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)保科技有限公司)

目前，針對(duì)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(duì)脫硫塔的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為煙氣在塔內(nèi)的反應(yīng)提供了有利條件。黃鶯[2]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，塔壁粘黏現(xiàn)象有所改善，同時(shí)能提高煙氣在塔內(nèi)的停留時(shí)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(shí)，塔內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，會(huì)促進(jìn)脫硫反應(yīng)。李雙雙[4]研究入口煙氣旋轉(zhuǎn)角度對(duì)流場(chǎng)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(shí)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(huì)使煙氣在塔內(nèi)分布變均勻。郭浩[5]對(duì)噴嘴的錐角進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)角度大時(shí)會(huì)使得煙氣更容易進(jìn)入塔內(nèi)。曾芳[6]對(duì)噴嘴位置進(jìn)行優(yōu)化，采取高低分布；對(duì)煙氣入口進(jìn)行改進(jìn)，得到傾斜入口時(shí)脫硫效果好?？偟膩?lái)看，現(xiàn)階段諸多學(xué)者對(duì)于半干法脫硫技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)SDA半干法脫硫塔內(nèi)的旋流片長(zhǎng)度、個(gè)數(shù)以及間距的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

文章通過(guò)研究脫硫塔旋流片的長(zhǎng)間比、個(gè)數(shù)對(duì)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(shí)現(xiàn)脫硫效率的提升。

1 模擬對(duì)象與條件

1.1 模擬對(duì)象及物理模型

文章以某鋼廠3號(hào)豎爐(F100)脫硫塔為研究對(duì)象(見(jiàn)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(hào)豎爐脫硫塔的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)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(dòng)換熱、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過(guò)程，有必要對(duì)塔內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化與假設(shè)：

(1)脫硫塔體保溫效果良好，忽略塔體對(duì)外界環(huán)境的散熱作用；

(2)忽略CaCO3對(duì)SO2的解吸作用；

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

(4)假設(shè)吸收SO2的過(guò)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(guò)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(dòng)量方程

(2)

式中：p為壓強(qiáng)，Pa；μ為動(dòng)力粘度，Pa·s。等號(hào)左邊表示微元體慣性力在三維坐標(biāo)系中三個(gè)方向的分量，等號(hào)右邊第一項(xiàng)表示沿三個(gè)方向的體積力，第二項(xiàng)表示沿著三個(gè)方向受到的壓力梯度，后面的幾項(xiàng)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(xiàng)；QR為反應(yīng)項(xiàng)。

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(yàn)公式如下：

(7)

式中：X為t時(shí)刻吸收劑含濕量，g/g；Xe為水分平衡時(shí)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(wú)關(guān)性驗(yàn)證

文章采用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)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(jì)算資源和結(jié)果的正確性，文章對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了分析，對(duì)比了網(wǎng)格數(shù)分別為203萬(wàn)、297萬(wàn)和368萬(wàn)的模擬結(jié)果，如圖2所示。297萬(wàn)網(wǎng)格和368萬(wàn)網(wǎng)格的結(jié)果接近，明顯優(yōu)于203萬(wàn)網(wǎng)格的結(jié)果。為了節(jié)約計(jì)算資源，選取297萬(wàn)為計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.4 模擬驗(yàn)證

某鋼廠3號(hào)豎爐脫硫塔1-7月份脫硫效率的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)果的相對(duì)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(zhǎng)間比

旋流片位于兩個(gè)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(duì)旋流片的下部位置進(jìn)行固定，將長(zhǎng)度L向上延長(zhǎng)，如圖4所示。旋流片長(zhǎng)度和間距對(duì)旋流強(qiáng)度都有影響，但旋流片長(zhǎng)度與間距的比值(長(zhǎng)間比)增長(zhǎng)到一定值后，旋流強(qiáng)度基本不變。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者[9-13]關(guān)于旋流片長(zhǎng)度的研究，主要針對(duì)燃燒室、燒嘴等旋流器，未發(fā)現(xiàn)對(duì)錐面加旋流片長(zhǎng)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(chǎng)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(gè)數(shù)N=36個(gè)，旋流片間距S=2πR/N=188 mm，旋流片的長(zhǎng)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(shí)，速度場(chǎng)變化明顯；L/S從2.8到3.6時(shí)，速度場(chǎng)基本相同。煙氣經(jīng)過(guò)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(shuō)明旋流片長(zhǎng)間比會(huì)影響旋流強(qiáng)度，進(jìn)而會(huì)影響脫硫效率，因此對(duì)旋流片長(zhǎng)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(zhǎng)間比對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度

2.2 上旋流片的優(yōu)化

2.2.1 長(zhǎng)間比優(yōu)化

上旋流片長(zhǎng)間比對(duì)塔內(nèi)煙氣中脫硫效率影響如圖6所示。隨著上旋流片長(zhǎng)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(zhǎng)間比由0.6增加到2.8時(shí)，脫硫效率提高較為明顯。當(dāng)旋流片長(zhǎng)間比由2.8增加到3.6時(shí)，脫硫效率升高較為平緩。綜合考慮，當(dāng)旋流片長(zhǎng)間比在2.8時(shí)最合適，脫硫效率為85.71%。

圖6 上旋流片長(zhǎng)間比對(duì)脫硫效率的影響

2.2.2 個(gè)數(shù)優(yōu)化

上旋流片的個(gè)數(shù)分別取30個(gè)、36個(gè)、42個(gè)和48個(gè)時(shí)，對(duì)應(yīng)的脫硫效率如圖7所示。隨著個(gè)數(shù)增加，脫硫效率先緩慢上升后下降。當(dāng)旋流片由30個(gè)增加至36個(gè)時(shí)，脫硫效率上升緩慢，因?yàn)樵黾有髌龠M(jìn)了煙氣在塔內(nèi)的流動(dòng)，穩(wěn)定了煙氣在塔內(nèi)的分布。當(dāng)旋流片從36個(gè)增加至48個(gè)時(shí)，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(gè)數(shù)在36個(gè)時(shí)最合適，脫硫率最高為85.82%。

圖7 上旋流片個(gè)數(shù)對(duì)脫硫效率的影響

2.3 下旋流片的優(yōu)化

2.3.1 長(zhǎng)間比優(yōu)化

下旋流片長(zhǎng)間比對(duì)塔內(nèi)煙氣脫硫效率的影響如圖8所示。隨著下旋流片長(zhǎng)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(zhǎng)間比由2增加到3時(shí)，脫硫效率升高。當(dāng)旋流片長(zhǎng)間比由3增加到4時(shí)，脫硫效率下降。當(dāng)下旋流片長(zhǎng)間比在3時(shí)，脫硫率最高為85.69%。

圖8 下旋流片長(zhǎng)間比對(duì)脫硫效率的影響

下旋流片長(zhǎng)間比為3時(shí)脫硫效率高，而上旋流片長(zhǎng)間比為2.8時(shí)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(dòng)方向更難。

2.3.2 個(gè)數(shù)優(yōu)化

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

圖9 下旋流個(gè)數(shù)對(duì)脫硫效率的影響

3 結(jié)論

研究了SDA脫硫塔旋流片的長(zhǎng)間比、個(gè)數(shù)對(duì)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(zhǎng)間比、個(gè)數(shù)會(huì)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(zhǎng)間比由0.6增加到3.6時(shí)，脫硫效率升高。當(dāng)長(zhǎng)間比由0.6增加到2.8時(shí)，脫硫效率升高較為明顯，當(dāng)長(zhǎng)間比從2.8增加到3.6時(shí)，脫硫效率變化不大。上旋流片長(zhǎng)間比在2.8時(shí)最合適，脫硫效率為85.71%。

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

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

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