脫硫吸收塔深度除塵氣液固三相模擬研究

葛春亮，蔣 楠，劉文櫸，厲雄峰，李晨朗

（1.浙江天地環(huán)保科技股份有限公司，浙江 杭州 311100；2.中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055）

近年來我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，同時(shí)也產(chǎn)生了持續(xù)增長的能源消耗，面臨著嚴(yán)重的大氣環(huán)境問題，電力行業(yè)燃煤產(chǎn)生的SO2和細(xì)顆粒物依然是我國大氣環(huán)境的主要污染源[1-5]。石灰石-石膏濕法脫硫工藝是目前電力行業(yè)運(yùn)用最為廣泛的一種脫硫技術(shù)[4]。研究表明[6]，對(duì)于粉塵而言，濕法煙氣脫硫（WFGD）系統(tǒng)的脫除效率能達(dá)到60%~80%，但該系統(tǒng)存在著設(shè)備投資高、布置場地受限等不足。在后超低排放時(shí)代，還需進(jìn)一步提高脫硫吸收塔協(xié)同除塵能力，挖掘吸收塔深度除塵潛力[7-8]。脫硫吸收塔內(nèi)部流場較為復(fù)雜，涉及到氣液固三相介質(zhì)流動(dòng)，為了解塔內(nèi)部流動(dòng)變化情況、脫硫除塵影響因素及互相之間的關(guān)系，需要利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行參數(shù)分析。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出的三相流動(dòng)模型有擬均相模型[9-10]、三流體模型[11]、歐拉-離散相模型[12]等。其中，歐拉-離散相模型針對(duì)氣液固各相流動(dòng)的特點(diǎn)，采用Eulerian-Lagrangian方法，在Euler坐標(biāo)系中描述連續(xù)相的運(yùn)動(dòng)，在Lagrangian坐標(biāo)系中描述離散相的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮離散相與連續(xù)相之間的耦合作用，這種模型能夠較好地模擬多相流動(dòng)。本文將脫硫吸收塔氣相視為連續(xù)相，在Euler坐標(biāo)系下計(jì)算流場，將顆粒和液滴視為離散相在Lagrangian坐標(biāo)系描述其運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)考慮離散相和連續(xù)相之間的耦合作用，以及慣性撞擊、攔截和熱泳捕集作用機(jī)制，并在此數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，研究不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)其脫硫吸收塔的影響，探討脫硫吸收塔深度除塵技術(shù)的可行性。

1 模型建立

1.1 物模建立

本文以噴淋脫硫塔中試裝置模型為計(jì)算對(duì)象，開展脫硫吸收塔除塵系統(tǒng)機(jī)理研究，優(yōu)化吸收塔的協(xié)同除塵性能。脫硫塔結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 脫硫塔結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the desulfurization tower structure

煙氣攜帶顆粒物從脫硫塔下方的入口進(jìn)入脫硫塔，經(jīng)過入口上方的均流增效板后截面煙氣分布更加均勻。煙氣經(jīng)過噴淋區(qū)與噴淋而下的漿液滴逆流接觸反應(yīng)，漿液滴最終會(huì)落入漿液池中。煙氣經(jīng)過噴淋區(qū)除去SO2、顆粒物等污染物后，進(jìn)入除霧區(qū)，將煙氣中攜帶的大部分液滴去除，最后煙氣通過出口煙道排出脫硫塔。

在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，需要對(duì)氣液固三相流動(dòng)情況進(jìn)行如下基本假設(shè)和簡化：1）流動(dòng)為定常不可壓縮流動(dòng)；2）壁面絕熱；3）不考慮內(nèi)部介質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的影響；4）不考慮液滴的碰撞、破碎、聚并；5）近似認(rèn)為液滴為圓球體形狀，且液滴粒徑不發(fā)生改變；6）不考慮除霧器對(duì)流場和顆粒物捕集的影響，將均流增效板作為porous-jump處理；7）認(rèn)為顆粒相對(duì)氣液兩相無影響。

1.2 數(shù)模建立

對(duì)濕法脫硫系統(tǒng)的協(xié)同除塵性能進(jìn)行可靠的數(shù)值模擬，必須建立脫硫塔內(nèi)三相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型及其相應(yīng)的計(jì)算方法。首先，建立塔內(nèi)氣液兩相流模型，進(jìn)行兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬并得到相應(yīng)的流場信息；然后，加入顆粒物的計(jì)算模型進(jìn)行除塵效率模擬計(jì)算。

1.2.1 氣液兩相流動(dòng)控制方程

考慮氣液兩相的流動(dòng)特征，采用Eulerian-Lagrangian多相流模型。湍流模型則使用Realizablek-ε模型，該模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上對(duì)正應(yīng)力進(jìn)行了一定的數(shù)學(xué)約束，已經(jīng)有效應(yīng)用于包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、管道內(nèi)流動(dòng)、帶有分離的流動(dòng)等不同類型的流動(dòng)模擬。

1.2.2 顆粒相控制方程

在噴淋脫硫塔內(nèi)除塵效率的計(jì)算中，假設(shè)固相與氣相間不存在能量交換，顆粒物質(zhì)量濃度在塔內(nèi)是連續(xù)分布的，因此可以將顆粒物視作氣相的1個(gè)組分?？紤]對(duì)流、擴(kuò)散等對(duì)顆粒的影響，針對(duì)計(jì)算域內(nèi)的任意1個(gè)控制體，分析顆粒的動(dòng)態(tài)平衡，建立顆粒的輸運(yùn)方程：

1.2.3 協(xié)同除塵模型

本文主要考慮慣性撞擊、攔截和熱泳捕集作用機(jī)制對(duì)于液滴捕集顆粒物過程的影響，并以此作為濕法脫硫塔內(nèi)協(xié)同除塵效率的計(jì)算前提。

根據(jù)文獻(xiàn)[13-17]得到在慣性、熱泳和攔截3種機(jī)制單獨(dú)作用下單液滴對(duì)于顆粒的捕集效率公式，計(jì)算得到單液滴捕集效率Ein、Eth、Edi。單液滴對(duì)于顆粒的總捕集效率E為

將單液滴捕集顆粒物的總效率E通過顆粒匯項(xiàng)引入脫硫塔協(xié)同除塵性能的計(jì)算中：

根據(jù)以上公式建立顆粒物模型，編寫用戶自定義函數(shù)導(dǎo)入Ansys軟件，以氣液兩相的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行塔內(nèi)除塵效率的計(jì)算。

2 氣液兩相溫度場分析

煙氣以400 K的初始溫度從脫硫塔入口進(jìn)入，在塔內(nèi)的溫度分布如圖2所示，氣液兩相相對(duì)溫度縱截面分布如圖3所示。

圖2 氣相溫度縱截面分布Fig.2 The cloud chart of gas phase temperature distribution on the longitudinal section

由圖2可見，縱截面等溫線的分布呈現(xiàn)下凹形狀，形成不同的顏色分區(qū)，有明顯的顏色分界。這主要是由于相應(yīng)位置的液滴體積分?jǐn)?shù)較高，其中凹下去的區(qū)域?yàn)閲娏軐酉路降囊旱污E線交叉點(diǎn)，而分界線中位置較高的部分處于噴嘴所在的位置，也是液滴的聚集區(qū)，因此煙氣在這些區(qū)域與液滴發(fā)生熱交換失去較多熱量，導(dǎo)致煙氣溫度明顯下降。

由圖3可見：液滴在塔內(nèi)的溫度變化小，塔內(nèi)兩相溫差的變化主要受到煙氣溫度變化的影響；噴淋層區(qū)域的氣液兩相溫差明顯較高。這主要因?yàn)樵搮^(qū)域的煙氣溫度高，兩相溫差峰值（76.2 K）位于入口對(duì)側(cè)壁面處，而隨著塔內(nèi)高度增加，氣液兩相溫差不斷減小。兩相溫差大，有利于液滴對(duì)顆粒的熱泳捕集。

3 運(yùn)行參數(shù)影響分析

模型所采用的顆粒粒徑在0.045～10.000 μm范圍內(nèi)，分別選取粒徑為0.045、0.085、0.140、0.215、0.330、0.525、0.825、1.300、2.050、3.450、5.600、8.400、10.000 μm的13種不同顆粒。其中，粒徑小于1.300 μm的顆粒物統(tǒng)稱為亞微米級(jí)顆粒物，粒徑為1.300~10.000 μm的顆粒物統(tǒng)稱為微米級(jí)顆粒物。每次模擬計(jì)算只有1種粒徑的顆粒進(jìn)入脫硫塔內(nèi)進(jìn)行脫除效率計(jì)算，選取6種重要運(yùn)行參數(shù)（表1），分析其對(duì)脫硫塔除塵性能的影響。得到不同影響參數(shù)下脫硫塔除塵效率的變化規(guī)律，提出合理的運(yùn)行參數(shù)組合方式，用于指導(dǎo)脫硫塔協(xié)同除塵性能的優(yōu)化工作。

表1 6種重要運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Six important operation parameters

3.1 液滴粒徑對(duì)除塵效率影響

在液滴噴淋量保持不變的情況下，液滴粒徑的減少會(huì)使塔內(nèi)液滴數(shù)目有所增加，從而能捕集更多顆粒物。不同粒徑顆粒除塵效率隨液滴粒徑的變化如圖4所示。由圖4可以看出：當(dāng)顆粒粒徑大于0.825 μm時(shí)，隨著液滴粒徑的減小，除塵效率單調(diào)遞增；粒徑小于0.525 μm的顆粒隨著液滴直徑的減小，除塵效率會(huì)先增加后減小。這是由于減小液滴粒徑的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致液滴的自由沉降速度下降，即塔內(nèi)氣液兩相之間的相對(duì)速度減小，繞流液滴的顆粒量就會(huì)減小，因此除塵效率會(huì)先增加后減小。

可見，液滴粒徑的變化可以使脫硫塔的協(xié)同除塵性能發(fā)生較大的改變，因此在優(yōu)化其除塵性能時(shí)，減小噴淋液滴的粒徑可以有效提升粒徑在0.825 μm及以上微米顆粒的除塵效率。

圖4 不同粒徑顆粒除塵效率隨液滴粒徑的變化Fig.4 The influence of droplet diameter on particle remove efficiency

3.2 煙氣流速對(duì)除塵效率影響

不同粒徑顆粒除塵效率隨煙氣流速的變化如圖5所示。由圖5可見，塔內(nèi)除塵效率隨顆粒粒徑的變化趨勢均相同。亞微米顆粒的除塵效率均低于20%；顆粒粒徑從0.825 μm開始增大時(shí)，除塵效率開始迅速增加；粒徑在3.450 μm以上的顆粒除塵效率都大于95%；顆粒粒徑增至10.000 μm時(shí)，除塵效率達(dá)到最大，接近于100%。

圖5 不同粒徑顆粒除塵效率隨煙氣流速的變化Fig.5 The influence of flue gas velocity on particle remove efficiency

由此可見，煙氣流速的提升雖然對(duì)塔內(nèi)顆粒物的去除有一定的促進(jìn)作用，但是對(duì)亞微米顆粒物除塵效率提升效果不顯著。受慣性捕集機(jī)制的影響，氣液相對(duì)速度升高后，單液滴慣性捕集效率升高，1.300 μm和2.050 μm粒徑顆粒的捕集效率得到提升。但煙氣流速并不能一味增加，需考慮整體脫硫系統(tǒng)的煙氣量及塔徑，因此煙氣流速變化幅度較小。

3.3 液氣比對(duì)除塵效率影響

不同粒徑顆粒除塵效率隨液氣比的變化如圖6所示。

圖6 不同粒徑顆粒除塵效率隨液氣比的變化Fig.6 The influence of liquid-to-gas ratio on particle remove efficiency

由圖6可見，粒徑范圍在0.525 μm及以下顆粒，隨著液氣比的增加，其除塵效率的變化幅度較小，主要是因?yàn)橐旱螌?duì)粉塵的捕集效率較低，所以液滴數(shù)目增加對(duì)于除塵效率的提升也比較緩慢。在液氣比從10.00 L/m3升高到25.00 L/m3時(shí)，粒徑為0.825、1.300、2.050 μm顆粒的除塵效率增加最多，分別從10.65%、30.84%、73.06%升高到20.95%、57.68%、95.36%，且增加的幅度隨著液氣比增加而逐漸放緩。對(duì)于微米級(jí)顆粒，塔內(nèi)的單液滴捕集效率高，因此液氣比增加時(shí)，液滴數(shù)目增多，塔內(nèi)顆粒物的累計(jì)捕集效果得到明顯提升。對(duì)于5.000 μm以上的大顆粒，單液滴的捕集效率很高，盡管液氣比降低到10.00 L/m3，除塵效率依然高達(dá)99.9%以上。

可見，液氣比的提升有助于各粒徑段在塔內(nèi)脫除效率的提升，但是液氣比增加到一定數(shù)值時(shí)，繼續(xù)增加液氣比不再有助于除塵效率的繼續(xù)升高，此時(shí)需要從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)優(yōu)化脫硫塔性能。

3.4 噴淋參數(shù)對(duì)除塵效率影響

噴淋參數(shù)主要包括噴淋速度、噴淋層數(shù)及噴淋溫度。通過調(diào)節(jié)各個(gè)噴淋參數(shù)來探究對(duì)脫硫塔內(nèi)除塵效率的影響。圖7為不同粒徑顆粒除塵效率隨初始噴淋速度的變化。由圖7可見，液滴初始速度增加不利于亞微米顆粒物的脫除，且液滴速度的改變對(duì)微米級(jí)顆粒捕集效率的提升也有限。因此，不建議通過改變初始噴淋速度來優(yōu)化脫硫塔對(duì)顆粒物的捕集作用效果。

圖7 不同粒徑顆粒除塵效率隨初始噴淋速度的變化Fig.7 The influence of initial spray speed on particle remove efficiency

圖8 為不同粒徑顆粒除塵效率隨噴淋層數(shù)的變化。由圖8可見，在保證液氣比不變的前提下，增加噴淋層數(shù)，液滴作用的區(qū)域體積增加，使得液滴分布更加均勻，擴(kuò)大了顆粒與液滴接觸的區(qū)域，使得顆粒有更多的停留時(shí)間被液滴捕集，但除塵效率變化并不十分明顯。另外，噴淋層數(shù)受脫硫塔整體建筑高度所限，以及工程造價(jià)的制約，變化幅度有限。

圖9 為不同粒徑顆粒除塵效率隨初始噴淋溫度的變化。氣液兩相溫差是決定單液滴對(duì)顆粒物熱泳捕集作用的主要影響參數(shù)，液滴初始溫度的變化通過改變氣液兩相溫差從而改變了塔內(nèi)液滴對(duì)顆粒物的熱泳捕集作用強(qiáng)弱。由圖9可見：初始噴淋溫度的變化對(duì)亞微米顆粒的脫除影響較大，這是由于亞微米級(jí)顆粒物的捕集以熱泳捕集機(jī)制為主導(dǎo)；但是初始噴淋溫度的變化對(duì)微米級(jí)顆粒的脫除并無顯著影響。

圖9 不同粒徑顆粒除塵效率隨初始噴淋溫度的變化Fig.9 The influence of initial spray temperature on particle remove efficiency

4 結(jié) 論

1）典型工況下，整體脫硫塔對(duì)亞微米級(jí)顆粒物的捕集效率較低，其效率在10%左右。在氣液兩相溫差和液滴體積分?jǐn)?shù)共同影響下，塔內(nèi)顆粒物捕集主要依靠熱泳機(jī)制而被液滴捕集。溫差較大的塔體下半部分和噴淋層下方的液滴聚集處是亞微米級(jí)顆粒物被捕集的主要區(qū)域。

2）噴淋過程對(duì)微米級(jí)顆粒物的捕集效率更高，其在脫硫塔內(nèi)的捕集主要受到氣液兩相溫差和液滴體積分?jǐn)?shù)的影響，慣性捕集是液滴捕集微米級(jí)顆粒物的最主要機(jī)制，全塔的除塵效率達(dá)99.98%以上。微米級(jí)顆粒被捕集的主要區(qū)域?yàn)轭w粒數(shù)濃度下降很快的塔體下半部分、噴淋層下方的液滴聚集處以及吸收塔壁面附近氣液兩相相對(duì)速度較大的區(qū)域。

3）在亞微米及微米級(jí)過渡區(qū)間（粒徑1.300~2.050 μm）的顆粒物，同時(shí)受到熱泳和慣性捕集機(jī)制的影響，其運(yùn)行參數(shù)的變動(dòng)會(huì)較為敏感。

4）減小液滴粒徑，是提升不同粒徑顆粒物除塵效率的最佳方式，液滴直徑小于1 mm時(shí)除塵效果最佳。塔內(nèi)煙氣流速的增加對(duì)微米級(jí)顆粒除塵效率的提升效果較為顯著，滿負(fù)荷時(shí)除塵性能相對(duì)最好。液氣比的升高對(duì)微米級(jí)顆粒的除塵效果有一定的增強(qiáng)作用，但是持續(xù)的升高液氣比對(duì)除塵效率影響不大，建議該塔液氣比不超過20.00 L/m3。

5）噴淋參數(shù)即噴淋速度、噴淋層數(shù)和噴淋溫度，對(duì)其除塵效率的影響并不十分顯著。考慮到工程造價(jià)的制約及經(jīng)濟(jì)因素，保持在典型工況下的相關(guān)參數(shù)即可。