急冷塔傳熱過程模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

毛宇，黃衛(wèi)星

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，成都 610065）

目前對(duì)于高溫?zé)煔饧崩渌脑O(shè)計(jì)思路有較為系統(tǒng)的闡述[1]，同時(shí)對(duì)于急冷塔中的核心部件——雙流體噴槍，也有較為詳細(xì)的描述[2]；但模擬方面的研究還不夠深入，不僅需要了解操作參數(shù)對(duì)于急冷塔運(yùn)行的影響[3-4]，還應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文從順逆流噴射方式的優(yōu)缺點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行區(qū)域劃分，并說明結(jié)構(gòu)參數(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化的可能性，最后給出特定工況下結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算的方法，為大范圍操作工況下的急冷塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 噴射方式的選擇

煙氣與噴霧液滴之間有順流噴射和逆流噴射之分，兩種噴射方式的簡(jiǎn)化物理模型如圖1 所示，表1 是急冷塔相關(guān)參數(shù)，煙氣主要成分CO2、O2、N2，H2O 摩爾分率占比分別為11.2 %、5.2 %、70.5 %、13.1 %，噴霧參數(shù)為50 μm、35 m/s、27.5°（半角）。

圖1 順流噴射(左)和逆流噴射(右)Fig.1 Co-current injection (left) and countercurrent injection (right)

表1 急冷塔相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of quench tower

圖2 為兩種噴射方式下X=0 截面的溫度云圖，順流噴射時(shí)的蒸發(fā)區(qū)域較為狹長(zhǎng)，而逆流噴射的蒸發(fā)區(qū)集中在噴嘴附近，且塔內(nèi)最低溫度更小。圖3 為塔內(nèi)平均溫度變化，順流噴射時(shí)，塔內(nèi)平均溫度下降較為平緩，而逆流噴射時(shí)，溫度在噴嘴附近區(qū)域急劇下降而后緩慢變化。

為了定量描述塔內(nèi)溫度的均勻性，定義溫度均勻性指標(biāo)Tu= 1-r（r為塔截面溫差絕對(duì)值與其平均溫度的比值）對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。圖4 為塔內(nèi)溫度均勻性變化，雖然順流噴射在出口處的溫度均勻性略優(yōu)于逆流噴射，但出口前溫度均勻性較差，也就是說，順流噴射適用于塔體較高的情況，只有在到達(dá)一定的高度后，才能體現(xiàn)出溫度均勻性更好的特 點(diǎn)。

同時(shí)二噁英的最佳溫度生成區(qū)間是300 ～ 450 ℃，此區(qū)間所占體積分率大小將直接影響對(duì)二噁英的抑制效果。圖5 是二噁英生成區(qū)間體積分率隨時(shí)間變化特性，兩種噴射方式都能在1.1 s 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，且兩條曲線的趨勢(shì)都是先上升至峰值再下降一段高度并維持穩(wěn)定，這是因?yàn)闊煔馐菑?00 ℃開始下降，所以體積分率從0 開始。順流噴射時(shí)的穩(wěn)定值最終維持在9.8%左右，而逆流噴射則為3.4%左右，顯然，逆流噴射對(duì)于二噁英的抑制效果更優(yōu)。

綜上，高溫?zé)煔馀c噴霧液滴之間為順流時(shí)，整體溫度下降較為平緩，塔體較高時(shí)，出口溫度均勻性較好；逆流噴霧時(shí)，噴嘴附近區(qū)域溫度急劇下降而后緩慢變化，所需塔高較小且對(duì)二噁英的抑制效果更佳。下文采用逆流噴射方式進(jìn)一步研究。

圖2 X=0 截面溫度云圖Fig.2 Temperature cloud of X=0 cross-section

圖3 塔內(nèi)平均溫度變化Fig.3 The average temperature change in the tower

圖4 塔內(nèi)溫度均勻性變化Fig.4 The temperature uniformity change in the tower

圖5 二噁英生成區(qū)間體積分率隨時(shí)間變化特性Fig.5 Variation characteristics of the volume fraction of dioxin generation interval with time

2 溫度場(chǎng)區(qū)域劃分

圖6 是逆流型急冷塔內(nèi)區(qū)域劃分示意圖，將其分為進(jìn)口段(773 K， 0 ～ 0.6 m)，蒸發(fā)段(452.5 ～ 773 K， 0.6 ～ 1.9 m)，混合段(452.5 K ， 1.9 ～ 3.3 m)三個(gè)部分，其中混合段中，截面平均溫度幾乎不發(fā)生變化，但截面溫度范圍是有差異的，隨著高度增加，截面溫度范圍的上下限在不斷收縮靠攏。Z=1.9m，截面溫差為48 個(gè)溫度單位，與該截面平均溫度的比值是10.61%；Z=3.3m，截面溫差為21 個(gè)溫度單位，與該截面平均溫度的比值是4.64%，這也進(jìn)一步說明了混合段雖然截面平均溫度不發(fā)生改變，但隨著高度增加，溫度均勻程度是不斷改善的。同時(shí)由圖4 可知，隨著高度增加，溫度均勻性變化速率越來越小，但沒有趨于穩(wěn)定，也就是說，只要有足夠的高度，溫度會(huì)越來越均勻。

圖6 逆流型急冷塔內(nèi)區(qū)域劃分示意圖Fig.6 Schematic diagram of the division of the counterflow quenching tower

3 三種塔徑下溫度場(chǎng)比較

為了研究塔徑變化對(duì)溫度場(chǎng)的影響，取塔徑0.48 m，0.54 m，0.60 m 進(jìn)行研究，圖7 是三種塔徑下截面平均溫度沿軸向變化，在Z=1.5 m 后，三者出口溫度穩(wěn)定且一致。三種塔徑下塔內(nèi)溫度均勻性變化如圖8 所示，取溫度均勻性90%的直線與三條曲線相交，三種塔徑對(duì)應(yīng)的塔高分別為1.9 m，2.0 m，1.8 m。三條曲線變化趨勢(shì)一致，進(jìn)入蒸發(fā)段后Tu首先急劇下降再快速上升，但上升速率逐漸變緩；增大塔徑，蒸發(fā)區(qū)域下移，整個(gè)上升段溫度均勻性明顯提升，但Tu指標(biāo)的變化速率與原塔差異不大；減小塔徑，蒸發(fā)區(qū)域上移，在上升前半段溫度均勻性略有減小，但后半段提高，說明減小塔徑可以提高Tu的上升速率，同時(shí)又能減小內(nèi)壁表面積，由此表明了結(jié)構(gòu)參數(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化。

4 特定工況下塔體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了大范圍操作工況下的優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)對(duì)特定工況下（進(jìn)口煙氣溫度600℃，流量14 058 kg/h，出口煙氣溫度220℃，出水量2 240 kg/h，噴霧粒徑125 μm，噴霧角55°）進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算。取多組塔徑進(jìn)行建模，優(yōu)化計(jì)算時(shí)認(rèn)為塔體截面溫度范圍處于0.95T～1.05T區(qū)間時(shí)（T為熱平衡出口溫度）已基本實(shí)現(xiàn)冷卻目的，取滿足該溫度均勻性要求的最小塔高為有效高度，并以內(nèi)壁表面積最小為最優(yōu)解，相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

圖7 三種塔徑下沿軸向截面平均溫度變化Fig.7 The average temperature change along the axial section of the three tower diameters

圖8 三種塔徑下塔內(nèi)溫度均勻性變化Fig.8 Temperature uniformity change in the tower under three tower diameters

當(dāng)塔徑增加，Z1呈遞減趨勢(shì)，但這個(gè)高度并不一定是有效高度，還需要檢查此截面溫度范圍是否在指定區(qū)間（468 ～ 517 K）內(nèi)，圖9 為該工況下有效高度H和塔內(nèi)壁表面積S的變化圖，H隨D增大呈遞減趨勢(shì)，S先減小后增大，最小內(nèi)壁表面積對(duì)應(yīng)的塔徑D為1.4 m，有效高度為2.55 m，為該工況下的最優(yōu)解。這里需要說明的是最優(yōu)塔徑并不是精確等于1.4 m，而是在1.3 ～ 1.5 m 之間。

5 結(jié)束語

順流和逆流噴射各有優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于空心錐和實(shí)心錐噴霧的適用范圍可作進(jìn)一步研究。對(duì)于大范圍操作工況的急冷塔結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可參照本文優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到的最優(yōu)塔徑和有效高度可做進(jìn)一步分析。

表2 特定工況下改變塔徑所得參數(shù)Table 2 Parameters obtained by changing the tower diameter under specific working conditions

圖9 特定工況下改變塔徑時(shí)的有效高度和表面積變化Fig.9 Changes in effective height and surface area when changing the tower diameter under specific conditions