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(jìn)超

摘要： 為研究脫硫塔內(nèi)的氣液分布情況對(duì)脫硫效率的影響，選用FLUENT作為計(jì)算工具，以燒結(jié)煙氣氨法脫硫塔作為研究對(duì)象，對(duì)塔內(nèi)氣相湍流采用Euler方法描述，對(duì)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(duì)脫硫塔內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)分布的影響，并對(duì)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(lèi)號(hào)： X701.3文獻(xiàn)標(biāo)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(jiǎn)介： 溫榮耀（1987—），男，福建泉州人，工程師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)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(lái)自燒結(jié)過(guò)程，因此做好燒結(jié)過(guò)程中SO2的排放控制是鋼鐵企業(yè)污染治理的重點(diǎn).[1]煙氣脫硫國(guó)產(chǎn)化是降低工程造價(jià)、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(guó)內(nèi)外煙氣脫硫常用的成熟工藝.相對(duì)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(duì)較少和不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(xiàn)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(chǎng)，并進(jìn)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(gè)參數(shù)對(duì)脫硫塔內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)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(jiàn)圖1.煙氣進(jìn)入脫硫塔前，先經(jīng)過(guò)噴淋降溫，后由底部進(jìn)口進(jìn)入塔體，在上升過(guò)程中依次經(jīng)過(guò)4個(gè)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(guò)洗滌之后的煙氣進(jìn)入除霧段，除去煙氣夾帶的微小液滴，最后煙氣進(jìn)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(jiǎn)化

對(duì)該脫硫塔內(nèi)煙氣與漿液滴兩相流動(dòng)情況進(jìn)行如下假設(shè)和簡(jiǎn)化.

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

2）噴淋塔模擬區(qū)域?yàn)闈{液池液面以上至除霧器下端，認(rèn)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(dòng)為三維、定常流動(dòng)，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(duì)脫硫塔進(jìn)行物理簡(jiǎn)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(xiàn)性化以進(jìn)行迭代求解.[810]

2邊界條件

1）煙氣邊界條件

煙氣進(jìn)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(gè)，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(duì)塔內(nèi)氣液流動(dòng)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(chǎng)見(jiàn)圖2，塔內(nèi)第1層噴淋塔截面流場(chǎng)見(jiàn)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(duì)比不同煙氣入口傾角塔內(nèi)流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：隨著煙氣入口角度的增加，塔內(nèi)流場(chǎng)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(shí)最明顯，此時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)明顯的氣流短路現(xiàn)象，對(duì)SO2的吸收極為不利，應(yīng)盡量避免.塔內(nèi)中間區(qū)域流場(chǎng)變化不明顯.煙氣在進(jìn)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(duì)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(jìn)入塔內(nèi)之后在巨大的離心力作用下甩向入口對(duì)面塔壁面以及下部漿液池液面上.回流低壓區(qū)對(duì)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(shí)回流區(qū)的存在還會(huì)伴隨著能量的消耗，增加噴淋塔的阻力.利弊同時(shí)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(shí)進(jìn)出口壓力損失見(jiàn)圖4.入口傾角為3°時(shí)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(duì)著入口對(duì)面的塔壁面沖過(guò)去，該過(guò)程損失很大的能量.

綜合考慮塔內(nèi)流場(chǎng)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(chǎng)分布見(jiàn)圖5，塔內(nèi)第一層噴淋塔流場(chǎng)分布見(jiàn)圖6.

a）高0.7 mb）高1.7 mc）高2.7 md） 高3.7 m，對(duì)比不同入口煙道底部距液面高度的塔內(nèi)流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：煙道底部距液面高度為0.7 m時(shí)，塔內(nèi)左右側(cè)壁面附近垂直方向的氣流速度最小，整個(gè)塔的斷面速度分布非常均勻，有利于對(duì)SO2的吸收；而煙道底部距液面高度1.7 m時(shí)，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(shí)已經(jīng)出現(xiàn)明顯的氣流短路現(xiàn)象，對(duì)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(shì)慢慢的變小，到3.7 m時(shí)已經(jīng)沒(méi)有明顯的大面積氣流短路.

塔內(nèi)液面上方區(qū)域流場(chǎng)變化明顯，除煙道底部距液面高度為0.7 m外，煙氣在進(jìn)入吸收塔后在漿液上方產(chǎn)生一個(gè)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(lái)越大，在回流區(qū)氣流產(chǎn)生巨大的離心力，對(duì)除塵非常有利，但是對(duì)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(shí)回流區(qū)面積的增加還會(huì)伴隨著能量的消耗，增加吸收塔的阻力.利弊同時(shí)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(shí)進(jìn)出口壓力損失見(jiàn)圖7.由此可知：0.7和3.7 m高度時(shí)的壓力損失明顯大于1.7和2.7 m高度時(shí)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(shí)，液面上方的空間不利于形成回流區(qū)，氣流幾乎對(duì)著入口對(duì)面的塔壁面沖過(guò)去，該過(guò)程損失大部分動(dòng)能，而高度3.7 m時(shí)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(chǎng)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(yàn)

以中冶長(zhǎng)天在湘鋼的氨法脫硫中的裝置為試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8.由此可知：試驗(yàn)結(jié)果與前文的仿真分析趨勢(shì)一致，隨著入口傾角的增大，脫硫效率呈拋物線(xiàn)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9.

由圖9可知：試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析趨勢(shì)一致，0.7 m時(shí)脫硫效率最好，1.7 m時(shí)脫硫效率最差.

5結(jié)論

利用FLUENT結(jié)合試驗(yàn)分析氨法脫硫塔塔內(nèi)流場(chǎng)和脫硫效率.綜合考慮塔內(nèi)氣液流場(chǎng)和進(jìn)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.

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