趙賀芳 張燕飛 陳 光 余 潔 包向軍 胡 笳 姚旭杰

(1.馬鞍山學(xué)院建筑工程學(xué)院，2.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，3.安徽欣創(chuàng)節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?

目前，針對提高SDA脫硫塔脫硫效率的研究，主要是圍繞脫硫塔結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化。肖榮[1]對脫硫塔的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為煙氣在塔內(nèi)的反應(yīng)提供了有利條件。黃鶯[2]對現(xiàn)場SDA脫硫塔模擬研究發(fā)現(xiàn)，在噴霧半徑小于塔半徑的1/5時，塔壁粘黏現(xiàn)象有所改善，同時能提高煙氣在塔內(nèi)的停留時間，使得反應(yīng)更為徹底。師俊杰[3]在煙道處增設(shè)阻流板，發(fā)現(xiàn)當(dāng)阻流板厚度在2.25 m時，塔內(nèi)流場分布均勻，會促進(jìn)脫硫反應(yīng)。李雙雙[4]研究入口煙氣旋轉(zhuǎn)角度對流場的影響，發(fā)現(xiàn)入口煙氣旋轉(zhuǎn)角度增加，煙氣在塔內(nèi)停留時間增加，塔內(nèi)氣流變化劇烈，在此基礎(chǔ)上加入旋轉(zhuǎn)噴霧，會使煙氣在塔內(nèi)分布變均勻。郭浩[5]對噴嘴的錐角進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)角度大時會使得煙氣更容易進(jìn)入塔內(nèi)。曾芳[6]對噴嘴位置進(jìn)行優(yōu)化，采取高低分布；對煙氣入口進(jìn)行改進(jìn)，得到傾斜入口時脫硫效果好?？偟膩砜矗F(xiàn)階段諸多學(xué)者對于半干法脫硫技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但對SDA半干法脫硫塔內(nèi)的旋流片長度、個數(shù)以及間距的相關(guān)研究鮮有報道。

文章通過研究脫硫塔旋流片的長間比、個數(shù)對塔內(nèi)脫硫效率影響，得到塔內(nèi)分配器(旋流片)優(yōu)化方案，從而實現(xiàn)脫硫效率的提升。

1 模擬對象與條件

1.1 模擬對象及物理模型

文章以某鋼廠3號豎爐(F100)脫硫塔為研究對象(見圖1)，旋轉(zhuǎn)噴霧塔的空塔直徑為9 m，塔高約20 m。燒結(jié)煙氣由上部蝸殼處流入，依次經(jīng)上、下旋流片進(jìn)入脫硫塔內(nèi)；脫硫劑經(jīng)旋轉(zhuǎn)霧化器噴射后，分散成均勻的細(xì)小液滴顆粒，與塔內(nèi)煙氣混合并吸收煙氣中的二氧化硫。處理后的煙氣從塔底煙氣出口排出。3號豎爐脫硫塔的實際運(yùn)行參數(shù)見表1。

圖1 脫硫塔模型

表1 運(yùn)行參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

脫硫塔內(nèi)的煙氣脫硫涉及到多相流動換熱、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過程，有必要對塔內(nèi)的流場進(jìn)行一定的簡化與假設(shè)：

(1)脫硫塔體保溫效果良好，忽略塔體對外界環(huán)境的散熱作用；

(2)忽略CaCO3對SO2的解吸作用；

(3)煙氣脫硫過程滿足雙膜理論，忽略氣液交界面、氣相主體和液相主體對傳質(zhì)的影響，假設(shè)只有兩膜對傳質(zhì)有影響；

(4)假設(shè)吸收SO2的過程中SO2質(zhì)量和體積均保持不變；

(5)假設(shè)煙氣中僅有SO2與脫硫劑反應(yīng)；

(6)脫硫過程中不考慮CaSO4及其晶體的形成；

(7)忽略化學(xué)反應(yīng)熱。

1.2.1 連續(xù)相模型

(1)連續(xù)性方程

(1)

式中：u、v和w分別為x、y、z方向的速度分量，m/s。

(2)動量方程

(2)

式中：p為壓強(qiáng)，Pa；μ為動力粘度，Pa·s。等號左邊表示微元體慣性力在三維坐標(biāo)系中三個方向的分量，等號右邊第一項表示沿三個方向的體積力，第二項表示沿著三個方向受到的壓力梯度，后面的幾項表示不同方向上的廣義牛頓粘性分力。

(3)能量方程

(3)

式中：ρ為密度，kg/m3；h為焓，kJ/kg；Qrad為輻射項；QR為反應(yīng)項。

組分輸運(yùn)方程為

(4)

1.2.2 離散相模型

氣固兩相流中主要是顆粒和顆粒之間、顆粒和流體之間、顆粒和壁面之間的相互作用[7]。文章將漿液看作離散相，在拉格朗日坐標(biāo)系下建模如下：

(5)

式中：u為氣體速度，m/s；up為顆粒速度，m/s；FD(u-up)為顆粒受到的單位質(zhì)量曳力，N/kg；ρ為氣相密度，kg/m3；ρp為顆粒相密度，kg/m3；Fx為附加質(zhì)量力，N；

1.2.3 化學(xué)反應(yīng)模型

(1)恒速干燥階段：含濕顆粒表面的水分恒速干燥階段，氣膜、液膜以及固體溶解速率影響著SO2傳質(zhì)阻力。這一階段的理論公式如下[8]：

(6)

式中：kl、kg和ks為氣膜、液膜SO2傳質(zhì)系數(shù)和Ca(OH)2傳質(zhì)系數(shù)，cm/s；β為液膜中Ca(OH)2與SO2傳質(zhì)系數(shù)的比值；Dd為石灰漿滴直徑，cm；Dp為石灰粒徑，cm；HA為SO2亨利系數(shù)；Cxs為氣液界面的SO2濃度，mg/m3；Cs為顆粒平衡濃度，mg/m3。

(2)降速干燥階段：目前不能清楚的表達(dá)反應(yīng)速率，只有經(jīng)驗公式如下：

(7)

式中：X為t時刻吸收劑含濕量，g/g；Xe為水分平衡時吸收劑的含濕量，g/g；Xc為吸收劑臨界含濕量，g/g；Dc為臨界含濕量條件下顆粒的粒徑，cm。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

文章采用Fluent軟件進(jìn)行計算，壓力與速度間的耦合采用Simple二階迎風(fēng)方法，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型作為湍流模型；采用DPM模型作為顆粒相模型；采用injection作為顆粒相噴射模型。煙氣入口采用速度入口，出口為壓力出口，塔體邊界絕熱。

為了考慮計算資源和結(jié)果的正確性，文章對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了分析，對比了網(wǎng)格數(shù)分別為203萬、297萬和368萬的模擬結(jié)果，如圖2所示。297萬網(wǎng)格和368萬網(wǎng)格的結(jié)果接近，明顯優(yōu)于203萬網(wǎng)格的結(jié)果。為了節(jié)約計算資源，選取297萬為計算網(wǎng)格數(shù)量。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

1.4 模擬驗證

某鋼廠3號豎爐脫硫塔1-7月份脫硫效率的現(xiàn)場數(shù)據(jù)如表2所示。脫硫效率范圍在81.08%～89.91%，平均脫硫效率為86.45%。文章數(shù)值模擬所得脫硫效率為86.7%，與現(xiàn)場數(shù)據(jù)結(jié)果的相對誤差小于1%，建立模型準(zhǔn)確可靠，滿足模擬要求。

表2 脫硫塔1-7月份脫硫效率

2 結(jié)果及討論

2.1 旋流片長間比

旋流片位于兩個錐面之間，如圖3所示。為方便研究，取內(nèi)錐體表面處旋流片之間的距離為旋流片間距S；對旋流片的下部位置進(jìn)行固定，將長度L向上延長，如圖4所示。旋流片長度和間距對旋流強(qiáng)度都有影響，但旋流片長度與間距的比值(長間比)增長到一定值后，旋流強(qiáng)度基本不變。國內(nèi)一些學(xué)者[9-13]關(guān)于旋流片長度的研究，主要針對燃燒室、燒嘴等旋流器，未發(fā)現(xiàn)對錐面加旋流片長間比的研究。

圖3 旋流片俯視圖

圖4 旋流片模型局部放大圖

現(xiàn)場數(shù)據(jù)中，上旋流片處的錐形體下端橫截面的半徑R=1 075 mm，上旋流片的個數(shù)N=36個，旋流片間距S=2πR/N=188 mm，旋流片的長度L=533 mm，L/S=2.8。結(jié)合旋流片位置、制造難度和蝸殼壁的限制，取L最大為678 mm，按表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放。不同L/S下，上旋流片底部位置的速度分布如圖5所示。當(dāng)L/S從0.6到2.8時，速度場變化明顯；L/S從2.8到3.6時，速度場基本相同。煙氣經(jīng)過旋流片后在塔內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，由于塔體的橫截面面積比旋流片所在位置錐形體的橫截面面積要大，故中心處的速度比外側(cè)的速度要大。說明旋流片長間比會影響旋流強(qiáng)度，進(jìn)而會影響脫硫效率，因此對旋流片長間比的優(yōu)化是必要的。

圖5 上旋流片底部位置的速度分布

表3 旋流片長間比對應(yīng)長度

2.2 上旋流片的優(yōu)化

2.2.1 長間比優(yōu)化

上旋流片長間比對塔內(nèi)煙氣中脫硫效率影響如圖6所示。隨著上旋流片長間比增加，脫硫效率先升高，隨后變化不明顯。當(dāng)旋流片的長間比由0.6增加到2.8時，脫硫效率提高較為明顯。當(dāng)旋流片長間比由2.8增加到3.6時，脫硫效率升高較為平緩。綜合考慮，當(dāng)旋流片長間比在2.8時最合適，脫硫效率為85.71%。

圖6 上旋流片長間比對脫硫效率的影響

2.2.2 個數(shù)優(yōu)化

上旋流片的個數(shù)分別取30個、36個、42個和48個時，對應(yīng)的脫硫效率如圖7所示。隨著個數(shù)增加，脫硫效率先緩慢上升后下降。當(dāng)旋流片由30個增加至36個時，脫硫效率上升緩慢，因為增加旋流片促進(jìn)了煙氣在塔內(nèi)的流動，穩(wěn)定了煙氣在塔內(nèi)的分布。當(dāng)旋流片從36個增加至48個時，脫硫效率下降，是由于導(dǎo)流板本身存在厚度，增加了煙氣進(jìn)入塔內(nèi)的阻力。當(dāng)上旋流片個數(shù)在36個時最合適，脫硫率最高為85.82%。

圖7 上旋流片個數(shù)對脫硫效率的影響

2.3 下旋流片的優(yōu)化

2.3.1 長間比優(yōu)化

下旋流片長間比對塔內(nèi)煙氣脫硫效率的影響如圖8所示。隨著下旋流片長間比增加，脫硫效率先升高后降低，整體變化不是很明顯。當(dāng)旋流片的長間比由2增加到3時，脫硫效率升高。當(dāng)旋流片長間比由3增加到4時，脫硫效率下降。當(dāng)下旋流片長間比在3時，脫硫率最高為85.69%。

圖8 下旋流片長間比對脫硫效率的影響

下旋流片長間比為3時脫硫效率高，而上旋流片長間比為2.8時脫硫效率高，原因是上旋流片覆蓋面積大、煙氣流速慢，而下旋流片覆蓋面積小、煙氣流速快，下旋流片區(qū)域煙氣改變流動方向更難。

2.3.2 個數(shù)優(yōu)化

上旋流片選用36個，整體模型不變，當(dāng)下部旋流片個數(shù)分別取16個、20個、24個和28個時，對應(yīng)的脫硫效率如圖9所示。當(dāng)下旋流片由16個增加至24個時，脫硫效率升高。當(dāng)旋流片從24個增加至28個時，脫硫效率降低。脫硫效率升高和降低的原因同上旋流片對脫硫效率的影響相同。當(dāng)下旋流片個數(shù)在24個時最合適，脫硫率最高為85.65%。

圖9 下旋流個數(shù)對脫硫效率的影響

3 結(jié)論

研究了SDA脫硫塔旋流片的長間比、個數(shù)對塔內(nèi)脫硫效率的影響，優(yōu)化了塔內(nèi)旋流片的結(jié)構(gòu)，所得結(jié)論如下：

(1)旋流片長間比、個數(shù)會影響旋流強(qiáng)度、煙氣與脫硫劑的混合程度，進(jìn)而影響脫硫效率。

(2)當(dāng)上旋流片的長間比由0.6增加到3.6時，脫硫效率升高。當(dāng)長間比由0.6增加到2.8時，脫硫效率升高較為明顯，當(dāng)長間比從2.8增加到3.6時，脫硫效率變化不大。上旋流片長間比在2.8時最合適，脫硫效率為85.71%。

(3)隨著上旋流片個數(shù)增加，脫硫效率變化不是很明顯。當(dāng)旋流片由30個增加至36個時，脫硫效率微小升高，當(dāng)旋流片從36增加至48個時，脫硫效率有所降低。上旋流片個數(shù)在36個時，脫硫效率最高為85.82%。

(4)當(dāng)下旋流片的長間比由2增加到4時，脫硫效率先上升后下降。旋流片長間比在3時，脫硫效率最高為85.69%。

(5)隨著下旋流片個數(shù)的增加，脫硫效率先上升后下降。下旋流片個數(shù)在24個時，脫硫效率最高為85.65%。