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    冷卻預(yù)處理器對(duì)燒結(jié)煙氣溫度影響仿真研究

    2010-05-29 07:10:44張洪祥黃重國袁清華龐建平
    關(guān)鍵詞:均值處理器煙氣

    張洪祥,黃重國,袁清華,龐建平

    (1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100084;2.北京國華新興節(jié)能環(huán)??萍加邢薰?,北京 100070)

    0 引 言

    燒結(jié)是鋼鐵工業(yè)中一個(gè)高污染、高排放的環(huán)節(jié),據(jù)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)鋼鐵廠燒結(jié)煙氣中SO2占鋼鐵企業(yè)SO2排放的40%~60%,造成嚴(yán)重的大氣污染,燒結(jié)脫硫已經(jīng)成為我國大氣污染控制領(lǐng)域最為緊迫的任務(wù)[1].燒結(jié)煙氣具有流量大、煙氣中SO2濃度低、煙氣溫度高等特點(diǎn),鋼廠一般又沒有預(yù)留足夠的空間安裝濕法脫硫裝置,而干法、半干法脫硫效果不理想,因而燒結(jié)煙氣凈化很困難.漩渦撞擊法脫硫改進(jìn)了普通的濕法脫硫技術(shù),設(shè)置了冷卻預(yù)處理器,降低了煙氣溫度,提高了脫硫效率,成功的應(yīng)用在燒結(jié)脫硫項(xiàng)目中[2].筆者采用Fluent模擬仿真了增設(shè)冷卻預(yù)處理器的運(yùn)行機(jī)理,研究噴水速度與煙氣溫度之間的關(guān)系,為控制煙氣溫度,提高脫硫效率提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)依據(jù).

    1 研究內(nèi)容與方案

    從燒結(jié)爐里出來的燒結(jié)煙氣溫度比較高,嚴(yán)重影響了脫硫效率,實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)溫度從38℃上升到149℃時(shí),脫硫效率從88.5%下降到了60.2%,下降了28.3%[3].為了降低溫度的影響,提高脫硫效率,必須對(duì)高溫?zé)Y(jié)煙氣進(jìn)行預(yù)處理.本文采用某公司脫硫塔的基本幾何參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)建立仿真模型,然后針對(duì)仿真模型通過改變噴淋速度改變噴水量,研究溫度的變化情況,最終得出煙氣溫度變化與噴淋速度的關(guān)系,從而達(dá)到通過控制噴淋速度控制煙氣溫度,提高脫硫效率的目的,脫硫塔基本參數(shù)如表1所示.

    表1 噴淋吸收塔及均氣環(huán)基本參數(shù)

    冷卻預(yù)處理器噴射層噴出冷卻水對(duì)煙氣進(jìn)行處理,煙氣在這階段得到冷卻降溫,同時(shí)具有使粉塵初步凝聚,二氧化硫得到部分凈化[4].冷卻預(yù)處理器通過控制噴水速度控制噴水量,從而控制液氣比,調(diào)節(jié)煙氣溫度,使其處于最佳溫度范圍303~333 K[5].仿真中噴水速度分別取10、15、20、25、30、35、40 m/s幾組數(shù)值.

    仿真結(jié)果中關(guān)于溫度的取值,為了準(zhǔn)確描述煙氣冷卻的效果,本文采用均值溫度和溫度方差來比較不同噴水速度的冷卻效果.我們?cè)谥髅摿騾^(qū)域取一氣體參考面,沿表面直徑方向均勻連續(xù)取值(塔壁處不取),然后求溫度均值和方差,通過溫度均值和標(biāo)準(zhǔn)差S*的大小反應(yīng)氣體均布情況.煙氣脫硫本身要求足夠的反應(yīng)時(shí)間,為了提高脫硫效率,要求溫度處最佳脫硫溫度范圍,溫度波動(dòng)越小越好.

    仿真過程中假設(shè):

    a.不考慮輻射散熱;假設(shè)塔壁為絕熱壁,不傳遞熱量,即散熱量設(shè)置為0;并且采用了無速度滑移和無質(zhì)量滲透條件;b.漿液池液面簡化為固體壁面處理,忽略漿液池液面波動(dòng)對(duì)煙氣的影響,不考慮脫硫漿液的冷卻作用;c.不考慮化學(xué)反應(yīng)放出的熱量.

    2 研究結(jié)果分析

    實(shí)驗(yàn)表明脫硫效率隨溫度升高而下降的速率較快,隨著煙氣溫度的增加,脫硫效率逐漸降低.但是,溫度過低,則影響反應(yīng)速度,同樣降低脫硫效率.在煙氣脫硫塔中,最佳脫硫溫度范圍為30~60 ℃(303~333 K).本研究對(duì)不同噴水速度進(jìn)行模擬仿真效果如圖1所示.

    由圖1可以看出當(dāng)噴水速度達(dá)到25 m/s時(shí),在脫硫塔中間(脫硫反應(yīng)大部分在這部分進(jìn)行)大部分已經(jīng)在最佳溫度范圍,冷卻效果顯著.即噴水速度為25 m/s時(shí),冷卻效果已經(jīng)達(dá)到要求.我們?cè)谥髅摿騾^(qū)域取距液面9 m處橫截面為參考面,對(duì)溫度均勻取值,然后求均值建立溫度隨噴水速度變化曲線圖如圖2所示,從圖上可以清晰地看出噴水速度在30 m/s以后,隨著噴水速度的增加,溫度下降緩慢.由此得出最佳噴水速度為25~30 m/s.噴水速度過高,造成水的浪費(fèi)并增加了能耗;噴水速度過低則達(dá)不到最佳脫硫溫度范圍,影響脫硫效率.

    圖1 不同噴水速度溫度場示意圖(單位:K)

    根據(jù)圖2噴水速度與溫度的關(guān)系曲線以及仿真數(shù)據(jù),采用MATLAB對(duì)噴水速度與平均溫度進(jìn)行三次擬合,可得到如下關(guān)系式:

    f(v)=-0.0006v3+0.095v2-

    4.513v+399.8v≥5

    (1)

    圖3為噴水速度與溫度關(guān)系的擬合曲線,從擬合曲線上可以看出該公式與仿真數(shù)據(jù)誤差很小,擬合度很高,公式(1)可以用于計(jì)算噴水量與溫度的關(guān)系,從而精確控制煙氣溫度,節(jié)約能耗和水資源,提高脫硫效率.

    圖2 噴水速度與溫度關(guān)系

    圖3 噴水速度與溫度擬合曲線

    3 結(jié) 語

    提出了冷卻預(yù)處理器噴水量與溫度的關(guān)系,噴水速度在低于30 m/s時(shí),隨著噴水速度的增加,溫度下降很快;大于30 m/s后,隨著噴水速度增加,冷卻效果不明顯.由此得出最佳噴水速度為25~30 m/s.

    參考文獻(xiàn):

    [1]王曉泳.我國燒結(jié)脫硫現(xiàn)狀分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2007(12):25-27.

    [2]李先春,謝安國.爐內(nèi)噴鈣脫硫過程中爐膛溫度及脫硫劑混合的數(shù)值模擬[J].冶金能源,2005(3):23-26.

    [3]Fang L J, Song H P, Zhou Q L, et al. Experimental study on the performance of heat transfer of a novel liquid-gas two-phase flow scrubber for flue gas desulphurization Proceedings[C]//the ASME Power Conference 2005, Pts A and B, 2005:775-778.

    [4]周玉新, 劉碧.撞擊流燃煤煙氣濕法脫硫吸收劑的選擇[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(5):8-10.

    [5]Zhang J, You C F, Qi H Y, et al. Effect of operating parameters and reactor structure on moderate temperature dry desulphurization[J].Environmental Science & Technology,2006,40:4300-4305.

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