一种脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟方法及系统与流程

1.本发明涉及脱硫废水烟道蒸发技术领域，具体地说，涉及一种脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟方法及系统。


背景技术：

2.燃煤电厂是发电主力，而煤炭的燃烧会产生大量的so2，直接排放会对环境造成严重污染。因此大多数燃煤电厂都进行了烟气脱硫处理，石灰石—石膏湿法脱硫工艺由于脱硫率高、适应性广、技术最为成熟等特点成为应用最广泛的烟气脱硫技术。但是湿法脱硫中的循环液会不断聚集粉尘、重金属元素和氯离子，形成污染危害程度较高的脱硫废液，必须进行无害化处理后才能排放。传统的处理脱硫废液的方法为“三联箱”化学沉淀工艺，需要经过中和、絮凝、混凝、沉淀等过程，虽然该工艺能处理脱硫废水中的悬浮物，胶状物质，重金属离子等绝大多数污染物，满足达标排放标准，但是不能去除废液中的一些盐分，因此这部分水无法回收利用，直接向大自然排放会引起水体和土壤盐碱化等问题。为了解决此问题，国内外学者提出了旋转喷雾干燥技术并得到了广泛应用，该技术利用高效雾化喷嘴将脱硫废水雾化为小液滴，以空预器前引出的烟气作为热源，两者在单独设置的喷雾干燥塔中充分混合，烟气余热将废水完全蒸发，使废水中的污染物转化为固态结晶物或盐类，随飞灰一起在除尘器内被捕集，实现脱硫废水的零排放。但是，目前缺少脱硫废水烟道蒸发数值模拟方法。


技术实现要素：

3.本发明的内容是提供一种脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟方法及系统，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
4.根据本发明的一种脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟方法，其包括以下步骤：
5.一、建立气体流动模型；
6.二、采用realizablek-ε模型进行气相湍流流动数值模拟计算；
7.三、采用随机颗粒轨道模型来模拟干燥塔内液滴颗粒的运动过程。
8.作为优选，步骤一中，气体流动模型包括连续性方程、动量方程及k和ε的两个输运方程；气相组分的连续性方程为式(1)，动量方程为式(2)；
[0009][0010]
式中sm为由离散项液滴向连续项烟气蒸发产生的质量源项；
[0011][0012]
式中p为静压，为重力体积力，为离散项液滴产生的作用力，μ为分子粘度，i为单位张量。
[0013]
作为优选，步骤二中，realizablek-ε模型中，湍流动能k与其耗散率ε的计算方程
为式(3)与式(4)，c1与η的取值由式(5)、(6)计算；
[0014][0015][0016][0017][0018]
式中gk指由平均速度梯度产生的湍流动能，gb为由浮升力产生的湍流动能，ym为可压缩湍流中波动膨胀对于总耗散率的影响程度；c
1ε
和c2为常数；σk与σ
ε
为湍流动能k与其耗散率ε的湍流普朗特数；sk与s
ε
为用户对于湍流动能k与其耗散率ε的自定义源项。
[0019]
作为优选，c
1ε
＝1.44，c2＝1.9，σk＝1.0，σ
ε
＝1.2。
[0020]
作为优选，随机颗粒轨道模型是将液滴颗粒按初始尺寸分组，从拉格朗日坐标系中的颗粒瞬时方程组出发，考虑湍流对颗粒的作用，计算颗粒的随机轨道及沿轨道的变化经历。
[0021]
作为优选，离散相液滴颗粒的运动方程由式(7)控制；
[0022][0023]
其中m
p
为液滴质量，为气相流体速度，为液滴速度，ρ为气相流体密度；ρ
p
为液滴的密度，为附加力，为液滴受到的拽力，τr为液滴的弛豫时间。
[0024]
作为优选，τr由式(8)计算；
[0025][0026]
式中，μ为烟气的分子粘度，d
p
为液滴直径，re为液滴与烟气之间的相对雷诺数，cd为液滴的拖拽系数。
[0027]
作为优选，
[0028][0029]
re由式(9)计算。
[0030]
作为优选，cd采用的是动力拖拽模型，该模型适用于泰勒类比破碎tab模型，该模型将液滴的破碎过程中的形变考虑进来；
[0031]cd
＝c
d,sphere
(1+2.632y)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0032]cd
由式(10)计算。
[0033]
本发明还提供了一种脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟系统，其采用上述的一种
脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟方法。
[0034]
本发明首次提出了烟道蒸发数值模拟方法，能较佳地进行烟道蒸发数值模拟，为现场开展脱硫废水烟道蒸发设计、制造、现场优化运行提供一种理论手段。
附图说明
[0035]
图1为实施例1中一种脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟方法的流程图。
具体实施方式
[0036]
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
[0037]
实施例1
[0038]
如图1所示，本实施例提供了一种脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟方法，其包括以下步骤：
[0039]
一、建立气体流动模型；
[0040]
二、采用realizable k-ε模型进行气相湍流流动数值模拟计算；
[0041]
三、采用随机颗粒轨道模型来模拟干燥塔内液滴颗粒的运动过程。
[0042]
气体流动模型包括连续性方程、动量方程及k和ε的两个输运方程；气相组分的连续性(质量守恒)方程为式(1)，动量方程为式(2)；
[0043][0044]
式中sm为由离散项液滴向连续项烟气蒸发产生的质量源项；
[0045][0046]
式中p为静压，为重力体积力，为离散项液滴产生的作用力，μ为分子粘度，i为单位张量。
[0047]
气相组分的湍流方程采用对射流模拟准确性更高的realizablek-ε模型，realizablek-ε模型中，湍流动能k与其耗散率ε的计算方程为式(3)与式(4)，c1与η的取值由式(5)、(6)计算；
[0048][0049][0050][0051][0052]
式中gk指由平均速度梯度产生的湍流动能，gb为由浮升力产生的湍流动能，ym为可
压缩湍流中波动膨胀对于总耗散率的影响程度；c
1ε
和c2为常数；σk与σ
ε
为湍流动能k与其耗散率ε的湍流普朗特数；sk与s
ε
为用户对于湍流动能k与其耗散率ε的自定义源项。
[0053]c1ε
＝1.44，c2＝1.9，σk＝1.0，σ
ε
＝1.2。
[0054]
采用realizable(带旋转修正)双方程模型进行气相湍流流动数值模拟计算。realizable方程模型主要的特点就是它是通过求偏微分方程来考虑湍流物理量的输运过程，即通过求解偏微分方程确定脉动特征速度与平均场速度梯度的关系，而不是直接将两者联系起来；另外，模型中的特征长度不是由经验确定，而是以耗散尺度作为特征长度，并由求解相应的偏微分方程得到。因此带旋流修正的模型对于平板和圆柱射流的发散比率有更精确的预测，而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。现在realizable双方程模型己被有效的用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动、以及带有分离的流动等。而且都取得了与试验数据比较一致的结果，适合工程问题研究。
[0055]
带旋流修正的模型是近期才出现的，比起标准模型来有两个主要的不同点：(1)带旋流修正的模型为湍流粘性增加了一个公式，(2)为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。通过修正后的标准模型，明显的提高了对平面射流以及圆柱射流的扩散率的模拟精度。
[0056]
随机颗粒轨道模型是将液滴颗粒按初始尺寸分组，从拉格朗日坐标系中的颗粒瞬时方程组出发，考虑湍流对颗粒的作用，计算颗粒的随机轨道及沿轨道的变化经历。
[0057]
离散相液滴颗粒的运动方程由式(7)控制；
[0058][0059]
其中m
p
为液滴质量，为气相流体速度，为液滴速度，ρ为气相流体密度；ρ
p
为液滴的密度，为附加力，由于液滴的密度远大于烟气的密度，所以该项可以忽略不计，为液滴受到的拽力，τr为液滴的弛豫时间，由式(8)计算；
[0060][0061]
式中，μ为烟气的分子粘度，d
p
为液滴直径，re为液滴与烟气之间的相对雷诺数，由式(9)计算；
[0062][0063]cd
＝c
d,sphere
(1+2.632y)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0064]cd
为液滴的拖拽系数，采用的是动力拖拽模型，该模型适用于泰勒类比破碎tab模型，该模型将液滴的破碎过程中的形变考虑进来，由式(10)计算。
[0065]
本实施例还提供了一种脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟系统，其采用上述的一种脱硫废水零排放烟道蒸发数值模拟方法。
[0066]
干燥塔内液滴的雾化蒸发是一个复杂的物理过程，它涉及到多相流动、传热传质等多个学科，因此要完全和准确地描述雾化蒸发过程是很困难的。由于干燥塔内的压力变
化较小，时间对流场变化的影响也较小，因此选择压力求解器进行稳态模拟。为了反映高速复杂涡对气流的影响，湍流方程选择realizablek-ε模型，采用增强壁面函数。离散相位采用基于拉格朗日坐标的dpm模型进行描述。湍流对液滴的运动轨迹有重要影响，因此采用随机轨迹模型来描述液滴的湍流扩散。首先进行连续相位仿真直到收敛，然后激活dpm离散模型，通过连续相位和离散相位的互耦迭代直到收敛。蒸发实验表明cl离子含量为10万ppm的浓缩液与10％nacl溶液具有一定等效性，因此利用10％nacl溶液代替脱硫浓缩液进行数值模拟。
[0067]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。