模型及网格划分

根据旋流脱硫塔的结构尺寸，应用PROE软件建立旋流脱硫塔三维结构模型，如图2所示，再将模型导入ICEM软件中划分结构网格，如图3所示。

图2 几何模型

图3 网格图

2.4 初始条件和边界条件设置

1）模拟的初始条件

采用RSM湍流模型求解瞬态的雷诺应力方程，计算塔内强旋流场；采用能量模型和组分传输模型模拟强旋流场内的化学反应。烟气温度为373 K，其中SO2的体积分数为0.12%。CaCO3溶液在进口处被雾化成微小液滴，按照与SO2气体摩尔比4∶1的比例和烟气混合进入脱硫塔内。

2）模拟的边界条件

入口边界条件：入口边界类型选择速度进口（velocity inlet），烟气流量Q=28.49 kg/s，计算入口流速为25 m/s。

出口边界条件：出口边界类型选择流动出口（outflow）。

壁面边界条件：计算壁面的边界条件采用无滑移边界。

3 结果与分析

3.1 旋流脱硫塔内的速度场模拟

在旋流反应器的速度场中，切向速度占据着一个重要的地位，这不仅因为切向速度在数值上远大于其他两个方向的速度，而且因为切向速度是离心力产生的前提。

为了利于观察不同截面的切向速度分布，在旋流脱硫塔柱段和锥段分别取2个截面进行分析，即y1=2 m，y2=0.6 m，y3=−1.4 m，y4=−3.4 m，其分布示意图如图4所示。

图4 旋流脱硫塔截面分布示意图

图5 中，a）、b）、c）、d）分别为y1、y2、y3、y4旋流脱硫横截面的切向速度分布图。由图5可知：塔内流场的切向速度分布基本呈轴对称，速度由中心处沿径向方向随着半径的增大而不断增大，到达最大值以后又逐渐减小，在塔壁附近降至较低，由此可以看出塔壁处和中心轴线处为切向速度低速区，旋涡在这两处形成，塔壁处为自由涡，中心轴线处为强制涡，双涡交汇处切向速度最大，约在r=0.5 m处取得。

3.2 旋流脱硫塔内的压力场模拟

图6为z=0 m、y=3 m处的截面静压分布云图。从图6中z=0 m处的剖面可以看出：静压沿轴向由塔顶向塔底，压力没有明显的变化，等压的位置几乎与中心轴线平行，所以可以得出轴向位置对压力的影响很小；从图6中y=3 m处的截面可以看出，压力沿着径向方向随半径的减小而减小，塔壁处压力最高，中心轴线处压力最低，这一现象与理论上旋流器中心轴线处易形成低压气柱相吻合。低压区使得烟气能够沿着中心轴线处上升直至塔顶处的烟气出口排出。

图5 不同旋流脱硫横截面的切向速度分布图

图6 z=0 m、y=3 m处静压分布云图

3.3 旋流脱硫塔内的浓度场模拟

3.3.1 旋流脱硫塔内SO2浓度分布

图7为z=0 m、y=3 m处SO2浓度分布云图。从图7中z=0 m处的剖面可以看出：塔内柱段SO2浓度变化明显，从上到下、从塔壁到中心处，SO2浓度急剧减小，说明碱液与SO2气体充分接触并反应，锥段处SO2浓度稳定在一个极低的范围内；从图7中y=3 m处的截面可以看出：烟气由进口切向进入沿塔壁环流后浓度急剧减少，其变化的趋势呈现旋转涡流的形态，其间，SO2几乎全部被雾化的碱液吸收，脱除效率达到了99.5%以上。

图7 z=0 m、y=3 m处SO2浓度分布云图

3.3.2 旋流脱硫塔内碱液浓度分布

图8为z=0 m和y=3 m处碱液浓度分布云图。从图8中可以看出：塔内碱液浓度与SO2浓度变化趋势一致。由进口切向进入塔内后沿塔壁环流后浓度快速减少，变化趋势为旋转涡流的形态。

图8 z=0 m、y=3 m处碱液浓度分布云图

4 结论

为了更好地满足IMO关于船舶硫氧化物的排放标准，本文提出一种利用旋风分离器原理的新型脱硫塔，并利用FLUENT软件，采用雷诺应力模型和组分传输模型对塔内的强旋流场和化学反应进行三维数值模拟，基于模拟结果可以得到以下结论：

1）塔内流场的切向速度分布基本符合兰金组合涡特征。塔中塔壁处和中心轴线处切向速度较小，在这两处形成了旋涡，塔壁处为自由涡，中心轴线处为强制涡，双涡交汇处切向速度最大，大约是在r=0.5 m处。

2）轴向位置对压力的影响很小，塔壁处压力最高，中心轴线处压力最低，这一现象与理论上旋流器中心轴线处易形成低压气柱相吻合。

3）SO2和碱液经进口切向进入塔内以后，浓度沿塔壁进行环流的过程中快速减少，其变化的趋势呈涡流状；SO2在塔内与碱液充分接触并几乎被全部吸收，其脱出效率达到了99.5%以上。

[1] 刘新华. 控制船舶柴油机排放的最佳方法[J]. 航海技术, 1995(1): 42-46.

[2] 冯春林, 卢明. 柴油机废气排放控制技术开发[J].柳州职业技术学院学报, 2007(3): 68-72.

[3] 马明志. 船舶柴油机减排新形势与技术发展[J].上海造船, 2009(4): 34-37, 41.

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