干式酸氣吸收器的數(shù)值分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號： TL941⁺ .32"文獻標志碼：A

焚燒技術(shù)由于減容比高、產(chǎn)物無機化、安全性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于處理各類可燃廢物。在利用焚燒技術(shù)處理廢物過程中，受廢物源項的影響，焚燒后產(chǎn)生的煙氣含塵量大、溫度高，常含有H ΔΩ_{Cl，SOx，NOx} 等酸性物質(zhì)。為了使焚燒煙氣達標排放，同時降低其對設(shè)備的腐蝕危害，延長設(shè)備的使用壽命，必須對煙氣進行除酸。傳統(tǒng)的煙氣除酸工藝為濕法除酸，即利用噴淋的堿液與煙氣接觸，通過中和反應(yīng)，去除煙氣中的酸性物質(zhì)。濕法除酸作為一種成熟的工藝，除酸效率較高，但技術(shù)相對復雜，設(shè)備數(shù)量較多、成本高、占地面積大，此外還有較大的供水需求，并且產(chǎn)生大量需處理的工業(yè)廢水。

針對上述問題，依托可移動式低放可燃廢物焚燒裝置研究項目，開發(fā)了干式酸氣吸收技術(shù)及設(shè)備。該技術(shù)采用內(nèi)部安裝干式吸收劑料倉的酸氣吸收器，煙氣進入設(shè)備通過吸收劑料倉，并與之接觸、發(fā)生反應(yīng)，從而去除所含酸性物質(zhì)，達到煙氣除酸的目的。與常規(guī)的濕法煙氣除酸工藝相比，該技術(shù)簡化了工藝流程，減少了設(shè)備數(shù)量和占地面積，有利于實現(xiàn)整個焚燒裝置的小型化；同時避免了廢液的產(chǎn)生，解決了二次廢物處理難題[1-2] 。

為了優(yōu)化干式酸氣吸收器結(jié)構(gòu)，提高干式吸收劑的平均利用率，避免出現(xiàn)干式吸收劑的不均勻使用；同時盡可能降低設(shè)備阻力、節(jié)約能耗、進一步提高酸氣吸收器對煙氣除酸的效果，本文利用workbench有限元分析軟件模擬分析了設(shè)計參數(shù)對設(shè)備性能的影響，根據(jù)工藝計算及數(shù)值模擬結(jié)果，開展了干式酸氣吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)備設(shè)計要點主要包括以下兩方面：（1）使酸氣吸收器中的干式吸收劑達到較高且較為平均的利用率，即每個料倉的吸收劑利用率相差較小，使用率差異小，平均均勻度高；（2）在保證除酸效果的前提下，盡可能降低設(shè)備阻力，節(jié)約能耗。

1 工藝計算

設(shè)計酸氣吸收器前，需要確定其中干式吸收劑的用量。根據(jù)試驗測試結(jié)果及對廢物源項組成的分析，焚燒煙氣中的主要酸性物質(zhì)為HCI，因此以干式吸收劑對煙氣中HC1的吸收作為標準來計算干式吸收劑的用量，結(jié)果列于表1。

吸收劑用量單設(shè)備吸收劑用量 Σ=Σ 吸收劑堆積密度

通過計算，每臺酸氣吸收器的干式吸收劑用量約為 0.288m³ ，吸收劑更換頻率為 80h 左右。

2 數(shù)值分析

作為一種過濾凈化設(shè)備，酸氣吸收器可采用箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)置干式吸收劑料倉。其中，設(shè)備的布置方式，干式吸收劑料倉的進口面積、形狀、流道寬度以及設(shè)備進口等都是較為重要的設(shè)計參數(shù)。

為了研究設(shè)備內(nèi)煙氣的流動狀態(tài)，驗證各種設(shè)計參數(shù)對設(shè)備阻力和吸收劑利用率的影響程度和影響規(guī)律，從而更好地指導酸氣吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有必要利用有限元分析軟件，開展相關(guān)的數(shù)值分析。其中，通過計算設(shè)備出入口壓差得到對應(yīng)的阻力 P ；利用煙氣在干式吸收劑區(qū)域的流速分布不均勻度 U 來表征吸收劑的利用率，該值越接近1，表示干式吸收劑內(nèi)部煙氣流速越平均，差異越小，即吸收劑的利用率也就越高。

2.1 模型建立

根據(jù)相關(guān)文獻和方法[3-6]，將設(shè)備內(nèi)煙氣及吸收劑區(qū)域建立分析模型，從網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密、單元階次和網(wǎng)格質(zhì)量方面考慮，兼顧計算精度和計算量，選取了自動網(wǎng)格劃分方式進行劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)束后檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保后續(xù)計算能夠正常運行。臥式布置方式的網(wǎng)格劃分如圖1所示，立式布置方式同理

2.2 參數(shù)設(shè)定

采用 κ-ε 湍流模型用以準確模擬內(nèi)部流場，通過《工程熱力學》手冊查找煙氣的物性參數(shù)并輸入。由于酸氣吸收器不涉及換熱過程，故不考慮溫度的影響。為了模擬干式吸收劑區(qū)域，參考相關(guān)文獻和計算方法[7-10]，利用多孔介質(zhì)區(qū)域進行代替，并計算得到相關(guān)輸入?yún)?shù)，計算所用參數(shù)列于表2。吸收劑形狀為圓柱狀，該區(qū)域體積設(shè)計為0.288m³ ，與吸收劑的工藝計算用量相匹配

其中，模型中多孔介質(zhì)區(qū)域?qū)?yīng)的粘性阻力項 K 和慣性阻力項 C 的計算公式如下：

式中， r 為當量半徑， m;n 為孔隙率。

此外，設(shè)置模型邊界條件：入口設(shè)為質(zhì)量流量， 0.5kg/s ，與工藝計算的廢物處理量相匹配；出口設(shè)為自由流出口；壁面設(shè)為絕熱溫度邊界。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 設(shè)備布置方式

首先驗證設(shè)備布置方式，即采用臥式或立式布置時對設(shè)備性能的影響；同時，考慮對吸收劑進口面積大小的設(shè)計（進口設(shè)為矩形，寬度和高度方向尺寸相等）。設(shè)備布置方式如圖2所示。

設(shè)備內(nèi)流線如圖3所示，當設(shè)備臥式布置時，煙氣由進口流入，通過錐段發(fā)生較為均勻的擴散后，進入吸收劑進口；而立式布置時，氣體流入設(shè)備后首先沖擊吸收劑頂板，并在錐段內(nèi)發(fā)生一定程度的混流后，通過設(shè)備側(cè)面的狹長流道，向下流動的同時進入吸收劑進口。

設(shè)備阻力與吸收劑進口尺寸的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可見，設(shè)備布置方式對設(shè)備阻力影響較小，設(shè)備立式布置時的流道更為復雜，存在較多的混流，因而設(shè)備阻力略高于臥式布置方式。

干式吸收劑區(qū)域速度分布不均勻度與吸收劑進口尺寸的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖可見，進口尺寸對速度分布不均勻度影響較大。當吸收劑進口尺寸較小時，臥式布置情況下，煙氣可直接擴散后進入吸收劑，在有限的接觸面積上既能保持一定的流速又能均勻擴散，而立式布置流場復雜，煙氣流速快、混流多，會在有限空間內(nèi)擾亂煙氣流動，導致流速分布更為不均勻；但是當吸收劑進口面積足夠大時，臥式布置情況下煙氣擴散緩、流速低的特點越發(fā)明顯，無法保證在更大的區(qū)域內(nèi)擴散和流速均勻分布，而立式布置時，煙氣由于需要通過狹長的流道再進入吸收劑，由此具有高流速、多混流的特點，反而能夠幫助煙氣向流場死區(qū)擴散和流動，進而在更大的區(qū)域內(nèi)保持流速分布的均勻性。

從減小設(shè)備阻力和提升吸收劑利用效率方面考慮，立式布置方式略優(yōu)于臥式布置。此外，立式布置方式便于安裝、節(jié)約空間，因此推薦采用立式布置方式。

2.3.2 吸收劑進口面積和形狀

設(shè)備采用立式布置方式，驗證吸收劑進口面積和形狀對設(shè)備性能的影響。

由圖4～5可知，隨著吸收劑進口尺寸的擴大0 500～1000mm ），煙氣在設(shè)備內(nèi)流動區(qū)域變大，流速降低，阻力由 4.6×10⁴Pa 減小至 1.2×10³Pa ，由此可見尺寸變化對阻力的影響程度較大；同時，煙氣與吸收劑的接觸面隨著吸收劑進口尺寸擴大而增大，流場中死區(qū)增加，煙氣的擴散均勻程度以及流速減小，吸收劑區(qū)域的煙氣速度分布不均勻度隨之下降，吸收劑的利用效率降低，但影響程度有限（煙氣速度分布不均勻度僅下降0.0061）。因此綜合考慮設(shè)備阻力和速度分布不均勻度，吸收劑進口面積應(yīng)適當，不應(yīng)過大或者過小，將其確定為 800mm×800mm 。

圖6為吸收劑進口面積保持 0.64m² 不變的情況下，驗證吸收劑進口形狀（即吸收劑進口寬度和高度方向尺寸比）對設(shè)備性能的影響。

進口高度增加（ 400～1800mm ），寬度減小，因此煙氣進入吸收劑之前的流道截面變小，流速有所提高，設(shè)備阻力也隨之增大。煙氣在流道內(nèi)流動的同時進人吸收劑，隨著煙氣在狹長流道入口處流速的提高，難以保證煙氣有足夠的時間進行擴散和流動，主體流態(tài)穩(wěn)定，較少存在混流和返流，因而整個流道區(qū)域煙氣流速分布越不均勻，吸收劑的利用效率也越低，但總體來看，吸收劑進口形狀對設(shè)備阻力 （3625～4197Pa） 和區(qū)域內(nèi)煙氣流速分布 （0.9986～0.9890） 的影響程度與改變吸收劑進口尺寸和流道寬度相比較小。

綜上，吸收劑進口保持一定的寬度（800 ），可降低煙氣進入流道后的流速，提高流速分布均勻程度和吸收劑的利用率，同時有利于降低設(shè)備阻力。過寬則會使設(shè)備外形改變，給設(shè)備布置帶來不便。

2.3.3 流道寬度

流道寬度為酸氣進出吸收劑通道的寬度（見圖2）。在設(shè)備采用立式布置方式，以及保證一定吸收劑進口面積和寬度的情況下，驗證流道寬度對設(shè)備性能的影響。

如圖7所示，當流道寬度從 10mm 增加至100mm 過程中，設(shè)備阻力由 1.51×10⁴ Pa降至3759Pa ，同時吸收劑速度分布不均勻度由0.9005增大至0.9968。由于流道寬度與流道截面積呈正相關(guān)，流速和設(shè)備阻力隨著流道寬度的增加逐漸減小。如圖8所示，煙氣在狹長流道內(nèi)有足夠的時間進行擴散和流動，更多的煙氣能夠向下繼續(xù)流動，部分煙氣混流和返流后再進入吸收劑區(qū)域，因而流速分布更為均勻，吸收劑的利用效率也更高，且影響程度較吸收劑進口形狀更為明顯（設(shè)備阻力增大 572Pa ，吸收劑速度分布不均勻度減小0.01）。但當流道寬度增加到 40mm 后，設(shè)備阻力和干式吸收劑區(qū)域速度分布不均勻度變化趨于平緩。因此，在酸氣吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，保證一定的流道寬度尺寸（ 30mm ）即可，同時避免設(shè)備體積過大。

2.3.4 吸收劑分倉及倉數(shù)

設(shè)備采用立式布置方式，并保證一定吸收劑進口面積、寬度以及流道尺寸的情況下，為進一步解決設(shè)備阻力過大的問題，采取干式吸收劑分倉的方式，即由一個整體的干式吸收劑料倉改為多個體積更小的吸收劑料倉來同時處理煙氣，相當于不改變設(shè)備體積的情況下增大了吸收劑的進口面積。料倉的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示

圖10為分倉后的設(shè)備內(nèi)流線圖。進行分倉后，煙氣由設(shè)備進口流入，通過錐段發(fā)生擴散后，即進入每個吸收劑料倉前的進氣流道，進而通過干式吸收劑區(qū)域，再從背后的出氣流道流出，各個料倉流出的煙氣在設(shè)備底部匯合后，通過排氣口排出。

除設(shè)備阻力外，還需考慮分倉后會出現(xiàn)每個料倉煙氣流量不均勻的情況，應(yīng)對每個料倉的差異性進行分析?？赏ㄟ^計算進入每個料倉煙氣流量的標準差來進行表征，該值越小，表示各個料倉處理的煙氣流量越均勻，對吸收劑的使用越平均。另外，通過計算所有料倉吸收劑區(qū)域的煙氣速度分布不均勻度的平均值以及標準差來表征整體吸收劑的利用效率。設(shè)備阻力和流量標準差隨料倉個數(shù)的變化如圖11所示，速度分布不均勻度平均值和標準差隨料倉個數(shù)的變化如圖12所示?？梢钥闯?，料倉倉數(shù)與總體吸收劑的進口面積呈正相關(guān)關(guān)系。當料倉倉數(shù)增加時，煙氣流速降低，設(shè)備阻力顯著下降，并逐漸趨于平穩(wěn)，說明當倉數(shù)到達一定數(shù)量后，繼續(xù)增加料倉倉數(shù)對設(shè)備阻力的降低作用不明顯。與此同時，當倉數(shù)增加時，平均速度分布不均勻度呈線性下降，標準差則逐漸增大，同時每個料倉的流量標準差也越來越大，意味著煙氣在設(shè)備內(nèi)的流動分布越來越不均勻，不同料倉的使用率差異增大，吸收劑的利用率也隨之降低，而且影響程度較為明顯。

各流道的流速如圖13所示，可以看出分倉會引起較為復雜的流場形態(tài)，在煙氣進人每個吸收劑料倉時會發(fā)生流量、流速分布不均勻的情況。但為了降低設(shè)備阻力，使其能夠?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用，可進行吸收劑的分倉設(shè)計，但應(yīng)控制一定的分倉數(shù)量，從而能夠保持較高的料倉使用率和吸收劑利用率。

2.3.5 設(shè)備進口尺寸

根據(jù)上述數(shù)值分析結(jié)果，已基本確定設(shè)備最為重要的干式吸收劑區(qū)域的設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上，再考慮設(shè)備煙氣進口尺寸對設(shè)備性能的影響。如圖14和圖15所示，隨著煙氣進口尺寸的增大，煙氣流速降低，設(shè)備阻力減少，同時由于煙氣進入設(shè)備時的流場尺寸擴大，更利于煙氣在區(qū)域內(nèi)的流動和擴散，流量和流速的分布更加均勻，從而提高吸收劑利用率。但隨著煙氣進口尺寸的進一步增大，各參數(shù)變化趨勢逐漸平緩，說明當煙氣進口擴大到一定程度后，對降低設(shè)備阻力、提高吸收劑利用率的影響不再明顯。因此，在符合上下游設(shè)備連接尺寸，同時便于設(shè)備布置的情況下，酸氣吸收器可以選擇較大的進口尺寸（ DN=200mm ）以降低設(shè)備阻力，提高吸收劑的利用率。

在上述酸氣吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用共用流道的方式，即除靠近殼體的兩端吸收劑料倉在外側(cè)設(shè)置單獨流道，位于設(shè)備中心的吸收劑料倉兩兩為一組，相對布置，共用一條進氣流道;另外，設(shè)備底部由錐段改為方形結(jié)構(gòu)，側(cè)面布置排氣口，如圖16所示。

共用流道的的設(shè)備內(nèi)流線如圖17所示，流道速度矢量圖如圖18所示，煙氣在設(shè)備內(nèi)的流動形式基本相同，且能夠較為均勻的分散至各個流道。此外由于設(shè)備底部由錐段改為方形，結(jié)構(gòu)上會產(chǎn)生較大的不連續(xù)性，煙氣在設(shè)備底部會發(fā)生較為明顯的混流，再排出設(shè)備。

優(yōu)化前后的結(jié)果對比列于表3。顯然，設(shè)計方案優(yōu)化后的吸收劑區(qū)域速度分布不均勻度平均值和標準差與優(yōu)化前基本相同，但流量的標準差大幅降低，即通過共用流道的設(shè)計方法，一定程度上實現(xiàn)分倉但不分流道的目的，從而在維持原吸收劑利用效率的同時，能夠大幅優(yōu)化煙氣進入每個吸收劑料倉的均勻程度，對提高吸收劑的使用率具有顯著效果。

3設(shè)備設(shè)計與驗證

根據(jù)上述關(guān)于干式酸氣吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)值分析結(jié)論，開展具體的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計的結(jié)構(gòu)及實物圖如圖19所示。

干式酸氣吸收器設(shè)計為箱式立方體結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)有DN200煙氣進口，下部為高度 200mm 圓變方錐段結(jié)構(gòu)，較大的進氣空間用以煙氣擴散和降低初速。設(shè)備中部為干式吸收劑料倉區(qū)域，共分6組，并列擺放，以增加吸收劑的進口面積從而降低設(shè)備阻力。每組干式吸收劑尺寸為 800mm× 800mm×100mm ，總體積滿足工藝計算的吸收劑用量需求。同時采用共用流道的方式，即在第1、6組料倉與殼體處、第2和3、4和5組料倉之間共設(shè)置4道煙氣流道，寬度分別為 30mm 和 60mm 。設(shè)計較大的料倉寬度和流道尺寸，能夠進一步降低煙氣流速，使其有足夠時間和空間進行擴散，從而使煙氣進入干式吸收劑前有較為平緩的流動狀態(tài)，由此煙氣被均勻分配進入各個料倉。煙氣經(jīng)流道通過各吸收劑料倉后，再匯入設(shè)備底部，由排氣口排出。此外，設(shè)備底部設(shè)計為方形，排氣口位于側(cè)面，從而可以布置于地面上，方便安裝，根據(jù)上述干式酸氣吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體設(shè)備如圖19所示。

經(jīng)實際測試，酸氣吸收器設(shè)備阻力為 241Pa ，略低于數(shù)值模擬結(jié)果的 260Pa ，這是由于在實際設(shè)備中，料倉內(nèi)吸收劑受重力影響，會發(fā)生輕微的下沉，造成細微的氣體流道通路，從而降低了阻力，但兩者差距較小。同時，通過冷態(tài)試驗和第三方檢測（結(jié)果列于表4），表明該酸氣吸收器能夠滿足連續(xù)運行時煙氣除酸的需求，實現(xiàn)設(shè)備的功能和工藝要求，并滿足尾氣達標排放。

4結(jié)論

利用數(shù)值分析軟件，模擬酸氣吸收器運行試驗過程，分析流道寬度、設(shè)備進口尺寸和吸收劑料倉分倉等因素對吸收器性能的影響。此外，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)論，開展了設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計，并加工制造。經(jīng)設(shè)計加工后的酸氣吸收器中干式吸收劑的平均利用率有所提升，設(shè)備阻力降低，節(jié)約能耗。通過實際應(yīng)用和測試，進一步證明酸氣吸收器能夠滿足連續(xù)運行時煙氣除酸的需求，實現(xiàn)設(shè)備功能和工藝要求。酸氣吸收器可應(yīng)用于放射性廢物焚燒煙氣干法凈化等特殊領(lǐng)域，具有較好的前景和工程應(yīng)用的實際意義。

參考文獻：

[1］楊麗莉，王培義，鄭博文，等．緊湊式低放可燃固體廢物焚燒裝置設(shè)計、建造與工程驗證[J]．輻射防護，2016，36 （6）： 408-412. YANG Lili，WANG Peiyi， ZHENG Bowen，etal.Designing，construction and enginering verification of a compact low level solid radioactive waste incinerator[J]. Radiation Protection，2016，36（6） ： 408-412.

[2］鄭博文，徐衛(wèi)，褚浩然，等．緊湊式低放固體廢物焚燒工藝裝置設(shè)計及驗證［J]．輻射防護，2020，40（5）：365-371.ZHENG Bowen，XU Wei，CHU Haoran，et al.Designing andverification ofa compact incineration device for low levelradioactive solid waste[J]. Radiation Protection，2020，40（5）： 365-371.

[3］張禹，徐衛(wèi)，褚浩然，等．利用數(shù)值模擬方法研究樹脂裂解反應(yīng)器的進氣結(jié)構(gòu)[J]．輻射防護，2020，40（5）：435-442.ZHANGYu，XUWei，CHU Haoran，etal.Studyonair intake structuresof aresindecomposition reactor through anumerical simulationmethod[J].RadiationProtection，2020，40（5）：435-442.

[4] 徐利寧．內(nèi)循環(huán)冷卻吸收塔的CFD模擬［D]．鄭州：鄭州大學，2012.

[5］權(quán)潔，陳浩，孟慶睿．基于Fluent 的纖維過濾器內(nèi)部流場數(shù)值模擬[J]．液壓與氣動，2019（12）：46-50.QUAN Jie，CHEN Hao，MENG Qingrui.Numerical simulationofflow field insidefiberfilterbasedonfluent[J].ChineseHydraulicsamp;Pneumatics，2019（12）：46-50.

[6] 朱梓瑞．固定床反應(yīng)器顆粒床層內(nèi)流體流動特性及工程應(yīng)用研究［D]．常州：常州大學，2021.

[7] 韓歡歡．圓柱顆粒固定床離散元模擬及空隙分布研究［D]．北京：中國石油大學，2019.

[8] 朱萬章．粒度與最佳填充[J]．化學工程師，1992（6）：34-39.ZHU Wanzhang. Particle size and optimum packing[J]. Chemical Engineer，1992（6）： 34-39.

［9］郭仁炳．規(guī)則球粒堆積體的孔隙度[J]．地球科學，1994（4）：503-508.GUO Renbing. Porosity of regular spherulitic accumulation[J]. Earth Science，1994（4） ： 503-508.

[10]趙軍，朱慶強，范德順．多孔介質(zhì)模型的纖維球過濾器數(shù)值模擬[J]．化工機械，2012，39（3）：343-346.ZHAO Jun，ZHU Qingqiang，F(xiàn)AN Deshun.Numerical simulationonfiber ballfilter for porous media model[J].ChemicalEngineeringamp; Machinery，2012，39（3）：343-346.

Numerical analysis and structural design of dry acid gas absorber

ZHANG Xurui， ZHANG Yu， ZHANG Xiaobin， RUAN Jiasheng， XU Wei， ZHENG Bowen （China Institute for Radiation Protection，Three Wastes Treatment Research Institute，Taiyuan 030006）

Abstract：Compared with the conventional wet scrubber，dry acid gas absorber has simple operation process， low equipment cost and maintenance cost. In addition，waste liquid discharge can be avoided，which can effectively avoid secondary waste treatment problems. Through reasonable design equipment forms and structural sizes，the dry acid gas absorbers have high acid removal eficiencyand absorbent utilization rate，and maintain a relative lower equipment resistance to reduce energy consumption.Therefore，the finite element analysis software workbench is used to simulate the equipment operation and analyze the influence of design parameters on the equipment performance.The results show that when the channel width increases，the utilization rate of absorbent can be efectively improved.However，the Sub-warehouse design of the absorbent silo can significantly reduce the equipment resistance while weakening the utilization rate of theabsorbent.In addition， the design method of the shared runwaycan be further adopted，which can improve thegas distribution flow field of the equipment and ensure the efective use of the absorbent.Finally，through actual applicationand test，it is proved that the acid gas absorber can meet the needs of flue gas removal during continuous runtime.

Key words： dry acid gas absorber; numerical simulation; utilization rate