基于計算流體動力學(xué)的氯化鉀尾氣熱質(zhì)回收塔流場分析和優(yōu)化*

包慶山，陳 杭，任紅偉，賈國安，毛冠華，宋興福，

(1.青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，青海 格爾木 816000； 2.華東理工大學(xué) 資源(鹽湖)過程工程教育部工程研究中心，上海 200237)

0 引言

鉀是重要的戰(zhàn)略資源，事關(guān)國家糧食安全。我國鹽湖科技人員圍繞鹽湖鉀資源開采與加工開展了卓有成效的研究工作，形成了冷分解-正浮選[1-4]、反浮選-冷結(jié)晶[5-8]、冷結(jié)晶-正浮選[9-10]、兌鹵法[11]等多種生產(chǎn)工藝，部分生產(chǎn)工藝及成套裝備設(shè)計、制造技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。盡管氯化鉀生產(chǎn)工藝原理不同，但每種工藝得到的氯化鉀均需干燥才能獲得合格產(chǎn)品，干燥后排放的尾氣溫度在110 ℃以上，且含有氯化鉀粉塵。毛冠華等[12]研究發(fā)現(xiàn)，氯化鉀等無機(jī)鹽對硫酸鈣具有增溶效應(yīng)；李樹民等[13]據(jù)此提出了一種對含氯化鉀高溫尾氣進(jìn)行質(zhì)熱一體化回收的方法，通過工藝水洗滌回收尾氣余熱和氯化鉀，用于氯化鉀冷結(jié)晶生產(chǎn)過程，減少了尾氣對環(huán)境的粉塵污染和熱污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

計算流體動力學(xué)模擬是化工裝備放大的有效研究手段，在氣體的噴淋洗滌等研究中有著廣泛應(yīng)用[14-15]。本文采用數(shù)值模擬方法分析了熱質(zhì)回收塔空塔干燥尾氣流場分布情況，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了不同篩孔排布方式的氣體分布器，并考查了這些氣體分布器對回收塔內(nèi)干燥尾氣流場的均布情況，研究結(jié)果對實(shí)際尾氣熱質(zhì)回收塔氣體均布器設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)與模型建立

以青海鹽湖工業(yè)股份有限公司年產(chǎn)70萬t氯化鉀生產(chǎn)裝置干燥尾氣熱質(zhì)回收塔為例，其主體塔徑為3.8 m、高13.17 m，上部煙囪部分直徑為1.8 m、高4.7 m，干燥尾氣進(jìn)口中心距離塔底2.8 m、進(jìn)口直徑1.3 m，氣體均布器安裝位置距離塔底4.15 m。氣體均布器參考板式吸收塔篩板[16-17]設(shè)計，采用等邊三角形叉排均布篩孔，孔徑為0.1 m、孔心距為0.15 m，經(jīng)過計算開孔數(shù)為524個、開孔率為36%。

采用ProE Wildfire5.0進(jìn)行物理網(wǎng)格構(gòu)建，針對熱質(zhì)回收塔幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在氣體分布孔處局部加密，這樣既能保證網(wǎng)格質(zhì)量，又可以提高計算效率和準(zhǔn)確性?；厥账膸缀谓Y(jié)構(gòu)與模型網(wǎng)格示意圖見圖1。首先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)80萬網(wǎng)格可以兼顧計算效率和準(zhǔn)確性，因此后續(xù)研究選擇80萬網(wǎng)格。

圖1 回收塔的幾何結(jié)構(gòu)與模型網(wǎng)格示意圖Fig.1 Geometry and grid scheme of the heat and mass recycling tower

在模型計算中，模型控制方程主要為質(zhì)量和動量守恒方程，體系中視干燥尾氣為連續(xù)相，整個系統(tǒng)干燥尾氣壓力變化很小，可假設(shè)干燥尾氣為不可壓縮牛頓流體，干燥尾氣流體流動過程遵循質(zhì)量守恒定律，歐拉法質(zhì)量守恒方程為

(1)

動量守恒方程可以描述為：

(2)

(3)

(4)

式中，ρ為干燥尾氣密度，p為靜壓，u、υ、ω分別為速度矢量沿x、y、z軸的分量，t為時間，μ為干燥尾氣的黏度，F(xiàn)x、Fy、Fz分別為兩相流動過程中相間作用力在x、y、z軸的分量。

2 回收塔空塔干燥尾氣流場分析

在滿負(fù)荷干燥尾氣流量為15萬m3/h的條件下，考查干燥尾氣流量變化對回收塔內(nèi)氣體流場的影響。

模擬計算了80%、90%、100%、110%、120%流量負(fù)荷下回收塔內(nèi)氣體流場分布情況，塔內(nèi)橫向和縱向中心截面流線分布分別見圖2和圖3。干燥尾氣通過回收塔內(nèi)氣體進(jìn)口進(jìn)入塔內(nèi)，在進(jìn)氣口下方形成兩個旋渦，大部分干燥尾氣與進(jìn)氣口對面的器壁發(fā)生碰撞形成向上氣流，并在向上過程中發(fā)生偏流，干燥尾氣偏流在進(jìn)氣口上方形成兩個較大的旋渦。一方面造成部分干燥尾氣流速不均，從而使干燥尾氣在塔內(nèi)停留時間顯著不均；另一方面使偏流區(qū)域尾氣流速增大，因而不利于后續(xù)通過噴霧液體實(shí)現(xiàn)氣液交換回收熱量以及對氯化鉀粉塵的捕集回收；同時部分高速流動的氣體會帶出噴霧液體，造成噴霧液體的損失擴(kuò)大，另夾帶出少量無機(jī)鹽，造成干燥尾氣粉塵無法達(dá)標(biāo)排放。

圖2 不同干燥尾氣流量負(fù)荷下橫向中心截面流線分布Fig.2 Streamline distribution of horizontal center section under different dry tail gas flow loads

圖3 不同干燥尾氣流量負(fù)荷下縱向中心截面流線分布Fig.3 Streamline distribution of longitudinal center section under different dry tail gas flow loads

結(jié)合不同干燥尾氣流量負(fù)荷下橫向中心截面的速度分布(見圖4)可以看出，隨著干燥尾氣流量負(fù)荷的增大，流場中形成旋渦處的流線越來越密集，速度越來越大，旋渦作用越來越強(qiáng)。旋渦的存在，使得干燥尾氣的動能消耗增加，因而增大了裝置引風(fēng)機(jī)的電機(jī)負(fù)荷和電耗。

圖4 不同干燥尾氣流量負(fù)荷下橫向中心截面速度分布Fig.4 Velocity distribution of horizontal center section under different dry tail gas flow loads

3 氣體分布器篩孔排布方式對流場的影響

使干燥尾氣流場均勻分布的有效方法是設(shè)置合適的氣體分布器，其篩孔的排布方式對塔內(nèi)干燥尾氣偏流、旋渦的消除及氣體均布具有顯著影響。在本研究中氣體均布器安裝在距離塔底4.15 m的位置，所調(diào)整的篩孔區(qū)域位于干燥尾氣進(jìn)口位置的對面，篩板的對稱軸與干燥尾氣進(jìn)口中心線平行。模擬計算了篩孔(孔徑為0.1 m)均勻的氣體分布器[記為A型，見圖5(a)]對流場的影響情況，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)部分區(qū)域篩孔數(shù)量或者改變篩孔直徑，形成了3種改進(jìn)型氣體分布器，分別記為：①B型，是在A型基礎(chǔ)上將對應(yīng)干燥尾氣偏流區(qū)1/4直徑區(qū)域的均布孔直徑減小一半，見圖5(b)；②C型，是在A型基礎(chǔ)上將對應(yīng)干燥尾氣偏流區(qū)1/4直徑區(qū)域的均布孔直徑減至0.08 m，見圖5(c)；③D型，是在A型基礎(chǔ)上將對應(yīng)干燥尾氣偏流區(qū)1/8直徑區(qū)域的均布孔直徑減至0.08 m，見圖5(d)。

圖5 4種氣體分布器篩孔排布示意圖Fig.5 Sieve mesh arrangement diagram for four types of gas distributors

在滿負(fù)荷的干燥尾氣流量下，選用不同類型氣體分布器開展單相流流場模擬計算，計算得到的橫向中心截面速度分布見圖6，與之對應(yīng)的流線見圖7。

圖6 不同類型氣體分布器回收塔內(nèi)橫向中心截面速度分布Fig.6 Velocity distribution at horizontal center section of recycling tower with different types of gas distributors

圖7 不同類型氣體分布器回收塔內(nèi)橫向中心截面流線Fig.7 Streamline at horizontal center section of recycling tower with different types of gas distributors

對比回收塔在安裝不同類型氣體分布器前后的流場分布情況，發(fā)現(xiàn)干燥尾氣經(jīng)過氣體均布器調(diào)整后，氣體均布器上方大部分區(qū)域尾氣速度分布均勻度較空塔有了明顯改善，偏流區(qū)減小，旋渦也顯著減小。進(jìn)一步對比不同篩孔排布方式對干燥尾氣偏流區(qū)的氣體分布影響，采用篩孔均勻的氣體分布器，偏流區(qū)煙氣經(jīng)過氣體分布器后速度仍然明顯高于其他區(qū)域(見圖6中的A型)，形成的壓力分布不均，在壓力差的作用下，氣體分布器上方出現(xiàn)了較小旋渦(見圖7中的A型)。B型氣體分布器因開孔面積減少過多，橫向截面圖中氣體分布器上方存在明顯的速度分布不均勻區(qū)域(見圖6中的B型)，氣體分布器煙氣偏流區(qū)一側(cè)上方區(qū)域煙氣流速明顯低于其他區(qū)域，形成低速區(qū)域，從而造成部分流場紊亂(見圖7中的B型)。相較于A型和B型，C型氣體分布器上方煙氣流速分布整體更加均勻(見圖6中的C型)，篩孔孔徑的調(diào)整對干燥尾氣偏流區(qū)具有較好的均布作用，但在下部入口對側(cè)仍有小旋渦(見圖7中的C型)。進(jìn)一步縮減了小孔區(qū)域的D型氣體分布器的煙氣流速分布與C型相似，但D型氣體分布器橫向中心截面流線(見圖7中的D型)整體分布均勻，無旋渦和流場紊亂現(xiàn)象，均布效果最佳。

考查了使用不同類型氣體分布器時回收塔內(nèi)4.3 m高處的截面速度分布，結(jié)果見圖8。

圖8 使用不同類型氣體分布器時回收塔內(nèi)4.3 m高處的截面速度分布Fig.8 Velocity distribution at a section with a height of 4.3 metres in recycling tower with different types of gas distributors

由圖8可以看出：采用篩孔均勻的氣體分布器，在入口對側(cè)的區(qū)域出現(xiàn)了明顯的氣流高速區(qū)，中間區(qū)域的氣流速度低，呈現(xiàn)了顯著的不均一性；隨著篩孔尺寸的調(diào)整，均一性得到了改善，對照C型和D型的截面速度分布發(fā)現(xiàn)，D型氣體分布器的干燥尾氣均布效果更好。

采用優(yōu)化的熱質(zhì)回收塔結(jié)構(gòu)，配合噴淋系統(tǒng)噴淋形成的水霧回收粉塵與熱量，建成了年產(chǎn)70萬t氯化鉀生產(chǎn)裝置干燥尾氣熱質(zhì)回收裝置。整個熱質(zhì)回收裝置包括高效熱質(zhì)回收塔系統(tǒng)、母液匯集系統(tǒng)、儲水系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)等4個部分。熱質(zhì)回收塔入口粉塵質(zhì)量濃度為1 250 mg/m3，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，通過增加氣體分布器以及調(diào)整篩孔的分布，使氣體分布更加均勻，避免了煙氣短路，氣體與噴淋液的接觸更加充分，有利于液體捕獲粉塵顆粒并溶于噴淋液中；而且由于氣體與液體直接接觸，因而尾氣的熱質(zhì)回收效果好。加熱后的洗滌液作為光鹵石分解母液，有利于提高冷分解結(jié)晶器的分解溫度，特別是在冬季，可有效促進(jìn)光鹵石分解，提高氯化鉀收率。青海省環(huán)保部門對熱質(zhì)回收塔出口粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了隨機(jī)抽檢，測得其值為63 mg/m3，據(jù)此計算得到熱質(zhì)回收塔粉塵回收率為95%。熱質(zhì)回收塔干燥尾氣出口溫度從原來的90 ℃降至40 ℃，裝置的水損失率為1.11%，氯化鉀收率增加0.93%，經(jīng)測算可增加經(jīng)濟(jì)效益2 514萬元/a，鉀資源利用率和熱量利用率均得到了提高，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

4 結(jié)論

a.在回收塔內(nèi)不設(shè)置氣體分布器時，干燥尾氣在進(jìn)氣口的下方形成兩個旋渦，大部分干燥尾氣與進(jìn)氣口的對面器壁發(fā)生碰撞形成向上氣流，并在向上過程中發(fā)生偏流，偏流的干燥尾氣在進(jìn)氣口上方形成兩個較大的旋渦，造成部分干燥尾氣流速不均，不利于粉塵和熱量回收。通過在回收塔內(nèi)增加氣體分布器，塔內(nèi)氣體分布均勻性得到了提升。

b.研究模擬了氣體分布器篩孔排布方式對干燥尾氣流場的影響，通過比較不同篩孔排布方式氣體分布器，發(fā)現(xiàn)在篩孔均布孔徑為0.1 m的氣體分布器基礎(chǔ)上，將對應(yīng)干燥尾氣偏流區(qū)1/8直徑區(qū)域的均布孔直徑減至0.08 m的D型分布器，對塔內(nèi)干燥尾氣具有良好的均布效果，經(jīng)氣體分布器后，塔內(nèi)流場均勻分布，有利于干燥尾氣熱質(zhì)的回收利用。