新型高效煙氣混合器的開發(fā)

黃孟旗

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

流程工業(yè)中經(jīng)常涉及到2種或多種流體的混合，根據(jù)流體相態(tài)的不同可以分為均相混合和非均相混合。均相混合是指需混合的各流體均為同相，如氣氣混合、液液混合；非均相混合是指混合前的流體為不同相，如氣液混合、氣固混合、液固及氣液固混合?；旌掀鞲鶕?jù)混合動(dòng)力的不同，可以分為靜態(tài)混合器和動(dòng)態(tài)混合器。靜態(tài)混合器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)件、可靠性高而得到廣泛應(yīng)用。不同應(yīng)用場(chǎng)合下混合器的壓降、流速等參數(shù)可能有所差別，但其基本要求是相同的，即各流體的壓降和混合距離盡量短、經(jīng)過混合器后各流體盡量混合均勻。

為了確保流體的高效均勻混合，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合下需要根據(jù)相應(yīng)要求設(shè)計(jì)合適的混合器。如對(duì)于高壓氣氣混合，由于壓力較高、氣體密度較大、同等質(zhì)量的氣體高壓與低壓相比，使氣體管徑較小，可以有較長(zhǎng)的混合距離，容易混合均勻，且允許有一定的壓降，該場(chǎng)合混合器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通常采用三通管道型混合器即可以滿足要求。對(duì)于石油化工行業(yè)中常用的液液混合，其要求與高壓氣氣混合接近，通常也采用管道混合器，有10～20 倍管道直徑的混合距離即可滿足要求。但對(duì)于大流量、低壓氣氣混合，由于壓力較低、 氣體密度較小， 因而氣體實(shí)際體積流量和管徑均較大， 難以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的混合距離， 且允許壓降較低， 因此均勻混合的難度較大。本文主要對(duì)大流量、低壓氣氣靜態(tài)混合器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行討論和分析。

1 煙氣混合器要求

通常，煙氣脫硫技術(shù)可分為濕法、干法和半干法等。由于多方面原因，濕法工藝一直占據(jù)主導(dǎo)地位，其市場(chǎng)占比超過90%。近年來，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)提高，濕法工藝技術(shù)所帶來的腐蝕、廢水處理、藍(lán)煙拖尾和白色煙羽等問題也日益突出。與此同時(shí)，半干法和干法工藝技術(shù)可從根本上避免濕法工藝技術(shù)存在的上述問題。其中，干法工藝主要以活性焦干法脫硫技術(shù)為主，由于其具有不耗水、不產(chǎn)生脫硫廢水、硫資源可回收利用、無二次污染等突出優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。

在活性焦干法脫硫工藝技術(shù)開發(fā)中，需要將溫度較高的原煙氣和溫度較低的凈煙氣進(jìn)行混合，以降低混合后煙氣的溫度，滿足下游吸附塔入口溫度的要求【1-2】。以某煉廠催化裂化裝置的再生煙氣凈化為例，其原煙氣和凈煙氣的組成及性質(zhì)見表1。

根據(jù)工藝要求，原煙氣和凈煙氣混合后溫度需降至約150 ℃。由于原煙氣和凈煙氣的溫差達(dá)160 ℃，如果混合器內(nèi)的混合不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致原煙氣被局部過冷。根據(jù)表1中原煙氣的H2O、SOx濃度可以得出其露點(diǎn)溫度為135～140 ℃。雖然混合后的溫度高于其露點(diǎn)溫度，但混合過程中如果原煙氣被局部過冷，可能會(huì)使該區(qū)域內(nèi)溫度低于露點(diǎn)溫度，從而帶來露點(diǎn)腐蝕等相關(guān)問題，影響裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，需要開發(fā)高效的混合器，確保混合器內(nèi)原煙氣溫度逐漸降低，且混合過程不存在局部過冷區(qū)，以避免露點(diǎn)腐蝕。同時(shí)，由于煙氣壓力接近常壓，體積流量和煙道直徑均較大，考慮到投資和現(xiàn)場(chǎng)占地等因素的限制，煙氣混合器在保證混合均勻的前提下應(yīng)盡量縮小尺寸，減小壓降。

表1 某煉廠原煙氣和凈煙氣的組成及性質(zhì)

2 新型高效煙氣混合器的開發(fā)

高、低溫氣體的混合通常采用三通管道型混合器(如圖1所示)。這種結(jié)構(gòu)的混合器內(nèi)氣體容易偏流，需經(jīng)過較長(zhǎng)的直管段才能保證混合均勻。如采用該型式的混合器對(duì)原煙氣和凈煙氣進(jìn)行混合，溫度較低的凈煙氣與溫度較高的原煙氣直接接觸，混合過程中，偏流會(huì)導(dǎo)致部分原煙氣局部過冷，使得局部區(qū)域的溫度低于其露點(diǎn)溫度，從而帶來露點(diǎn)腐蝕問題，影響裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

為了滿足煙氣混合的工藝要求，經(jīng)過詳細(xì)分析、研究和計(jì)算，提出了一種新型高效煙氣混合器，其結(jié)構(gòu)示意見圖2。該煙氣混合器采用近似于套管的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有錐形氣體分布器，在錐體周向上均勻開孔。原煙氣從側(cè)面進(jìn)入混合室，凈煙氣通過錐形分布器進(jìn)入混合室。由于凈煙氣體積流量較小， 而且是逐漸從錐段分布器向原煙氣中擴(kuò)散， 混合時(shí)凈煙氣的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原煙氣的流量， 因此可以有效避免原煙氣被局部驟冷， 實(shí)現(xiàn)原煙氣均勻、 平緩地降溫，降低酸露點(diǎn)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 三通管道型混合器

圖2 新型高效煙氣混合器結(jié)構(gòu)示意

3 煙氣混合器的模擬計(jì)算及應(yīng)用

為了驗(yàn)證新型的煙氣混合器的流體混合效果，針對(duì)表1中兩流體組成和性質(zhì)，采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法對(duì)圖1和圖2所示的2種結(jié)構(gòu)的煙氣混合器進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其速度分布計(jì)算結(jié)果分別見圖3和圖4，溫度分布結(jié)果分別見圖5和圖6，下面分別予以討論。

3.1 速度分布分析

從圖3可以看出，三通結(jié)構(gòu)橫向進(jìn)口的煙氣速度較大，直接沖入對(duì)面煙道內(nèi)壁，并且在靠近橫向進(jìn)口的下部區(qū)域出現(xiàn)體積較大的速度較小區(qū)域， 同時(shí)在90°彎頭上部區(qū)域出現(xiàn)速度較大的區(qū)域。而由圖4可知， 由于設(shè)置了凈煙氣錐段分布器，其對(duì)入口的原煙氣具有阻擋作用， 使得橫向進(jìn)口下部速度較小區(qū)域的體積減小， 90°彎頭上部區(qū)域的速度降低， 有利于原煙氣和凈煙氣的有效混合。

圖3 三通結(jié)構(gòu)速度分布云圖

圖4 新型結(jié)構(gòu)速度分布云圖

圖5 三通結(jié)構(gòu)計(jì)算得出的兩流體混合的溫度分布云圖

3.2 溫度分布分析

由圖5可知，由于凈煙氣直接與原煙氣混合，混合器內(nèi)的較大范圍內(nèi)存在明顯的高溫-低溫分界面，混合器內(nèi)靠近原煙氣入口側(cè)的高溫區(qū)溫度為200～220 ℃，而遠(yuǎn)離原煙氣入口側(cè)的低溫區(qū)溫度僅85～110 ℃，表明混合器內(nèi)的混合并不均勻，在較長(zhǎng)的接觸范圍內(nèi)的混合效果較差。在混合界面上，溫度較高、含SO2和SO3的原煙氣能夠在較大范圍內(nèi)接觸到溫度較低的凈煙氣區(qū)域，這部分原煙氣的溫度可能會(huì)快速降低至露點(diǎn)溫度以下。同時(shí)，混合器內(nèi)遠(yuǎn)離原煙氣入口側(cè)的內(nèi)壁溫度較低，容易導(dǎo)致管內(nèi)壁結(jié)酸結(jié)露，帶來露點(diǎn)腐蝕等問題，影響裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過計(jì)算，該結(jié)構(gòu)混合器原煙氣側(cè)的壓降為50 Pa，凈煙氣側(cè)為130 Pa，壓降較低。

圖6 新型結(jié)構(gòu)計(jì)算得出的兩流體混合的溫度分布云圖

由圖6可知， 由于在混合室內(nèi)部設(shè)置了錐形流體分布器， 凈煙氣是通過錐形分布器逐步擴(kuò)散到原煙氣中的， 混和室內(nèi)四周溫度高， 中心錐形分布器附近溫度低，溫度界面僅存在于錐形分布器附近的一小部分區(qū)域內(nèi)， 在較短的距離內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)兩股流體的充分混合。在整個(gè)混合器內(nèi)， 溫度較高、含SO2和SO3的原煙氣沒有被驟然冷卻， 原煙氣側(cè)溫度分布也比較均勻， 混合室壁面無明顯低溫區(qū)， 從而降低了混合室內(nèi)出現(xiàn)露點(diǎn)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。此外， 通過計(jì)算， 該煙氣混合器原煙氣側(cè)壓降約為60 Pa， 凈煙氣側(cè)壓降約為420 Pa， 與現(xiàn)有三通結(jié)構(gòu)相比，原煙氣側(cè)壓降僅增加10 Pa， 凈煙氣側(cè)增加了290 Pa。由于凈煙氣側(cè)設(shè)有單獨(dú)的引風(fēng)機(jī)， 且煙氣量相對(duì)較小， 其所增加的壓降對(duì)于電耗的增加幅度很小，可以滿足工藝要求。

該新型煙氣混合器已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家專利，并在北京燕山石化催化煙氣干法脫硫裝置上獲得了工業(yè)應(yīng)用。目前該項(xiàng)目正在建設(shè)中，實(shí)際應(yīng)用效果

需待裝置投產(chǎn)后進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)，對(duì)該煙氣混合器設(shè)置了保溫和伴熱設(shè)施，避免由于散熱導(dǎo)致混合器壁溫降低所帶來的露點(diǎn)腐蝕等問題，確保該混合器的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

在活性焦干法脫硫工藝技術(shù)開發(fā)過程中， 根據(jù)原煙氣和凈煙氣的混合要求， 經(jīng)過對(duì)原煙氣和凈煙氣組成性質(zhì)的差異進(jìn)行分析， 研究開發(fā)了新型煙氣混合器。由于新型煙氣混合器設(shè)置了錐形分布器， 使得凈煙氣能夠逐漸向原煙氣中擴(kuò)散， 混合器內(nèi)速度和溫度分布更加均勻， 可有效防止氣體混合過程中出現(xiàn)低溫區(qū)。與現(xiàn)有三通型混合器相比， 可有效避免露點(diǎn)腐蝕， 同時(shí)提高混合效率； 雖然凈煙氣側(cè)壓降有所增加， 但其增加幅度有限， 所帶來的電耗增加量很小， 可以滿足工藝要求。