燒結(jié)煙氣氨法脫硫塔氣液兩相流數(shù)值模擬

溫榮耀+劉克儉+魏進超

摘要： 為研究脫硫塔內(nèi)的氣液分布情況對脫硫效率的影響，選用FLUENT作為計算工具，以燒結(jié)煙氣氨法脫硫塔作為研究對象，對塔內(nèi)氣相湍流采用Euler方法描述，對噴淋液滴采用Lagrange顆粒軌道模型描述，研究煙氣入口傾角和入口距離漿液池液面高度對脫硫塔內(nèi)氣液兩相流場分布的影響，并對脫硫塔的關(guān)鍵參數(shù)取值給出建議.

關(guān)鍵詞： 脫硫塔； 氣液兩相流； 數(shù)值模擬； 參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號： X701.3文獻標志碼： B

Abstract： To study the effect of gasliquid distribution in desulfurization tower on the desulfurization efficiency， FLUENT is chosen as the calculation tool and a desulfurization tower of sintering flue gas ammonia process is taken as the research object. The Euler method is used to describe the gasphase turbulence， and the Lagrange particle trajectory model is used to describe the spray droplets. The effect of gas inlet angle and height from inlet to liquid surface of slurry pool on the gasliquid twophase flow in desulfurization tower is analyzed， and the values of key parameters of desulfurization tower are suggested.

Key words： desulfurization tower； gasliquid twophase flow； numerical simulation； parameter optimization

收稿日期： 2014[KG*9〗07[KG*9〗11修回日期： 2014[KG*9〗09[KG*9〗29

作者簡介： 溫榮耀（1987—），男，福建泉州人，工程師，碩士，研究方向為計算流體力學(xué)，（Email）568484156@qq.com0引言

一般情況下，鋼鐵企業(yè)SO2排放總量的40%～60%來自燒結(jié)過程，因此做好燒結(jié)過程中SO2的排放控制是鋼鐵企業(yè)污染治理的重點.[1]煙氣脫硫國產(chǎn)化是降低工程造價、治理SO2和發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)的需要.

氨法脫硫工藝是國內(nèi)外煙氣脫硫常用的成熟工藝.相對于其他吸收裝置，噴淋塔除脫硫效率高外，還具有壓降小、內(nèi)構(gòu)件相對較少和不易結(jié)垢等優(yōu)點，所以氨法煙氣脫硫工藝中脫硫塔主要選用噴淋塔.[2]

李仁剛等[3]、魏星等[4]、趙喆等[5]和李鐵軍[6]研究火電機組和鍋爐的煙氣濕法脫硫噴淋塔流體力學(xué)特性，李兆東等[7]研究濕法脫硫螺旋噴嘴霧化性能，而燒結(jié)工藝涉及的脫硫噴淋塔和煙氣特性均與上述文獻存在區(qū)別.本文研究燒結(jié)煙氣氨法脫硫噴淋塔氣液兩相流場，并進一步研究煙氣入口傾角、煙氣入口距離漿液池液面高度2個參數(shù)對脫硫塔內(nèi)氣液兩相流場的影響.

1脫硫塔模型建立

1.1物理模型

燒結(jié)煙氣氨法脫硫工藝見圖1.煙氣進入脫硫塔前，先經(jīng)過噴淋降溫，后由底部進口進入塔體，在上升過程中依次經(jīng)過4個噴淋層.脫硫漿液由布置于噴淋層的霧化噴嘴引入，與煙氣形成逆流接觸.經(jīng)過洗滌之后的煙氣進入除霧段，除去煙氣夾帶的微小液滴，最后煙氣進入煙囪排放，而吸收SO2之后的噴淋液下落至漿液池，循環(huán)利用.

1.2模型簡化

對該脫硫塔內(nèi)煙氣與漿液滴兩相流動情況進行如下假設(shè)和簡化.

1）不考慮塔內(nèi)噴嘴、噴淋層的幾何尺寸等組件對塔內(nèi)氣液流場的影響.

2）噴淋塔模擬區(qū)域為漿液池液面以上至除霧器下端，認為漿液為反射面、除霧器出口為等壓面.

3）燒結(jié)煙氣為不含塵的潔凈煙氣.

4）煙氣視為不可壓縮牛頓流體.

5）流動為三維、定常流動，湍流為各向同性.

6）忽略塔內(nèi)存在的化學(xué)反應(yīng).

7）假設(shè)噴淋液滴為球形.

1.3數(shù)學(xué)模型

對脫硫塔進行物理簡化之后，從數(shù)學(xué)的角度建立控制方程組，并將其離散化、線性化以進行迭代求解.[810]

2邊界條件

1）煙氣邊界條件

煙氣進口流速為12 m/s，密度為1.03 kg/m3，入口溫度為60 ℃，出口壓力為200 Pa.

2）噴淋液滴邊界條件

噴淋塔內(nèi)布置4層噴嘴，每層53個，噴嘴形式為中空錐形，噴射角度為90°.

噴嘴采用cone射流霧化模型，噴嘴出口液滴速度為5.98 m/s，液滴尺寸采用RosinRammler分布描述，中位徑為2 650 μm，分布指數(shù)為2.99.

3）壁面邊界條件

壁面采用絕熱邊界，液滴與壁面的接觸為逃逸.

3模擬結(jié)果與分析

仿真表明，煙氣入口傾角和煙氣入口距離漿液池液面高度對塔內(nèi)氣液流動情況有顯著影響.

3.1不同煙氣入口傾角的仿真結(jié)果

選取煙氣入口傾角分別為3°，6°，9°，12°和15°，仿真得到塔內(nèi)縱截面流場見圖2，塔內(nèi)第1層噴淋塔截面流場見圖3.a）入口傾角3°b）入口傾角6°c）入口傾角9°d）入口傾角12°e）入口傾角15°

對比不同煙氣入口傾角塔內(nèi)流場發(fā)現(xiàn)：隨著煙氣入口角度的增加，塔內(nèi)流場先趨于均勻，然后左右側(cè)壁面附近垂直方向的氣流速度不斷增加，入口傾角為15°時最明顯，此時已經(jīng)出現(xiàn)明顯的氣流短路現(xiàn)象，對SO2的吸收極為不利，應(yīng)盡量避免.塔內(nèi)中間區(qū)域流場變化不明顯.煙氣在進入吸收塔后在漿液上方產(chǎn)生巨大的回流低壓區(qū)，氣流產(chǎn)生巨大的離心力，對于除塵非常有利：在塔前噴淋液作用下，煙氣中的粉塵被打濕，比重增加，部分發(fā)生凝聚，進入塔內(nèi)之后在巨大的離心力作用下甩向入口對面塔壁面以及下部漿液池液面上.回流低壓區(qū)對于氣流分布不利：巨大回流區(qū)的存在使得靠近入口處塔內(nèi)左右側(cè)壁面的氣流速度增加，容易造成氣流短路，同時回流區(qū)的存在還會伴隨著能量的消耗，增加噴淋塔的阻力.利弊同時存在，取二者折中的優(yōu)化值為妥.

煙氣入口傾角分別為3°，6°，9°，12°和15°時進出口壓力損失見圖4.入口傾角為3°時的壓力損失明顯大于其他各角度的壓力損失，原因是入口角度較小，氣流幾乎是對著入口對面的塔壁面沖過去，該過程損失很大的能量.

綜合考慮塔內(nèi)流場均勻性和壓力損失，最佳入口煙氣角度應(yīng)該在9°左右.

3.2煙氣入口距漿液池液面不同高度的仿真結(jié)果

選取煙氣入口距漿液池液面高度分別為0.7，1.7，2.7和3.7 m，得到塔內(nèi)縱截面流場分布見圖5，塔內(nèi)第一層噴淋塔流場分布見圖6.

a）高0.7 mb）高1.7 mc）高2.7 md） 高3.7 m，對比不同入口煙道底部距液面高度的塔內(nèi)流場發(fā)現(xiàn)：煙道底部距液面高度為0.7 m時，塔內(nèi)左右側(cè)壁面附近垂直方向的氣流速度最小，整個塔的斷面速度分布非常均勻，有利于對SO2的吸收；而煙道底部距液面高度1.7 m時，塔內(nèi)左右側(cè)壁面附近垂直方向的氣流速度最大，可以看出煙道底部距液面高度1.7 m時已經(jīng)出現(xiàn)明顯的氣流短路現(xiàn)象，對SO2的吸收極為不利，應(yīng)盡量避免；隨著高度的增加這種趨勢慢慢的變小，到3.7 m時已經(jīng)沒有明顯的大面積氣流短路.

塔內(nèi)液面上方區(qū)域流場變化明顯，除煙道底部距液面高度為0.7 m外，煙氣在進入吸收塔后在漿液上方產(chǎn)生一個巨大的回流低壓區(qū)，隨著煙道底面距液面高度增加，回流區(qū)面積越來越大，在回流區(qū)氣流產(chǎn)生巨大的離心力，對除塵非常有利，但是對于氣流分布不利：巨大的回流區(qū)的存在使得靠近塔內(nèi)左右側(cè)壁面的氣流速度增加，容易造成氣流短路，同時回流區(qū)面積的增加還會伴隨著能量的消耗，增加吸收塔的阻力.利弊同時存在，取二者折中的優(yōu)化值為妥.

煙道底部距漿液池液面不同高度時進出口壓力損失見圖7.由此可知：0.7和3.7 m高度時的壓力損失明顯大于1.7和2.7 m高度時的壓力.造成這2處差別的原因是不同的：煙道底面距液面高度0.7 m時，液面上方的空間不利于形成回流區(qū)，氣流幾乎對著入口對面的塔壁面沖過去，該過程損失大部分動能，而高度3.7 m時形成的回流漩渦區(qū)面積最大，相應(yīng)的能量損失也大.

綜合考慮塔內(nèi)流場均勻性和壓力損失，最佳的入口煙道距離漿液的高度應(yīng)該在2.7 m左右.

4試驗

以中冶長天在湘鋼的氨法脫硫中的裝置為試驗設(shè)備.由于塔內(nèi)氣液分布情況直接決定煙氣脫硫效率，試驗考察不同煙氣入口傾角、煙氣入口距漿液池液面不同高度的脫硫效率.

4.1不同煙氣入口傾角的脫硫效率

不同煙氣入口傾角的脫硫效率試驗結(jié)果見圖8.由此可知：試驗結(jié)果與前文的仿真分析趨勢一致，隨著入口傾角的增大，脫硫效率呈拋物線變化，最佳入口傾角為9°左右.

4.2煙氣入口距漿液池液面不同高度的脫硫效率

煙氣入口距漿液池液面不同高度的脫硫效率試驗結(jié)果見圖9.

由圖9可知：試驗結(jié)果與仿真分析趨勢一致，0.7 m時脫硫效率最好，1.7 m時脫硫效率最差.

5結(jié)論

利用FLUENT結(jié)合試驗分析氨法脫硫塔塔內(nèi)流場和脫硫效率.綜合考慮塔內(nèi)氣液流場和進出口壓力損失，最佳的煙氣入口傾角為9°左右，最佳的煙氣入口距離漿液池液面高度為2.7 m左右.

參考文獻：

[1]郭東明. 硫氮污染防治工程技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2001： 5070.

[2]鐘秦. 燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實例[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2002： 166180.

[3]李仁剛， 管一明， 周啟宏， 等. 煙氣脫硫噴淋塔流體力學(xué)特性研究[J]. 電力環(huán)境保護， 2002， 17（4）： 48.

LI Rengang， GUAN Yiming， ZHOU Qihong， et al. Study on aerodynamic characteristics of FGD spray scrubber[J]. Electr Power Environ Protection， 2002， 17（4）： 48.

[4]魏星， 李偉力， 丹鳳仙， 等. 脫硫塔氣固兩相流場優(yōu)化的數(shù)值模擬研究[J]. 中國電機工程學(xué)報， 2006， 26（7）： 1217.

WEI Xing， LI Weili， DAN Fengxian， et al. Numerical simulation study on the optimization of gassolid twophase flows in a desulfurization tower[J]. Proc Chin Soc Electr Eng， 2006， 28（7）： 1217.

[5]趙喆， 田賀忠， 阿慶興， 等. 濕式煙氣脫硫噴淋塔內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備， 2005， 6（5）： 1720

ZHAO Zhe， TIAN Hezhong， A Qingxing， et al. Numerical simulation of wet flue gas desulfurization spray tower[J]. Techniques Equipment Environ Pollut Contr， 2005， 6（5）： 1720.

[6]李鐵軍. 脫硫塔塔內(nèi)流場的試驗研究和數(shù)值模擬[D]. 北京： 華北電力大學(xué)， 2007.

[7]李兆東， 王世和， 王小明. 濕式脫硫螺旋噴嘴霧化性能[J]. 東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2008， 38（2）： 5860.

LI Zhaodong， WANG Shihe， WANG Xiaoming. Spray characteristics of spiral nozzles used in wet flue gas desulfurization system[J]. J Southeast Univ（Nat Sci）， 2008， 38（2）： 5860.

[8]周光炯， 嚴宗毅. 流體力學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社， 1992： 100120.

[9]蕭澤強， 朱苗勇. 冶金過程數(shù)值模擬分析技術(shù)的應(yīng)用[M]. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 2006： 68.

[10]周俊杰， 徐國權(quán)， 張華俊. FLUENT工程技術(shù)與實例分析[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2010： 276286.