基于CFD的烟气脱硫数值模拟研究
摘 要：论文通过简述活性炭的化学性质及基本原理，得出活性炭表面有很多官能团可以吸附含硫化合物，应用CDF軟件建立活性炭脱硫数值模型，可得烟气入口速度、SO2入口浓度、吸附温度对活性炭脱硫效果的影响，并通过与实际试验效果进行对比，探究出最适合实际情况的数学模型。
关键词：CDF；烟气脱硫；数值模拟；活性炭
一、活性炭的脱硫原理
通常气体吸附在固体上有两种：物理吸附、化学吸附。物理吸附是由吸附质与吸附剂分子间作用力即作范德华力引起的，该结合力较弱，在吸附过程中没有电子转移、化学的断裂和生成及原子重排等，物理吸附一般在20℃-80℃就可发生且不需要活化能，被吸附物质也较易被解吸出来，因此该过程是可逆的。化学吸附是吸附质分子与固体表面原子或分子发生电子转移、交换或共用，该过程一般需要活化能，对温度也有要求，中温（80℃-160℃）以化学吸附为主，活性炭脱硫的化学反应主要是其表面的SO2和O2发生催化反应，生成SO3并与水生成H2SO4，当温度超过250℃时几乎全部为化学吸附。活性炭的脱硫原理如下：
O2→2O*，SO2→SO2*，H2O→H2O* （1）
SO2*+O*→SO3* （2）
SO3*+H2O*→H2SO4*，H2SO4*+nH2O→（H2SO4·nH2O） （3）
其中：*—表示吸附于活性炭表面的分子，反应（2）是控制步骤。
二、CFD简述
对于流体的分析研究，传统的方法是理论分析法和实验测量法。理论分析方法是指导实验研究和验证新的计算方法的基础，要求先对计算对象抽象化和简单化。实验测量方法所得到的结果真实可信，但实验常常受到工艺尺寸、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。该方法通过虚拟数值试验，可以对流体性能进行精准的验证和预测，可以对复杂的流体流动及传热现象进行精确地计算和分析，减少试验成本。将该方法与理论分析方法、实验测量方法结合，组成了研究流体流动问题的完整“3D”体系。
三、基于CFD活性炭脱硫数值模型的建立
（一）建立数学模型。使用CFD软件进行计算，选用标准k-ε两方程湍流模型，空间区域离散选择外节点法划分网格，对压力与速度的耦合采用SIMPLE算法求解，流体运动遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。
1、质量守恒方程
式中u、v、w分别为x、y、z坐标上的速度。
2、动量方程
式中，为广义扩散系数；S为源项，为耗散系数。
3、能量方程
式中，为流体的导热系数，为流体的内热源，为表面力对流体微元体所做的功，一般可以忽略。
（二）活性炭脱硫模拟结果分析
1、烟气入口速率。烟气入口速度在提高的同时分子在床内的停留时间会缩短，烟道中部分未及时反应的气体被带走，使反应器脱硫效率降低，反之脱硫效果就会提高。如图1在SO2出口浓度随脱硫时间的变化情况。
2、初始SO2浓度。当烟气中的SO2含量较高时，活性炭与SO2间的浓度梯度增大，气体扩散的推动力增大，使更多的SO2气体通过活性炭的微孔深入到颗粒内部发生物理吸附与化学反应，烟气中SO2浓度增加会与更多O2分子发生反应。此外，温度对多孔介质的化学反应影响非常大，60℃下活化能较小，化学反应不剧烈，即使增加初始SO2浓度也不会对脱硫效果有较大的影响。
3、吸附温度。吸附床层温度增加多孔介质区浓度也增加，该模拟过程只考虑化学吸附过程，当入口烟气温度增大时，烟气中的分子运动会更加剧烈，与反应器内分子的接触会更充分，使氧化反应速度加快，活性炭孔内浓度升高，可知反应的活化能与温度成正相关，参与反应的物质越多，反应速率就越快。在40℃和60℃时，多孔介质中浓度很低，说明只有很少的一部分SO2转化为S03。当温度升到时，大量的反应开始进行，使得不断生成和积累，最高含量达。
四、结语
总而言之，烟气中含硫化合物排放到大气中会污染大气环境，还会形成酸雨，因此，研究活性炭烟气脱硫对于减少含硫化合物的排放具有重要的现实意义，而建立CDF活性炭脱硫数值模型可以为相关人员提供更具科学性的参考依据。
参考文献：
[1]王盼.活性炭烟气脱硫工艺的研究进展及存在的问题[J].江西建材，
2016，05：275-276.