濕法煙氣處理噴淋塔內(nèi)流場的數(shù)值模擬

李戀，李錄芬，楊仲曹，張俠挺，沙策

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325016）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣污染問題日益得到人們的廣泛關(guān)注。2021 年12 月15 日，生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展和改革委員會和工業(yè)和信息化部等18 部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”時(shí)期“無廢城市”建設(shè)工作方案》。《工作方案》指出，到2025 年，主要大氣污染物排放量大幅降低，無害化處置能力得到有效保障[1]。長期以來，工業(yè)煙氣的排放一直是大氣污染的一個主要原因。濕法煙氣處理技術(shù)由于反應(yīng)速度快、脫除效率高、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為工業(yè)煙氣處理的一個重要手段[2]。噴淋塔作為濕法煙氣處理的核心，其內(nèi)部流場對于脫除效率及運(yùn)行成本有著重要影響。

當(dāng)前國內(nèi)外對煙氣處理噴淋塔都進(jìn)行了一些相關(guān)研究，主要集中在噴淋塔的工藝參數(shù)[3]，尺寸[4]及結(jié)構(gòu)[5]等。薄佳燕[6]等人研究了有無噴淋對于塔內(nèi)煙氣流場的影響。馬如[2]等人發(fā)現(xiàn)噴淋塔內(nèi)的阻力受到噴淋層數(shù)的影響最為顯著。楊丁[7]通過在吸收塔進(jìn)出口處設(shè)置導(dǎo)流板，使塔內(nèi)流場得到了明顯改善。此外，當(dāng)前國外對于噴淋塔所涉及的煙氣脫硫機(jī)理及漿液液滴的運(yùn)動方面亦有研究[8-9]，而國內(nèi)的相關(guān)研究則不多見。

本文利用Ansys Fluent 進(jìn)行數(shù)值模擬，對某濕法煙氣處理噴淋塔內(nèi)的流場進(jìn)行了研究，分析了噴淋漿液、入口角度、噴淋粒徑大小及速度對塔內(nèi)流場的影響，從而對工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)意義。

1 物理模型

以某項(xiàng)目濕法煙氣處理噴淋塔為研究對象，其簡化的物理模型及各尺寸參數(shù)如圖1 所示（其中θ為煙氣入口角度）。為簡化計(jì)算，根據(jù)研究重點(diǎn)，作出如下假設(shè)：

圖1 噴淋塔物理模型Fig.1 Physical model of spray tower

（1）漿液池液面設(shè)為靜止液面，忽略液面起伏變化帶來的影響；

（2）忽略噴嘴上方除霧器對塔內(nèi)流場產(chǎn)生的影響；

（3）忽略噴嘴自身對塔內(nèi)流場的影響，模擬時(shí)采用坐標(biāo)噴淋的方式；

（4）忽略漿料和煙氣之間的化學(xué)反應(yīng)及漿料的蒸發(fā)作用。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 煙氣連續(xù)相湍流模型

本文將煙氣視為連續(xù)、定常、不可壓縮流體，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，湍流黏性系數(shù)為：

其中，等式右端項(xiàng)分別表示生成項(xiàng)、耗散項(xiàng)及壁面項(xiàng)。各常數(shù)的值如下：

Cμ= 0.09，cε1= 1.45，cε2= 1.92，σk= 1.0，σε= 1.3，Prt= 0.9

雷諾應(yīng)力的渦黏性：

式中us——平行于壁面的流動速度。

2.2 液滴離散項(xiàng)模型

本文中漿液所采用的模型為DPM 離散項(xiàng)模型：

式中 右端第一、二項(xiàng)分別表示單位顆粒質(zhì)量所受阻力、流體對液滴顆粒的重力項(xiàng)，N；

fx——附加加速度項(xiàng)，m/s2；

u、up——分別為連續(xù)相速度及顆粒速度，m/s；

ρp——液滴顆粒密度，kg/m3。

2.3 初始條件及邊界條件

根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)際使用場景，煙氣的密度為0.95 kg/m3，黏度為2.04×10-5pa·s，漿液的流量為10 kg/s，密度為1 126 kg/m3。噴淋塔壁面定義為無滑移壁面，液滴在壁面處設(shè)置為escape，在漿液液面處定義為trap。煙氣入口處為壓力入口，表壓25 Pa，出口處為壓力出口，表壓為0。噴霧液滴粒徑定義為0.001 m。本文建立噴淋塔的二維模型，坐標(biāo)系如圖1 所示。利用ICEM 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個模型均采用了四邊形網(wǎng)格。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 噴淋漿液對塔內(nèi)流場的影響

在未加噴淋與加入噴淋兩種情況下分別進(jìn)行模擬，塔內(nèi)煙氣跡線如圖2 所示。通過對比，顯然加入噴淋后跡線發(fā)生明顯變化。相較于未加噴淋，加入噴淋后右上角的大渦旋消失，左下角的渦旋狀況有明顯改善，塔內(nèi)流線變得比較均勻。另外，在未加噴淋時(shí)，煙氣直接沖擊壁面，不利于煙氣的脫除。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要在于，在噴淋漿液的作用下，進(jìn)入塔內(nèi)的高速煙氣被迫減速，從而使得高速氣流帶收窄，不能形成“封閉區(qū)域”，渦旋減弱。還有少量的煙氣流向漿液池液面，受阻后改變方向，與撞擊塔壁的氣流“對沖”，從而削弱了對塔壁的沖擊?？偟膩碚f，噴淋的漿液具有改善塔內(nèi)流場的作用。

圖2 兩種情況下塔內(nèi)流場跡線Fig.2 Flow field trace in the tower under two conditions

3.2 入口角度對塔內(nèi)流場的影響

煙氣入口角度作為實(shí)際生產(chǎn)中易于控制的結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文選擇45°、60°、75°及90°四個不同的角度，對塔內(nèi)流動效果進(jìn)行模擬研究。圖3 為不同煙氣入口角度下塔內(nèi)速度分布，可以看出，整體而言，不同入口角度下，速度分布規(guī)律整體趨于一致，差異主要在左側(cè)壁面附近處。在煙氣入口角度為45°和60°時(shí)，左側(cè)壁面附近速度波動較大，而對于75°和90°入射時(shí)，情況則有明顯改善。進(jìn)一步觀察，可以發(fā)現(xiàn)，煙氣入口角度為75°時(shí)，速度分布整體比較均勻，速度變化范圍較90°更窄，總體速度值低于90°入射時(shí)，這將導(dǎo)致煙氣在塔內(nèi)停留時(shí)間更長，有利于提高脫除效率。因此，綜合來看，煙氣的入口角度不宜過小，設(shè)置在75°附近較為合適，本文后續(xù)均采用75°作為煙氣入口角度進(jìn)行研究。

圖3 不同煙氣入口角度下y = 18 m 處塔內(nèi)速度分布Fig.3 Velocity distribution in the tower at y = 18 m under different flue gas inlet angles

3.3 噴淋液滴粒徑對塔內(nèi)流場的影響

噴淋的液滴粒徑對塔內(nèi)煙氣的減速至關(guān)重要。因此，本文選擇噴淋液滴粒徑為1 mm、1.5 mm、2 mm 三種情況，對塔內(nèi)流場進(jìn)行模擬研究。圖4 ～ 5反映了不同液滴粒徑下，漿液粒子運(yùn)動的時(shí)間及質(zhì)量濃度分布云圖。隨著粒徑的增加，漿液粒子的運(yùn)動時(shí)間從3.06 s 逐漸下降至2.18 s，而塔內(nèi)漿料濃度整體分布較為均勻，最大濃度維持在6.1 kg/ m3左右。一般情況下，液滴粒徑越小，與煙氣接觸面積越大，熱濕交換效果越好，但是從圖4 ～ 5 來看，漿液粒徑越小，其“逃逸”的數(shù)量越多，且存在進(jìn)入煙道的可能，會對煙道的防腐層造成破壞。因此，綜合來看，為保證漿液的停留時(shí)間，同時(shí)避免對煙道造成破壞，粒徑宜選取在1.5 ～ 2 mm 之間，本文后續(xù)均采用1.8 mm粒徑進(jìn)行研究。

圖4 漿液粒子運(yùn)動的時(shí)間（s）Fig.4 Time of slurry particle movement （s）

圖5 漿液粒子質(zhì)量濃度（kg/m3）Fig. 5 Slurry particle mass concentration （kg/m3）

3.4 噴淋液滴速度對塔內(nèi)流場的影響

有研究[10]表明，合適的噴淋液滴速度對于噴淋塔的性能具有較大影響。因此，本文選擇噴淋液滴速度為3 m/s、5 m/s 及7 m/s 三種情況，對塔內(nèi)流場進(jìn)行模擬研究。圖6 ～ 7 反映了不同液滴速度下，漿液粒子運(yùn)動的時(shí)間及塔內(nèi)流場跡線。隨著噴淋液滴速度的增大，漿液粒子的運(yùn)動時(shí)間從2.44 s 逐漸下降至2.14 s，而在此過程中漿液粒子運(yùn)動軌跡及場內(nèi)流場總體變化不大，只在速度為7 m/s 時(shí)，左下角處渦旋情況有所改善。這主要是因?yàn)楫?dāng)噴淋漿液速度較大時(shí)，使得煙氣湍流流動增強(qiáng)，氣液之間撞擊現(xiàn)象更加嚴(yán)重，從而使得氣流無法形成“閉環(huán)”。另外，考慮到流速的增加有利于氣液兩相間的熱濕交換。因此，結(jié)合3.3 節(jié)噴淋液滴粒徑的影響，在工程實(shí)際中可通過適當(dāng)增大噴淋液滴粒徑及流速的方法改善噴淋塔的性能，減少煙氣回流區(qū)，提高塔內(nèi)空間利用率。

圖6 漿液粒子運(yùn)動的時(shí)間（s）Fig.6 Time of slurry particle movement （s）

圖7 液滴速度對煙氣流場分布的影響（m/s）Fig.7 Influence of droplet velocity on flue gas flow field distribution （m/s）

4 結(jié)論

（1）噴淋漿液對塔內(nèi)流場具有整合作用。在未加入噴淋漿液時(shí)，塔內(nèi)流場中存在多個大渦旋，流速分布不均勻，有煙氣“短路”現(xiàn)場。加入噴淋漿液后，塔內(nèi)的高速氣流被迫減速，使得塔內(nèi)流場分布較為均 勻。

（2）煙氣入口角度對塔內(nèi)速度分布具有重要影響。通過對不同煙氣進(jìn)口角度下的塔內(nèi)流動進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)煙氣入口角度設(shè)置過小時(shí)，塔內(nèi)煙氣速度波動范圍廣，當(dāng)入口角度為75°時(shí)，塔內(nèi)氣液兩相流動較為穩(wěn)定，流速比較均勻。

（3）噴淋液滴粒徑大小對其在塔內(nèi)的停留時(shí)間具有較大影響，且對噴淋液滴的“捕捉”影響較大。應(yīng)盡量控制液滴粒徑在1.5 ～ 2 mm 之間時(shí)，可保證漿液的停留時(shí)間，同時(shí)避免對煙道造成破壞。

（4）噴淋液滴速度具有一定的整合流場的作用。應(yīng)盡量控制噴淋液滴速度在7 m/s，同時(shí)結(jié)合控制合適的液滴粒徑大小，以此在保證停留時(shí)間的基礎(chǔ)上，減少煙氣回流區(qū)，提高塔內(nèi)空間利用率。