脫硫吸收塔深度除塵氣液兩相流數(shù)值模擬研究

蔣 楠，厲雄峰，葛春亮，劉文櫸，李晨朗，王先董

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

0 引言

近年來我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，同時也產(chǎn)生了持續(xù)增長的能源消耗，引發(fā)了嚴(yán)重的大氣環(huán)境問題。顆粒物是我國城市大氣空氣中最主要的污染物之一，其中細(xì)顆粒物的污染尤為嚴(yán)重[1-4]。細(xì)顆粒物PM2.5 是指空氣動力學(xué)直徑小于2.5 μm的顆粒物，很容易懸浮在大氣中。由于其粒徑小，排放到大氣后隨氣流的傳輸距離更遠(yuǎn)，在空氣中的停留時間也更長，所以其產(chǎn)生的污染影響范圍更廣、影響時間更長。

根據(jù)生成機(jī)理，大氣中顆粒物的來源主要可以分為一次顆粒物排放和二次顆粒物排放，其中，工業(yè)煙（粉）塵排放量為1 232.6 萬t，占全國排放總量的80.1%，工業(yè)是一次顆粒物最主要的排放源。而在工業(yè)行業(yè)中，電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)是煙塵排放量的前3 位。因此，必須從源頭開始采取一系列手段，控制工業(yè)行業(yè)的顆粒物排放，以改善大氣環(huán)境質(zhì)量。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝是目前電力行業(yè)運用最為廣泛的一種脫硫技術(shù)[5]。研究表明[6-7]：對于粉塵而言，WFGD（濕法煙氣脫硫）系統(tǒng)的除塵效率能達(dá)到60%～80%，但該系統(tǒng)存在設(shè)備投資高、布置場地受限等不足[8]。在后超低排放時代，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還需進(jìn)一步研究[9-10]。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，為了解脫硫吸收塔對顆粒物的脫除機(jī)制，利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析是十分必要的。

1 模型建立

1.1 物模建立

噴淋脫硫吸收塔深度除塵過程包括氣液兩相耦合、氣液固三相流動以及液滴捕集細(xì)微顆粒物等復(fù)雜過程，本文基于Fluent 軟件先對脫硫塔內(nèi)的氣液兩相流動進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析塔內(nèi)氣液兩相流動的分布情況，以便后續(xù)探究脫硫吸收塔協(xié)同除塵的捕集機(jī)制。

以某中試裝置中的噴淋脫硫塔為計算對象，開展氣液兩相流動模擬分析。中試脫硫塔的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 脫硫塔結(jié)構(gòu)示意

脫硫塔塔高29 m，除漿液池部分之外的塔徑為3 m，以漿液池底部平面的圓心作為坐標(biāo)軸的原點；入口管道方向與水平面呈20°，入口中軸線的高度為6.46 m；均流板的設(shè)置高度為9.26 m，開孔率為0.40。塔內(nèi)共設(shè)置5 個噴淋層，噴淋層截面布置如圖1 所示，8 個噴嘴均勻布置在截面的同一個圓周上，噴淋層編號為1—5 號，高度分別為11.26 m，13.26 m，15.26 m，17.26 m，19.26 m。

1.2 數(shù)模建立

1.2.1 基本假設(shè)

根據(jù)氣液兩相的流動特征和液相的體積分?jǐn)?shù)，塔內(nèi)氣液兩相模擬以氣相為連續(xù)相，脫硫液滴為離散相，即采用Eulerian-Lagrangian 多相流模型[11-14]。煙氣的流動視為定常不可壓縮粘性流動，以下為對氣相控制方程的描述。

質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρg為氣相密度；ug為氣相速度矢量；μg為煙氣的動力粘性系數(shù)；p 為氣相壓力；g 為重力加速度矢量；Fd為噴淋液滴對單位體積流體的作用力；e 為單位質(zhì)量煙氣的內(nèi)能；λ 為氣相導(dǎo)熱系數(shù)；Tg為煙氣的溫度；為煙氣與外界的能量交換。

噴淋塔內(nèi)，漿液液滴主要受到重力、曳力、浮力、Basset 力、Saffman 力等作用力，相對于曳力和重力，其他力都很小，可以忽略[15]。液滴運動方程采用牛頓第二定律表示，氣流中單個液滴的平衡方程[16]為：

式中：md為漿液滴質(zhì)量；ud為液滴速度矢量；FD為單個液滴受到的曳力；ρd為液滴密度；dd為液滴直徑；Red為液滴雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)。

對式（4）進(jìn)行時間積分就能得到離散液滴顆粒的速度，進(jìn)而得到液滴顆粒的運動軌跡。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

對吸收塔進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式。噴淋區(qū)由于考慮了噴淋管道的影響，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格繪制，同時針對重要觀察區(qū)進(jìn)行局部加密處理，其余部分均生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。研究前期，針對該模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，在本模型的網(wǎng)格數(shù)量下，網(wǎng)格的疏密程度對其模擬結(jié)果影響不大。網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意

1.2.3 邊界條件

表1 給出了典型工況下數(shù)值模擬計算的邊界條件和相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

表1 氣液兩相流場邊界條件與參數(shù)設(shè)置

1.2.4 數(shù)值計算方法

本文的數(shù)值模擬計算基于Ansys Fluent 軟件進(jìn)行求解。本文中，液滴的體積分?jǐn)?shù)視為10%以下，可采用DPM（離散相模型）離散軌道模型在Lagrange 坐標(biāo)系下計算液滴運動軌跡[17]。采用Realizable k-ε 模型在Euler 坐標(biāo)系中進(jìn)行計算，采用穩(wěn)態(tài)計算，使用分離式求解器Pressure-Based Solver，差分方程的求解采用SIMPLEC 算法，動量、能量、湍動能等的離散方法均采用二階迎風(fēng)格式[18-20]。

2 脫硫塔內(nèi)氣液兩相流場分析

2.1 脫硫塔內(nèi)液滴分布

圖3 給出塔內(nèi)縱截面液滴體積分?jǐn)?shù)分布，有助于更好地理解塔內(nèi)液滴對顆粒物的捕集情況。

如圖3 所示，液滴分布在噴淋層及其下方的空間，入口附近以及出口區(qū)均不存在噴淋液滴。塔內(nèi)共設(shè)置5 個噴淋層，可以看出液滴濃度的變化趨勢在高度上會呈現(xiàn)一定的周期性，該周期性會影響氣液兩相速度場、溫度場的分布。

圖3 液滴體積分?jǐn)?shù)縱截面分布云圖

從圖4 可以看出每個分噴淋區(qū)內(nèi)橫截面上液滴體積濃度分布會隨著高度不同而不斷變化。圖4（a）所示的平面緊挨噴嘴下方，可以看到8 個明顯的液滴密集圈，分別對應(yīng)8 個噴嘴，平面中心較大一部分區(qū)域液滴體積分?jǐn)?shù)較小或幾乎為0，說明在每個噴淋層所對應(yīng)的分噴淋區(qū)內(nèi)，該層的液滴基本被壁面或管道捕集。圖4（b）所示的平面，之前的濃度聚集點已擴(kuò)張成較大的圓，而平面中點由于各噴嘴噴出的液滴跡線在這里有交叉，形成了局部液滴高濃度區(qū)。圖4（c）所示的平面，液滴的體積分?jǐn)?shù)分布呈現(xiàn)錯落規(guī)則的花瓣狀，但是平面內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)較小，最高只有0.23%。圖4（d）所示的平面，只有壁面附近有部分液滴。根據(jù)液滴的運動方向，該平面內(nèi)液滴大部分都將要撞擊到壁面而被塔壁捕集，難以繼續(xù)對顆粒物數(shù)量的減少做出貢獻(xiàn)。

圖4 液滴體積分?jǐn)?shù)橫截面分布云圖

在高度7～20 m 選取30 個平面，計算液滴的面平均體積分?jǐn)?shù)，得到隨高度的變化曲線如圖5所示。

圖5 液滴橫截面平均體積分?jǐn)?shù)隨高度的變化

液滴體積分?jǐn)?shù)的變化曲線一共出現(xiàn)5 個峰，峰值所在的塔內(nèi)高度與噴淋層的位置相對應(yīng)。液滴體積分?jǐn)?shù)高，才能有更多的液滴對顆粒物進(jìn)行捕集，故脫硫塔除塵效率的提升需要更高的液滴體積分?jǐn)?shù)。

2.2 氣液兩相速度場

煙氣從塔底部的入口進(jìn)入噴淋脫硫塔后，氣相主流從下至上流動，流動過程中經(jīng)過均流板。均流板可以讓煙氣分布趨于均勻，保證液滴與氣相很好地混合，有利于脫硫塔中脫硫漿液對SO2的吸收，同時也有利于液滴對顆粒物的捕集。

從圖6 可以看到，液滴在豎直方向上的運動距離較短，上層噴淋出的液滴幾乎無法運動到下層噴淋以下；所有的液滴跡線未到達(dá)煙氣入口處就已終止，液滴未能運動到塔底部的入口附近并繼續(xù)起到捕集顆?；蛭掌渌廴疚锏淖饔?。

圖6 液相速度分布

從圖7、圖8 來看，在每個分噴淋區(qū)的中間高度附近，近壁處區(qū)域的相對速度數(shù)值會高于其余區(qū)域的值，而兩相相對速度最大值出現(xiàn)在入口附近的對側(cè)壁面，此處對應(yīng)的慣性捕集效率應(yīng)該最高，有利于顆粒物的脫除。但是入口對側(cè)的壁面附近，液滴均集中在塔壁附近且體積分?jǐn)?shù)很低，沒有足夠的液滴參與顆粒物捕集。

圖7 氣液兩相相對速度縱截面分布云圖

圖8 氣液兩相相對速度橫截面分布云圖

2.3 氣液兩相溫度場

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9 所示。

圖9 氣相溫度縱截面分布云圖

可以看出，縱截面等溫線的分布呈現(xiàn)下凹形狀，尤其是在1—3 號噴淋層下方形成不同的分區(qū)，有明顯的分界主要是由于相應(yīng)位置的液滴體積分?jǐn)?shù)較高。其中，凹下去的區(qū)域為前文所述的噴淋層下方的液滴跡線交叉點，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，使得煙氣溫度明顯下降。

氣液兩相溫度差在塔內(nèi)的分布如圖10 和圖11 所示，塔內(nèi)沒有液滴的區(qū)域兩相相對溫度設(shè)為0。

圖10 氣液兩相相對溫度縱截面分布云圖

圖11 氣液兩相相對溫度橫截面分布云圖

液滴在塔內(nèi)的溫度變化小，塔內(nèi)兩相溫度差的變化主要受到煙氣溫度變化的影響。由圖11 可以看到，在1 號噴淋層以下氣液兩相溫差明顯較高，主要因為該區(qū)域的煙氣溫度高，兩相溫差最高處位于入口對側(cè)壁面處，達(dá)到76.2 K。固體顆粒在有溫度梯度的流場中，由于其兩側(cè)的高溫區(qū)和低溫區(qū)給予的壓力不同，會使其向低溫區(qū)遷移，有利于液滴對顆粒的熱泳捕集。而隨著塔內(nèi)高度增加，氣液兩相溫差不斷減小，捕集效率也不斷減弱。

3 結(jié)語

氣液兩相相對速度越大，則液滴對顆粒物的慣性捕集效率就越高，有利于微米顆粒物在塔內(nèi)的捕集。入口高度對側(cè)壁面附近，雖然氣液相對速度較大，但是液滴數(shù)目較少，體積分?jǐn)?shù)較低；而壁面附近有更多相對速度較大的區(qū)域，則液滴的慣性效率較高，這些區(qū)域中脫硫塔對微米級顆粒的脫除作用更強(qiáng)，顆粒數(shù)濃度的減小應(yīng)該更加明顯。

氣液兩相溫差越大，則液滴對顆粒物的熱泳捕集效率就越高，有利于亞微米顆粒物在塔內(nèi)的捕集。但是塔內(nèi)溫差最大的區(qū)域，液滴體積分?jǐn)?shù)很低，故溫差較大區(qū)域內(nèi)的除塵效果還要將各影響因素結(jié)合起來進(jìn)行分析。