船用脫硫塔煙道噴霧脫硫模擬及試驗(yàn)分析

周 密，馮兆緣，畢堅(jiān)裔，馬紫陽，盧 江，陳 寧

(1. 江蘇科技大學(xué) 能源與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 渤海船舶重工有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

濕法煙氣脫硫技術(shù)（WFGD）是目前去除煙氣中SO2的重要技術(shù)，在整個(gè)煙氣脫硫工業(yè)中，其使用率超過了80%[1]，煙道噴霧脫硫技術(shù)是通過把部分進(jìn)口煙道作為吸收反應(yīng)區(qū)，在煙道側(cè)面安裝高效霧化噴嘴[2]，使噴出的漿液顆粒由傳統(tǒng)的2 000 μm 降低到50～80 μm[3]，將漿液充分霧化與煙氣預(yù)混進(jìn)入塔內(nèi)，以增加煙氣與脫硫漿液的接觸時(shí)間，從而達(dá)到提高已投運(yùn)、吸收區(qū)域固定脫硫塔脫硫效率的目的。在脫硫塔SO2吸收過程模擬方面，Kiil 等[4]利用雙膜理論對(duì)格柵填料塔內(nèi)的SO2吸收過程進(jìn)行了模擬并提出了加強(qiáng)傳質(zhì)效率的方法。Selene M.A. Guelli U. Souza 等[5]提出石灰石漿液液滴的吸收過程模型，分析了漿液液滴粒徑和pH 值之間的關(guān)系。L.E. Kallinikos 等[6]分析了塔內(nèi)的石灰石漿液吸收SO2的過程，得出漿液霧化液滴平均直徑將會(huì)直接影響脫硫系統(tǒng)的脫硫效率。F.J. Guti érrez Ortiz[7]分析了帶有多層噴淋層的吸收塔內(nèi)漿液對(duì)脫硫效果的影響，提出上層噴淋層對(duì)下層噴淋層的脫硫效果產(chǎn)生影響且為正向增益效應(yīng)的結(jié)論。Warych 等[8]分析了石灰石漿液的溶解過程和SO2的吸收過程，得出了脫硫效率隨pH 值、液氣比等運(yùn)行參數(shù)的變化趨勢(shì)。Brorben等[9]基于滲透理論對(duì)脫硫塔內(nèi)的SO2吸收過程進(jìn)行了模擬，得出塔內(nèi)的SO2吸收過程大部分是由液相傳質(zhì)控制的過程，只有在塔頂部SO2濃度極低的環(huán)境下是由氣相傳質(zhì)控制。李蔭堂等[10]研究了塔內(nèi)液滴的停留時(shí)間，得出平均直徑小、分布均勻的霧化液滴可以使液滴總的停留時(shí)間增長(zhǎng)。李仁剛等[11]對(duì)液滴直徑對(duì)氣液傳質(zhì)面積的影響進(jìn)行了研究，指出在煙氣速度保持穩(wěn)定的前提下，傳質(zhì)面積隨著液滴直徑減小而增大。張曉東等[12]依據(jù)傳質(zhì)理論和脫硫相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，建立了漿液液滴吸收煙氣的傳質(zhì)速率模型和反應(yīng)區(qū)的平衡方程。上述研究對(duì)于SO2吸收過程主要對(duì)象為傳統(tǒng)的脫硫塔，而對(duì)于采取噴霧脫硫技術(shù)后，脫硫塔內(nèi)SO2吸收過程的模擬方面研究較少。本文將基于雙膜理論建立SO2的傳質(zhì)模型，通過用戶自定義模塊將其嵌入Fluent 軟件中，對(duì)不開啟和開啟煙道霧化噴嘴，脫硫塔內(nèi)SO2吸收過程進(jìn)行模擬，并通過相關(guān)試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為煙道噴霧技術(shù)的脫硫效果提供理論支撐。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

船舶廢氣脫硫系統(tǒng)流程示意圖及脫硫塔試驗(yàn)臺(tái)架如圖1 所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為4 個(gè)部分：脫硫塔主體、漿液制備系統(tǒng)、漿液循環(huán)及噴淋洗滌（包括煙道噴霧）、脫硫廢水處理系統(tǒng)。于脫硫塔進(jìn)口煙道不同位置增加1～2 個(gè)高效霧化噴嘴，其噴射的漿液量為未加霧化噴嘴時(shí)整個(gè)噴淋層系統(tǒng)所供漿液量的5%，液氣比（噴淋漿液與煙氣的體積流量之比）為16，脫硫漿液的pH 值為5.5。

試驗(yàn)工況模擬為船舶主機(jī)的額定工況，其總排煙量為57 150 Nm3/h，SO2初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24%，煙氣經(jīng)海水冷卻至298.15 K，通過變頻風(fēng)機(jī)送入脫硫塔內(nèi)。煙氣先經(jīng)煙道處霧化噴嘴噴霧混合，再與3 層噴淋層噴射的脫硫漿液反應(yīng)，經(jīng)塔頂部除霧器脫除水分后排出塔外。脫硫漿液制備系統(tǒng)分為漿料罐、將料泵、攪拌電機(jī)3 部分。脫硫塔底部設(shè)有漿液收集槽，用以回收噴淋漿液并通過噴淋泵送至噴淋層循環(huán)使用。

出口SO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)ecom-J2KN 煙氣分析儀的采樣探頭測(cè)得，脫硫效率由下式計(jì)算得出：

圖1 船舶廢氣脫硫系統(tǒng)流程示意圖及脫硫塔試驗(yàn)臺(tái)架圖Fig. 1 Schematic diagram of the process of the ship exhaust gas desulfurization system and diagram of desulfurization tower test bench

式中：y 為脫硫效率；cin為進(jìn)口SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)；cout為出口SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

脫硫塔計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分及所建立A-A 截面如圖2所示。其中A-A 截面為距煙氣入口0.4 m 的觀察截面。

2.2 基本假設(shè)

在對(duì)脫硫塔塔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，遵循以下基本假設(shè)[13]：

1）煙氣視為不可壓縮的理想氣體；

2）由于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬均在常溫下進(jìn)行，所以忽略氣液兩相間、氣液與塔壁之間的熱量傳遞；

3）假定液滴分布均勻，忽略其破碎、蒸發(fā)、碰撞等情況；

4）忽略噴嘴等細(xì)部構(gòu)件結(jié)構(gòu)本身對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)。

2.3 數(shù)學(xué)模型

2.3.1 SO2吸收模型

SO2吸收模型依據(jù)雙膜理論建立，得到氣液界面上SO2的傳質(zhì)通量為：

圖2 脫硫塔計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分Fig. 2 Desulfurization tower calculation area and meshing

式中：NSO2為SO2的傳質(zhì)通量，mol/（m2·s）；kg，SO2為SO2的氣相傳質(zhì)系數(shù)，m/s，由文獻(xiàn)[14]中的公式計(jì)算得出；R 為理想氣體常數(shù)；T 為煙氣溫度，K；PSO2為氣相主體中的SO2的分壓，Pa，由Fluent 軟件的用戶自定義宏得出；PSO2*為氣液界面上SO2的分壓，Pa，由文獻(xiàn)[15]中的模型計(jì)算得到。利用用戶自定義函數(shù)來描述這一方程，即可模擬SO2的吸收過程。

2.3.2 氣液兩相的流場(chǎng)參數(shù)和邊界條件

氣液兩相的流場(chǎng)參數(shù)和邊界條件如表1 所示。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 A-A 截面速度云圖

圖3 為無和有煙道霧化噴嘴時(shí)A-A 截面的速度云圖和煙道頂面霧化噴嘴的噴射軌跡圖。布置煙道霧化噴嘴時(shí)，A-A 截面處的速度比沒有布置煙道霧化噴嘴時(shí)的速度略小，并且速度分布也更加均勻。安裝煙道霧化噴嘴，經(jīng)其噴射進(jìn)入煙道的霧化液滴對(duì)煙氣的分布產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，使得煙氣在塔內(nèi)分布的均勻性增強(qiáng)。

3.2 脫硫塔y=0 截面SO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖4 為脫硫塔y=0 截面的SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖?？梢钥吹剑瑳]有布置煙道霧化噴嘴時(shí)，煙氣直接進(jìn)入塔內(nèi)與噴淋漿液接觸反應(yīng)；煙道頂面、右側(cè)面、左側(cè)面、左+右、左+頂、右+頂面安裝霧化噴嘴時(shí)，進(jìn)口煙氣和霧化噴嘴噴射的液滴進(jìn)行預(yù)混，進(jìn)入塔體內(nèi)部與噴淋漿液充分反應(yīng)。通過Fluent 軟件檢測(cè)出口SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由式（1）計(jì)算脫硫效率依次為95%，96.32%，96.54%，96.78%，98.40%，97.81% 和97.32%。其中，1 個(gè)位置安裝高效霧化噴嘴時(shí)，安裝在左側(cè)面脫硫效果最好；2 個(gè)位置安裝高效霧化噴嘴時(shí)，分別安裝在左+右側(cè)面脫硫效果最好，此結(jié)果與方磊等[3]研究結(jié)果相同。

表1 氣液兩相的流場(chǎng)參數(shù)和邊界條件Tab. 1 Parameters and boundary conditionsof gas and liquid flow field

圖3 A-A 截面速度云圖Fig. 3 A-A section velocity cloud

圖4 脫硫塔y=0 截面SO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖Fig. 4 Desulfurization tower y = 0 cross section SO2 mass fraction cloud

4 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)方案

1）在試驗(yàn)前，需維持脫硫塔系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定，即需要保持煙氣流量為15.875m3/s，煙氣的溫度為298.15 K，液氣比（噴淋漿液與煙氣的體積流量之比）為16，脫硫漿液的pH 值為5.5，在此情況下，ABC 三層噴淋層同時(shí)開啟，同時(shí)保持霧化噴嘴關(guān)閉，穩(wěn)定運(yùn)行8 h 后，測(cè)定其脫硫效率。

2）分別開啟煙道頂面、右側(cè)面、左側(cè)面、左+右、左+頂、右+頂面安裝的霧化噴嘴，以噴嘴流量為45.72 m3/h 穩(wěn)定運(yùn)行8 h 后，測(cè)試脫硫效率。

3）保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)節(jié)煙道霧化噴嘴漿液的流量，以測(cè)試左+右側(cè)面開啟霧化噴嘴時(shí)不同流量（0，9.144，18.288，27.432，36.576，45.72 m3/h）對(duì)脫硫效率的影響。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖5 可知，當(dāng)噴淋層正常運(yùn)行，未開啟霧化噴嘴時(shí)，脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行8 h，脫硫塔的脫硫效率的平均值達(dá)到了94.80%；運(yùn)行期間脫硫效率值在其基礎(chǔ)上的一定范圍內(nèi)波動(dòng)。分別開啟煙道頂面、右側(cè)面、左側(cè)面、左+右、左+頂、右+頂面的霧化噴嘴，穩(wěn)定運(yùn)行期間，脫硫效率得到了明顯的提升，脫硫效率的平均值依次為96.21%，96.39%，96.52%，97.80%，97.53%，97.22%，不同情況的脫硫效率試驗(yàn)平均值與模擬值相近。其中，安裝1 個(gè)霧化噴嘴時(shí)，安裝在左側(cè)面上，脫硫效率最高達(dá)到96.52%；安裝2 個(gè)霧化噴嘴時(shí)，安裝在左+右側(cè)面上，脫硫效率最高達(dá)到97.8%，與未開啟霧化噴嘴時(shí)相比，分別提高了1.72%和3%，這表明開啟霧化噴嘴能夠有效提高原有脫硫系統(tǒng)的脫硫效率。

圖5 不同位置是否開啟霧化噴嘴對(duì)脫硫效率的影響Fig. 5 Effect of opening and closing atomizing nozzle on desulfurization efficiency in different positions

由圖6 可知，當(dāng)噴淋層正常開啟，霧化噴嘴流量分別為0，9.1 4 4，1 8.2 8 8，2 7.4 3 2，3 6.5 7 6，45.72 m3/h 時(shí)，對(duì)應(yīng)的脫硫效率值依次為94.36%，95.42%，95.96%，96.58%，97.18%，97.76%，此結(jié)果表明霧化噴嘴漿液流量由0～45.72 m3/h 的過程中，脫硫系統(tǒng)的脫硫效率由94.36%逐步增大至97.76%，增大趨勢(shì)基本呈線性，若繼續(xù)增大霧化噴嘴流量，脫硫效率將繼續(xù)增大，但是由于脫硫塔進(jìn)口煙道空間有限，即實(shí)際中僅能安裝2 個(gè)高效霧化噴嘴，而每個(gè)噴嘴的最大噴射量有限，所以導(dǎo)致脫硫效率在實(shí)際過程中不能無限增大。

圖6 霧化噴嘴流量對(duì)脫硫效率的影響Fig. 6 Effect of atomizing nozzle flow on desulfurization efficiency

5 結(jié) 語

基于SO2傳質(zhì)模型對(duì)脫硫塔進(jìn)口煙道處不開啟以及分別開啟不同位置的霧化噴嘴時(shí)，塔內(nèi)SO2的吸收情況進(jìn)行模擬分析，并通過試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，其結(jié)果如下：

1）在脫硫塔進(jìn)口煙道處布置高效霧化噴嘴，霧化液滴對(duì)煙氣的流動(dòng)產(chǎn)生了一定程度的擾動(dòng)，煙氣在塔內(nèi)的分布更加均勻，液滴能夠更加有效地與煙氣接觸反應(yīng)。

2）安裝霧化噴嘴，霧化的液滴與進(jìn)口煙氣進(jìn)行預(yù)混之后進(jìn)入塔體，可明顯提高脫硫效率。其中，當(dāng)只在1 個(gè)位置安裝霧化噴嘴時(shí)，在左側(cè)面安裝，脫硫效率最大達(dá)到了96.78%，當(dāng)在兩兩不同組合側(cè)面安裝霧化噴嘴時(shí)，在左側(cè)面和右側(cè)面安裝，脫硫效率最大達(dá)到98.40%，分別比沒有開啟霧化噴嘴時(shí)增加了1.78%和3.4%。此模擬脫硫效率的數(shù)值相比試驗(yàn)數(shù)值，誤差較小。

3）在其他運(yùn)行參數(shù)保持穩(wěn)定的條件下，霧化噴嘴漿液流量由0～45.72 m3/h 的過程中，脫硫效率由94.36%逐步增大至97.76%，基本呈線性增大趨勢(shì)。