噴淋散射塔鼓泡區(qū)域的氣液兩相流動(dòng)特性

張忠培 董美蓉 馮哲愚 李曉靜 陸繼東

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510641; ??2.?廣東省能源高效低污染轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 5106401）

摘 ?????要：為了探究噴淋散射脫硫塔鼓泡區(qū)域的氣液兩相流動(dòng)特性，搭建了鼓泡塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在不同表觀氣速和氣體分布器浸沒深度的條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氣體分布器表面形成的氣泡直徑約12 mm;氣泡溢出液面時(shí)有小氣泡形成，并隨著返混的液相運(yùn)動(dòng)，且液相的返混劇烈程度與表觀氣速和氣體分布器浸沒深度正相關(guān);液相在散射管管壁和鼓泡池壁面間形成大尺度循環(huán);隨著表觀氣速增大，氣泡直徑和氣泡運(yùn)動(dòng)速度均增大，使得氣含率增大，氣液兩相湍動(dòng)加劇;隨著氣體分布器浸沒深度增大，鼓泡床床層氣含率降低，表觀氣速對(duì)氣含率的影響效果減弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)噴淋散射脫硫塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有一定參考價(jià)值。

關(guān) ?鍵 ?詞：鼓泡塔;氣液兩相流;氣體分布器;氣泡;表觀氣速

中圖分類號(hào)：TQ021.1???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）03-0539-05

Gas-liquid Flow Characteristics in?the?Bubbling Region

of Spray Scattering Column

???ZHANG Zhong-pei^1，2，?DONG Mei-rong^1，2，?FENG Zhe-yu^1，2，?LI Xiao-jing^1，2，?LU Ji-dong^1，2

（1.?School of Electric Power， South China University of Technology， Guangdong Guangzhou 510641， China;

2.?Guangdong Province Engineering Research Center of High Efficient and Low Pollution， Guangdong Guangzhou 510640， China）

Abstract： In order to explore the gas-liquid two-phase flow characteristics in the bubbling region of spray scattering desulfurization column，a bubbling tower experimental platform was built. Experiments were carried out under the conditions of different superficial gas velocity and gas distributor submersion depth. The results showed that， the diameter of bubbles formed on the surface of gas distributor was?about 12mm. Small bubbles formed?when bubbles overflowed?the liquid surface， and they moved?along with the backmixing liquid phase， and the backmixing intensity of liquid phase was?positively correlated with the superficial gas velocity and the immersion depth of gas distributor. The liquid phase circulated?between the scattering tube wall and the bubbling pool wall. With the increase of superficial gas velocity， bubble diameter and bubble velocity increased， which made the gas holdup increase and the turbulence of gas-liquid two phases intensify. As the immersion depth of gas distributor increased， the gas holdup of bubbling bed decreased， and the effect of superficial gas velocity on gas holdup decreased. The experimental results are valuable for the design and operation?of spray scattering desulfurization tower.

Key words： ?bubble column; gas-liquid flow; gas distributor; bubble; superficial gas velocity

面對(duì)日趨嚴(yán)格的燃煤煙氣SO₂排放標(biāo)準(zhǔn)^[1]，燃煤電廠對(duì)脫硫技術(shù)的要求逐漸提高。目前我國(guó)燃煤電廠大多采用濕法脫硫技術(shù)^[2]，傳統(tǒng)的脫硫塔有噴淋塔和鼓泡塔^[3]，但噴淋塔存在易結(jié)垢、能耗與運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)^[4]，鼓泡塔存在阻力大、能耗高的缺點(diǎn)^[5]。倘若只是簡(jiǎn)單進(jìn)行多層噴淋層疊加或增加散射管插入深度來被動(dòng)地滿足環(huán)保要求，則會(huì)導(dǎo)致脫硫成本大大增加。

為了解決上述難題，有研究者將噴淋和鼓泡技術(shù)結(jié)合在一起，形成新型的噴淋散射塔技術(shù)^[6]：噴淋散射塔包含噴淋區(qū)域和鼓泡區(qū)域，噴淋區(qū)域在上，鼓泡區(qū)域在下，煙氣經(jīng)過噴淋區(qū)域脫硫后通過由上而下插入鼓泡區(qū)域的管道通入鼓泡區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行脫硫。相對(duì)于傳統(tǒng)的鼓泡塔，噴淋散射塔的鼓泡區(qū)域表觀氣速（U_g）高，可以達(dá)到0.8 m/s左右，處于湍動(dòng)鼓泡流區(qū)域^[7]。氣體分布器處于液面下的深度大大降低，僅有150 mm左右^[8]。氣體分布器浸沒深度（h）與塔徑之比遠(yuǎn)小于0.5，而傳統(tǒng)的鼓泡塔高徑比一般在7左右^[9]。氣體先經(jīng)過連接氣體分布器的管道由上而下進(jìn)入液面下形成氣室，然后經(jīng)過氣體分布器進(jìn)入鼓泡區(qū)域，而在傳統(tǒng)的鼓泡塔中，氣體直接從鼓泡塔下方通入，之后經(jīng)過氣體分布器直接進(jìn)入鼓泡區(qū)域^[10]。

對(duì)于較大高徑比的鼓泡塔，塔內(nèi)由下而上存在三個(gè)區(qū)域：氣體分布器影響區(qū)、充分發(fā)展區(qū)和氣液分離區(qū)^[11]。在湍動(dòng)鼓泡時(shí)，氣體分布器影響區(qū)在氣體分布器上方約2倍塔徑的區(qū)域^[12]，氣液分離區(qū)在塔頂液面下方1倍塔徑的范圍。在充分發(fā)展段內(nèi)，氣液兩相流的相關(guān)參數(shù)（氣含率、氣泡等）與軸向位置無關(guān)^[13]。研究表明：鼓泡塔內(nèi)氣含率（e）隨著表觀氣速的增加而增大^[14];液相在塔中心處向上流動(dòng)，塔壁處向下流動(dòng)，形成大尺度循環(huán)^[15];在低表觀氣速下，氣液之間相互作用力較弱，鼓泡塔中小氣泡較多且分布均勻，由于氣泡在分布器附近進(jìn)行聚并，氣泡直徑隨著表觀氣速的增加而增大^[16];在較高表觀氣速下，氣液之間相互作用力較強(qiáng)，氣泡發(fā)生大量聚并，氣泡直徑較大且大小分布不均^[17]。

由于噴淋散射塔鼓泡區(qū)域和以往鼓泡塔存在諸多差異，這些差異均會(huì)導(dǎo)致氣液兩相流動(dòng)情況的改變。因此，本文針對(duì)噴淋散射塔的鼓泡區(qū)域搭建了氣液流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，結(jié)合壓力測(cè)量和高速攝像儀拍照，以考察表觀氣速和氣體分布器浸沒深度對(duì)鼓泡區(qū)域氣液兩相流流動(dòng)特性的影響。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置

在鼓泡塔中，氣泡是氣液兩相反應(yīng)的基本單位，同時(shí)也影響著氣液兩相的流動(dòng)情況^[18];氣含率直接影響了氣液兩相的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞;鼓泡床內(nèi)氣液兩相流壓力信號(hào)的變化可以反映其氣液兩相的流動(dòng)情況^[19]。為了得到這些參數(shù)，搭建了鼓泡塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

空氣由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)通入鼓泡池，經(jīng)過氣體分布器形成氣泡，流過漿液（水）區(qū)。風(fēng)量大小通過變頻器改變，并由笛形管流量計(jì)測(cè)量。鼓泡池為圓柱形的有機(jī)玻璃水槽，直徑為700 mm，高1500 mm，壁厚為8 mm，通過高速攝像儀拍攝鼓泡池中的氣泡運(yùn)動(dòng)情況，拍攝速度50 Hz，每次拍攝時(shí)長(zhǎng)60 s;鼓泡池上布置3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，從上到下依次為測(cè)點(diǎn)1、2、3，測(cè)點(diǎn)1、2、3的間隔均為50 mm，測(cè)點(diǎn)1位置比氣體分布器位置高15 mm，通過壓力變送器測(cè)量壓力，壓力采樣時(shí)長(zhǎng)150 s，采樣頻率500 Hz。

實(shí)驗(yàn)采用的氣體分布器如下圖2所示，氣體分布器上布滿直徑為9 mm的圓孔，共525個(gè)，開孔率為0.16。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差如式（1）和（2）所示：

（1）

（2）

式中：，—分別為壓力均值、實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的隨著時(shí)間變化的壓力

數(shù)據(jù)值，Pa;

—分別為壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差，Pa。

兩測(cè)壓點(diǎn)間床層的局部氣含率如式（3）所示：

（3）

式中：g?—重力加速度，m/s²;

H?—兩壓測(cè)點(diǎn)間距，m;

?—兩測(cè)點(diǎn)間的壓差，Pa;

r?—液相密度，kg/m³;

e?—?dú)夂省?p style="margin-left：21pt">2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 ?氣液兩相運(yùn)動(dòng)情況

利用高速攝像儀對(duì)不同條件下鼓泡塔內(nèi)氣液兩相的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了拍攝，并進(jìn)一步分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

氣體分布器在浸沒深度為100 mm時(shí)，低表觀氣速下拍攝的氣泡生成圖片如圖3所示。由于低表觀氣速時(shí)氣體分布器下方形成的氣室較小，故圖中氣泡大都是由氣體分布器內(nèi)圈（散射管壁面附近）生成，所生成氣泡直徑約12 mm，大小不一。

圖4為氣體分布器浸沒深度為100 mm時(shí)，低表觀氣速下拍攝到的連續(xù)的兩張氣泡破碎圖片。以圖中黑色方框圈取的部分為例，當(dāng)氣泡溢出液面時(shí)，大氣泡會(huì)發(fā)生破碎，一部分氣體會(huì)離開鼓泡塔，另一部分氣體會(huì)形成較小的氣泡。縱觀整個(gè)圖片可以發(fā)現(xiàn)，這些小氣泡會(huì)運(yùn)動(dòng)到鼓泡塔壁附近并隨著返混的液相運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合圖3和圖4可以看出，液相在氣泡生成區(qū)域向上運(yùn)動(dòng)，在水面自散射管壁面向鼓泡池壁面運(yùn)動(dòng)，在鼓泡池壁面附近向下流動(dòng)，形成大尺度循環(huán)。

圖5為氣體分布器浸沒深度為100 mm時(shí)，不同表觀氣速下氣體分布器下方的兩相流流動(dòng)現(xiàn)象。可以看出：表觀氣速越大，氣體分布器下方氣泡越多，氣泡群越大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋罕碛^氣速的增大，使得鼓泡床床層抬高，氣液兩相流動(dòng)時(shí)液相在鼓泡塔壁面附近返混的速度增大，返混液相攜帶更多的氣泡向下運(yùn)動(dòng)，而氣體分布器浸沒深度只有100 mm，表觀氣速又達(dá)到了0.7 m/s左右，在這種淺床層、大表觀氣速的情況下，隨液相返混的氣泡有很多運(yùn)動(dòng)到了氣體分布器的下方。這增加了氣泡在液相的停留時(shí)間，有助于脫硫的進(jìn)行。

當(dāng)表觀氣速為0.71 m/s時(shí)，氣體分布器在不同浸沒深度下氣體分布器下方的兩相流流動(dòng)現(xiàn)象如圖6所示。從圖中可以觀察到：隨著浸沒深度的增大，氣體分布器下方的氣泡群越來越大。這是由于浸沒深度增大，使得鼓泡床床層變高，氣液兩相流動(dòng)時(shí)液相能夠達(dá)到的高度更高，在鼓泡塔壁面附近返混的速度也隨之增大，返混液相攜帶更多的氣泡向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也使得氣泡在液相的停留時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)鼓泡塔內(nèi)的脫硫過程起到促進(jìn)作用。

2.2 ?表觀氣速的影響

通過壓力變送器可測(cè)得氣體分布器浸沒深度為100 mm時(shí)，不同表觀氣速下鼓泡塔內(nèi)的壓力變化情況。

圖7為各個(gè)測(cè)點(diǎn)均壓隨表觀氣速的變化情況。從圖7中可以看出：隨著表觀氣速的增大，測(cè)點(diǎn)1、2、3均壓逐漸增大。說明鼓泡床氣體分布器下方的液體隨著表觀氣速的增大進(jìn)入氣體分布器上方，使得鼓泡床床層抬高，測(cè)點(diǎn)1、2、3的均壓隨之增大。

表觀氣速對(duì)壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響如圖8所示，從中可以看出：各測(cè)點(diǎn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著表觀氣速的增大而增大;在鼓泡池軸向方向，壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著高度的增加而減小。其主要原因在于：表觀氣速的增大，使得氣泡直徑和氣泡運(yùn)動(dòng)速度增大，進(jìn)而使氣液兩相流的湍動(dòng)情況更加劇烈，從而使得壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差增大;在鼓泡池軸向方向上，氣泡在上升的過程中速度降低，氣液兩相的湍動(dòng)程度減弱，壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差減小。

圖9為不同床層的氣含率隨表觀氣速的變化情況：隨著表觀氣速的增大，測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)2間的床層（低床層）的氣含率增大，測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)1間床層（高床層）的氣含率先減小，后增大;高床層的氣含率比低床層大。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：表觀氣速增大，使得氣體分布器表面生成的氣泡直徑增大，數(shù)量增多，低床層的氣含率隨之增大;對(duì)于高床層，在向鼓泡塔通氣前，測(cè)點(diǎn)1的高度高于鼓泡塔靜液面15 mm，當(dāng)表觀氣速?gòu)?.53～0.71 m/s時(shí)，鼓泡床層抬高，高床層逐漸完全處于氣液兩相流區(qū)域，使得氣含率降低，在表觀氣速高于0.71 m/s后氣含率隨之增大;高床層相對(duì)于低床層距離氣體分布器更遠(yuǎn)，氣泡經(jīng)過低床層后速度有所下降，因而有更多的氣泡存在于高床層中，同時(shí)也使得高床層的氣液兩相湍動(dòng)情況比低床層弱，進(jìn)而導(dǎo)致了高床層的壓差標(biāo)準(zhǔn)偏差比低床層低，具體情況如圖10所示。

2.3??氣體分布器浸沒深度的影響

通過壓力變送器可測(cè)得氣體分布器在不同浸沒深度下鼓泡塔內(nèi)的壓力變化情況，如圖11所示為測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3的壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差隨氣體分布器浸沒深度的變化情況。從中可以看出：兩測(cè)點(diǎn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著氣體分布器浸沒深度的增大而增大。引起這種結(jié)果的原因?yàn)椋涸跍\床層的情況下，氣體分布器浸沒深度增大，會(huì)使得鼓泡床內(nèi)氣液兩相流的高度增加，氣液兩相相互作用加劇，從而使鼓泡床內(nèi)氣液兩相湍動(dòng)程度加劇。此外，浸沒深度的增大會(huì)提高氣泡在液相的停留時(shí)間，這有助于脫硫的進(jìn)行。

不同浸沒深度下測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)2間床層的氣含率隨表觀氣速的變化情況如圖12所示。隨著氣體分布器浸沒深度的增大，床層的氣含率減小，且氣含率隨表觀氣速的變化越來越不明顯。分析認(rèn)為：氣體分布器浸沒深度增大，使得測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)2間床層的壓強(qiáng)增大，從而使得氣泡減小，對(duì)增大表觀氣速使氣泡增大的效果有一定的抑制作用，削弱了表觀氣速對(duì)氣含率的影響。

3 ?結(jié)論

通過搭建噴淋散射塔鼓泡區(qū)域的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，研究了不同表觀氣速和氣體分布器浸入深度對(duì)鼓泡塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)情況的影響，結(jié)論如下：

（1）氣體分布器表面形成的氣泡直徑約12mm;氣泡在溢出液面時(shí)會(huì)發(fā)生破碎，一部分氣體離開鼓泡塔，一部分氣體形成小氣泡隨著返混的液相運(yùn)動(dòng);表觀氣速越大，浸沒深度越大，鼓泡塔內(nèi)液相返混越劇烈，隨液相返混運(yùn)動(dòng)的氣泡在液相中的停留時(shí)間越長(zhǎng)，有助于脫硫過程的進(jìn)行。

（2）液相在散射管管壁和鼓泡池壁面間形成大尺度循環(huán)。

（3）表觀氣速的增大，使得鼓泡床床層抬高，壓強(qiáng)增大，氣泡直徑增大，氣泡運(yùn)動(dòng)速度增大，氣含率隨之增大，氣液兩相湍動(dòng)加劇;在相同的表觀氣速下，高床層的氣含率比低床層大。

（4）隨著氣體分布器浸沒深度的增大，氣液兩相湍動(dòng)加劇，鼓泡床床層氣含率減小，表觀氣速對(duì)氣含率的影響效果有所削減。

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