合成氣洗滌塔氣/水分布器結(jié)構(gòu)模擬與優(yōu)化

林東杰，章 剛，霍耿磊，劉春雷，馬 超，劉 穎

(航天長征化學工程股份有限公司，北京 101111)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，近年來我國能源消費總量也在快速增長。截止至2019年，我國進口原油已經(jīng)達到5.06億t，對外依存度達到了70.8%[1-3]。因此，大力發(fā)展煤化工對于我國應對能源危機，保證我國戰(zhàn)略能源安全有著十分重大的意義。

高壓粉煤氣化作為煤化工利用的重要途徑，受到越來越廣泛的關(guān)注。眾所周知，我國煤炭豐富的地區(qū)又恰恰是水資源匱乏，環(huán)境容量小，生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)。因此，針對煤氣化的污染問題和國家日益嚴格的節(jié)能減排要求，具有環(huán)保性能的煤氣凈化和后處理設備成為了研究熱點。洗滌塔作為一種結(jié)構(gòu)簡單，能效高的氣體凈化裝置，在合成氣凈化除塵領(lǐng)域有著廣泛的應用。同時，洗滌塔底部的氣體分布狀況對固體粉塵的潤濕以及整個洗滌塔的壓降有著十分重要的影響。

本文主要針對四種不同的洗滌塔氣/水分布器結(jié)構(gòu)，通過利用CFD模擬軟件對高壓下的合成氣洗滌過程進行模擬，獲得了不同時刻的壓力分布、氣/水體積分數(shù)分布及進口的平均壓力，為氣/水分布器的結(jié)構(gòu)選擇和設計提供了依據(jù)。

1 洗滌塔氣/水分布結(jié)構(gòu)及簡化結(jié)構(gòu)模型

合成氣洗滌塔下部的氣/水分布器的主要作用是使氣體與水充分接觸，同時將氣體平穩(wěn)均勻進入塔內(nèi)，為洗滌塔的塔板上粉塵的脫除打下良好的基礎(chǔ)。合成氣洗滌塔的結(jié)構(gòu)如圖1所示[4-6]，主要包括內(nèi)筒、升氣筒和擋板等。根據(jù)洗滌塔的不同結(jié)構(gòu)，提出了4種不同的數(shù)學簡化模型，如圖2所示。

圖1 洗滌塔氣/水分布器結(jié)構(gòu)示意(mm)

圖2 合成氣洗滌塔四種結(jié)構(gòu)簡化模型示意

圖2中，四種簡化模型分別為只有內(nèi)筒，內(nèi)筒和升氣筒，內(nèi)筒和擋水板、內(nèi)筒、升氣筒和擋水板。具體尺寸如表1所示。

表1 洗滌塔氣/水分布器結(jié)構(gòu)尺寸 m

2 模擬模型及邊界條件

針對洗滌塔氣/水分布器特點，利用流體體積函數(shù)法(VOF模型)進行CFD模擬[7-9]。

Hirt，C .W .Nichols，B .D .[ 7]于1981 年在研究壓力容器流體自由液面時提出的適用于兩種或多種互不穿透流體相間界面追蹤計算的VOF模型。VOF模型通過將相的體積分數(shù)作為變量引入計算單元中合成氣和液體被分別設定為第一和第二相，通過求解第二相體積分數(shù)的連續(xù)性方程，跟蹤氣/液相之間的界面。該模型是目前研究自由液面問題的理想方法。

針對洗滌塔合成氣洗滌的模擬條件及主要物性數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 洗滌塔結(jié)構(gòu)模擬邊界條件

表3 洗滌塔洗滌物性數(shù)據(jù)

3 結(jié)果與討論

3.1 不同結(jié)構(gòu)氣/水分布器壓力分布結(jié)果

四種不同結(jié)構(gòu)下合成氣洗滌塔氣/水分布段不同時刻的壓力分布結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 2s時不同分布器結(jié)構(gòu)壓力分布

圖4 4 s時不同分布器結(jié)構(gòu)壓力分布

圖5 7 s時不同分布器結(jié)構(gòu)壓力分布示意

由圖3～圖5可以看出，只有內(nèi)筒的情況下(結(jié)構(gòu)1)，不同時刻下，氣/水壓力的波及范圍較廣，在內(nèi)筒兩側(cè)大約0.8 m處形成了明顯的氣泡區(qū)，并且整體壓力梯度較大。

當有內(nèi)筒和升氣筒(結(jié)構(gòu)2)存在時，氣/水壓力分布的波及范圍基本被控制在升氣筒之內(nèi)，并且由于氣體從內(nèi)筒與升氣筒之間的通道快速通過，因此整體壓力梯度小于結(jié)構(gòu)1[10-11]。

當有內(nèi)筒和擋水板(結(jié)構(gòu)3)存在時，由于擋水板阻礙了內(nèi)筒附近的氣流上升，因此造成內(nèi)筒附近壓力梯度上升。這可以從圖5中的等壓線分布看出。同時，從圖3～圖5還可以看出，擋水板的存在進一步加大了氣/水壓力分布的不均衡性和不穩(wěn)定性，波及范圍幾乎波及到了整個塔體。

當內(nèi)筒、升氣筒和擋水板都存在時(結(jié)構(gòu)4)，氣/水壓力分布的波及范圍也基本被限制在升氣筒的范圍之內(nèi)，同時擋水板也存在著阻礙內(nèi)筒附近氣體上升，增大壓力梯度的作用，因此，結(jié)構(gòu)4的壓力梯度大于結(jié)構(gòu)2。

3.2 氣/水體積分數(shù)及相界面分布結(jié)果

在合成氣洗滌過程中，氣泡的分布均勻性以及氣/水兩相接觸面積的大小對于整個合成氣的潤濕，以及氣體中微塵粒徑的增長有著十分重要的意義。因此，本文對四種結(jié)構(gòu)的氣/水分布進行了模擬，不同時刻的氣/水分布結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 2 s時不同結(jié)構(gòu)水體積分數(shù)分布

圖7 4 s時不同結(jié)構(gòu)水體積分數(shù)分布

圖8 7 s時不同結(jié)構(gòu)水體積分數(shù)分布

對于結(jié)構(gòu)1，氣體流出內(nèi)筒后基本沿著內(nèi)筒外壁快速上升，合成氣與水之間有清晰的相界面。水面的波動范圍也基本限制在內(nèi)筒兩側(cè)0.4 m左右的范圍，這也與前面結(jié)構(gòu)1的壓力分布影響范圍相一致。同時，從圖6和圖7的對比可以看出，由于沒有升氣筒存在，噴出的水下落形成的水面波動會進一步影響氣體上升的氣流分布。

結(jié)構(gòu)2的模擬結(jié)果表明：當只有升氣筒存在時，氣體也還是基本沿著內(nèi)筒外壁快速上升，氣/水相界面清晰。但由于有升氣筒存在，水面的波動范圍基本被限制在升氣筒內(nèi)側(cè)，外側(cè)水面波動較小。同時，由于有升氣筒存在，升氣筒外側(cè)的液面波動對氣體的流動基本沒有影響，因此流動較為穩(wěn)定。

從結(jié)構(gòu)3的模擬結(jié)果可以看出，擋水板阻礙了氣體沿內(nèi)筒外壁的上升，增大了內(nèi)筒外壁處的壓力梯度，氣體有向外側(cè)流動的趨勢，因此大大加大了水面的波動程度和波動范圍。而由于沒有升氣筒的阻擋，水面的劇烈波動進一步加大了氣體流動的不穩(wěn)定性。因此可以說，結(jié)構(gòu)3下，整個塔體內(nèi)的氣/水都在劇烈波動，流動的平穩(wěn)性很差。

結(jié)構(gòu)4的模擬結(jié)果表明，雖然擋水板阻礙了內(nèi)筒外側(cè)的氣體流動，增大了該處的氣體壓力，但由于升氣筒的限制，氣體無法向升氣筒外側(cè)流動，因此水面的波動范圍也基本被限制在升氣筒內(nèi)側(cè)。同時，由于升氣筒的阻擋，外側(cè)的水面波動基本無法影響內(nèi)側(cè)的氣體流動，整體流動較為平穩(wěn)。最為重要的是，由于擋水板和升氣筒的聯(lián)合作用，合成氣和水在外筒和升氣筒間的狹窄通道內(nèi)較為均勻的氣/液混合區(qū)，沒有明顯的相界面，從而大大增加了粉塵的潤濕面積。

3.3 氣體進出口壓差模擬結(jié)果

合成氣洗滌塔的壓降基本集中在氣/水分布段。因此，研究該段的不同分布器結(jié)構(gòu)整體壓降和壓降的穩(wěn)定性對于降低合成氣洗滌塔能耗，提高操作穩(wěn)定有著十分重要的意義。

圖9 不同結(jié)構(gòu)進出口壓降隨時間變化曲線

由圖9可以看出，結(jié)構(gòu)1的壓力波動范圍為18～24 kPa，結(jié)構(gòu)2的壓力波動范圍為17～20 kPa，結(jié)構(gòu)3的壓力波動范圍為17～30 kPa，結(jié)構(gòu)4的壓力波動范圍為22～25 kPa 。從模擬結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3的壓力波動明顯大于結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4，而且結(jié)構(gòu)3的壓力波動十分劇烈。這是由于結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3沒有升氣筒，從而導致水面的波動影響了內(nèi)筒外氣體的流動，加大了整體壓差的波動。而結(jié)構(gòu)3中擋水板的存在進一步加大了整個液面的波動，從而引起了進出口壓差的劇烈波動。

結(jié)構(gòu)1和3的平均壓差要小于結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)4。這是由于升氣筒阻止了外側(cè)的水向氣體流動通道的快速補充，從而減小了氣體通道內(nèi)的水含量從而減小了壓力損失。同時結(jié)構(gòu)3，4的壓降要大于結(jié)構(gòu)1，2。這是由于擋水板的存在阻擋了氣體流動，從而增大了壓差。

4 結(jié) 論

利用VOF模型對四種不同結(jié)構(gòu)的氣/水分布器的合成氣洗滌過程進行了模擬，獲得了壓力分布、氣/水體積分數(shù)分布、進出口壓差等結(jié)果。

(1) 不同結(jié)構(gòu)壓力分布結(jié)果表明：升氣筒的存在能夠有效降低壓力波及范圍，而擋水板的存在會增加內(nèi)筒外側(cè)的壓力梯度。因此，從壓力分布的角度來說，結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4是較為合理的氣/水分布器結(jié)構(gòu)。

(2)不同結(jié)構(gòu)氣/水分布結(jié)果表明：升氣筒的存在能夠有效減小水面的波動范圍和外側(cè)水面波動對于氣體流動的影響。而擋水板能夠阻擋氣體沿內(nèi)筒外壁快速上升。因此，從氣/水分布的角度來看結(jié)構(gòu)4為較為合理。

(3)不同結(jié)構(gòu)進出口壓差結(jié)果表明：升氣筒防止外側(cè)液體快速補充，減小整體壓差，增加壓差的穩(wěn)定性有著十分重要的意義。因此，從壓差角度講，結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4較為合理。

(4)綜合壓力分布、氣/水分布和壓差因素，結(jié)構(gòu)4是較為合理的氣/水分布結(jié)構(gòu)。