0 引 言

SO2是目前最主要的大气污染物之一,火电行业锅炉燃煤所产生的烟气是SO2工业排放的主要来源。为脱除燃煤工业产生的SO2,目前已开发出了多种脱硫技术,其中最常用的是石灰石湿法烟气脱硫技术(WFGD)[1]。脱硫喷淋塔作为湿法脱硫的核心设备,其设计关系着烟气和喷淋浆液的流动状况,直接决定反应的进行程度及脱硫效率[2-3]。脱硫喷淋塔设计的最优状态是使喷淋浆液覆盖达到最均匀化,即塔内各截面上的烟气流速分布均匀,并保证塔内空间得到充分利用。

第一，创建一个VI，在前面板上放置图形显示控件中的波形图和Express XY图，默认的横纵坐标就可以，并将他们分别再复制两个以作为显示波形和频谱。

为提高流速的均匀性,XIAO等[4]对PCF型湿式脱硫除尘器的入口结构和导流板布置进行了调整。ZENG等[5]在喷淋塔内加装了导流器,以改善由于烟气流速分布不均而引起的贴壁现象。冯荣荣等[6]调节了烟道形式和入口角度，改善了烟气流动的均匀性,并降低了塔内的压降。刘定平等[7]对喷嘴布置角度、数量以及浆液喷淋速度进行了优化设计,保证塔内烟气流速达到最佳脱硫速度。张竞争[8]针对塔内部流场分布不均匀的问题,提出在塔内加装一种倒“V”字形气流均布板。

本文中以某热电厂内的脱硫喷淋塔为研究对象,在湍流扩散理论、传热传质理论等基础上,对喷淋塔内流场分布进行数值模拟。参照模拟结果,分别对不同液气比和不同喷淋层数情况下的气液两相流场进行对比分析,以期为脱硫塔的优化设计提供一定的理论依据。

1 模型建立

1.1 物理模型

本研究模拟的脱硫喷淋塔结构如图1所示。烟气从入口进入喷淋塔内由下往上流动,与由上向下喷淋的浆液液滴接触,发生反应,达到脱除SO2的目的。洗涤后的烟气继续向上流动,经由除雾器去除夹带的液滴之后从烟气出口排出喷淋塔,吸收了SO2之后的浆液则下落至底部浆液池经由管道排出。

  

图1 脱硫塔结构示意

1.2 条件设定与简化

模拟计算中所用到的参数均来自热电厂脱硫塔的实际参数,如表1所示。

 

表1 脱硫塔实际参数

  

项目数值塔高/m15．3塔径/m4．0烟气入口直径/m2．0烟气出口直径/m2．0烟气流量/m3·h-191457进口烟气温度/K378浆液喷射锥形角/°90浆液液滴平均粒径/mm1．5浆液温度/K318单层喷嘴数量/个10喷淋层数1、2喷淋层高度/m9、8液气比(L/G)/L·m-31．65、2．0、2．35

注：喷淋层高度及选取截面高度均以烟气入口下截面(如图1中0-0)为基准面。

(3)相比于单层喷淋,采取双层喷淋的布置更利于浆液与烟气的混合,加强气液两相流之间的传热传质,并且能显著提高塔内空间的利用率,更有利于脱硫反应的进行。

基本做到了项目竣工，管护上马。一是建立健全组织。项目乡镇、村都建立了各类工程管护组织，制定了管护制度，明确了管护主体。二是建管结合，在工程规划和建设过程中让管护主体提前介入。如在规划实施新打井工程时，就让农民推荐的井长全过程参与，不打无主井。三是工程竣工验收后，与管护主体及时办理工程登记移交手续，明确管护范围和职责，落实管护权利和义务。

1.3 数学模型

流体在湿法脱硫喷淋塔内的流动遵循三个基本定律,即质量守恒、能量守恒和动量守恒定律。将烟气视作不可压缩的连续相流体,其在脱硫塔内的流动是一个复杂的湍流运动,结合本次模拟中计算区域的大小以及对计算精度的要求,对湍流运动的模拟采取标准k-ε模型[9]。将喷淋浆液视作离散相,液滴在塔内的运动过程中主要受到重力和曳力的作用,并采用拉格朗日法描述其运动轨迹。

2 模拟结果与分析

2.1 无喷淋

  

图2 塔内纵截面速度矢量

喷淋层的布置是影响脱硫效率的又一重要因素,为分析喷淋层数对脱硫效率的影响,在8 m高度处添加布置一层喷淋层,并依然保持液气比为1.65、2.0和2.35 L/m3,对其进行模拟对比分析。

无喷淋时塔内各横截面气流速度沿径向分布如图3所示,所选取的横截面高度分别为7.5、8.0和8.5 m。

  

图3 横截面气流速度沿径向分布

图4是在塔内9 m高度处加入一层喷淋后,各横截面中线处气流速度分布。对比无喷淋时的速度分布可知,在加入喷淋后,喷淋浆液对于塔内烟气流场产生了一系列的湍流扰动,并具有一定的整合作用,这是喷淋液滴从喷嘴喷出后,雾化成小液滴,经历了复杂的碰撞、破碎及聚并等过程,并与塔内烟气相互作用的结果。但是在一层喷淋情况下,这种扰动对流场均匀性的提高有限,气流速度沿径向分布仍为两边高中间低,且波动较厉害,同时存在烟气贴壁逃逸的现象,不利于脱硫反应的进行。

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2.2 单层喷淋

在湿法脱硫系统中,液气比(L/G)指的是单位时间内,喷淋塔中的循环浆液量与烟气量的比值,是影响脱硫效率的一个重要指标。为研究液气比的改变对脱硫效率的影响程度,本次模拟共设置了三种液气比投运方式,分别为1.65、2.0和2.35 L/m3,并对其进行模拟对比分析。

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从图3中可以看出,各横截面的烟气速度分布规律基本一致,在靠近壁面处的烟气流速较高,中间位置流速较低,出现这种现象的原因是烟气在上行过程中,受到两侧壁面的限制被迫改变运动方向,导致烟气向中心挤压,使得流速降低。随着高度的增加,靠近壁面处的流速略有降低,但仍维持在6 m/s左右。

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加入一层喷淋后,塔内纵截面温度分布如图5所示。影响温度分布的因素主要有塔内流场的速度分布以及气液两相之间的热量传递。从图5中可知,喷淋反应主要发生在7～9 m高度的区域,该区域内温度降低明显,这是由于浆液从喷嘴喷出后,气液两相掺混扰动,进行传热传质过程,发生脱硫反应,同时存在液滴蒸发,使得烟温降低。但是塔下半部分区域内的温度仍维持在烟气入口温度378 K,可以推测在这部分区域,脱硫反应进行的十分缓慢,甚至没有发生反应。同时,对比三幅图可见,随着液气比的增加,主反应区域内温度逐渐降低,从347 K降低到了334 K,而湿法脱硫最适宜的温度区间为330～335 K,因此这更有利于脱硫反应的进行,但是该低温区间仍只占塔内空间的一小部分。

  

图4 单层喷淋时横截面中线气流速度沿径向分布

  

图5 单层喷淋时纵截面温度分布

(1)加入浆液喷淋后,对于塔内烟气流场的均匀性具有改善作用。

2.3 双层喷淋

为了能更好地观察分析喷淋作用对于脱硫塔内烟气流场的影响,首先对无喷淋时的塔内烟气流动状况进行模拟。图2所示为无喷淋时纵向中心截面烟气速度矢量分布。从图2中可以看出,烟气以11.2 m/s的速度沿弯头俯冲入塔内,在扩容后导致速度分布不均,其中,有一小部分烟气在进入塔内后直接冲向浆液面,由于高速气流的卷吸作用,在入口管道下方浆液池附近形成了一个逆时针的小涡旋,而其余大部分烟气则在撞击左侧塔壁后迅速折返向上流动,并在上行的过程中受到两侧塔壁以及弯头外壁面的限制,不能得到充分发展,被迫改变流动方向,在烟气入口区域的左上方形成一个涡旋,进而继续向上运动,直至烟气出口。

图6是采取双层喷淋的横截面中线处气流速度分布。从图6中可以看出,液气比为1.65 L/m3时,靠近右侧壁面处的烟气流速仍波动较大,这是由于在该种投运方式下的浆液喷淋速度相对较低,对烟气造成的拖曳作用较小,使得烟气在上升过程中仍存在沿塔壁逃逸的现象,不利于脱硫反应的进行。但是,当液气比上升到2.0 L/m3和2.35 L/m3时,烟气冲壁现象明显减弱,塔内流动的均匀性有了明显改善,且烟气流速一直保持在2～4 m/s,很好地保证了塔内喷淋浆液的持有量以及烟气在塔内的停留时间,有利于气液两相间的混合,在一定程度上提高了脱硫效率。

图7是布置两层喷淋层时,塔内纵截面温度分布,对比图6可知,虽然液气比并没有发生变化,但是塔下半部分区域温度已有了明显降低,这是因为在8 m处添加的喷淋层和原有9 m处的喷淋层之间形成了良好的互补关系,延长了上层浆液在塔内的停留时间,并有效扩大了烟气和浆液的接触面积,增加了塔内部空间的利用率和喷淋液膜的覆盖率,从整体上增强了气液两相之间的传热传质作用,并最终提高了脱硫效率。但是在液气比为1.65 L/m3时,可以观察到靠近右侧塔壁处温度明显相对较高,结合对截面气流速度的分析可知,造成这种现象的原因是在该处烟气速度波动较大,并存在气流贴壁逃逸,这也对脱硫效率造成了不利影响。而当液气比上升至2.0 L/m3和2.35 L/m3时,右侧近壁区气流逃逸现象均能得到较好的抑制,且塔内温度分布相对均匀合理。同时考虑到液气比的提高就意味着喷淋量的增加,即脱硫成本增加,因此综合考虑认为双层喷淋,液气比为2.0 L/m3时为更好的选择。

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图6 双层喷淋时横截面中线气流速度沿径向分布

  

图7 双层喷淋时纵截面温度分布

3 结 论

本文中分别对采用液气比为1.65、2.0和2.35 L/m3的脱硫塔在引入一层和两层喷淋的情况进行了数值模拟,并与未添加喷淋时的脱硫塔流场进行对比分析,得出以下结论：

结合以上分析可知,液气比的增加固然可以提高SO2的脱除率,但是从流场分布均匀性和塔内空间利用率来说,效果并不明显,同时,液气比的增加必然会导致运行成本的提高,因此现保持液气比不变,拟采取双层喷淋的布置方式,并对其进行模拟分析。

(2)添加单层喷淋时,在一定程度上保证了脱硫塔内脱硫浆液的相应持有量,且随着液气比的增加,主反应区内温度逐渐降低,更利于脱硫反应的进行,但同时仍存在烟气贴壁逃逸和塔内空间利用率较低的问题。

根据烟气在塔内的实际流动情况,本文中做出如下假设与简化：(1)将烟气视作连续的、不可压缩牛顿流体；(2)忽略塔内除雾器、喷淋管等组件对流场的影响；(3)烟气在进入脱硫塔前已经过除尘处理,因此将烟气视作不含颗粒相的单相气体；(4)将塔壁设为绝热壁面,忽略烟气和喷淋浆液在塔内流动过程中与外界环境发生的热交换作用。

(4)综合对塔内烟气速度场、温度场以及经济性的对比分析,认为采取双层喷淋、液气比为2.0 L/m3时为较优的布置方式。

参考文献：

[2] 林永明,高 翔,施平平,等.湿法烟气脱硫(WFGD)喷淋塔内烟气流场的数值模拟研究[J].热力发电,2006,35(4):6-9.

[1] 刘嘉宇.WFGD过程中脱硫浆液液滴夹带特性的数值模拟研究[D].南京：东南大学,2015.

[3] 李继莲.烟气脱硫实用技术[M].北京：中国电力出版社,2008.

[4] XIAO Y J, LI C T, LI S H, et al. Optimal design of a wet-type desulphurization absorber by the numerical simulation method[J]. Chemical Engineering Research & Design,2014,92(7):1257-1266.

[5] ZENG F, YIN L Q, CHEN L. Numerical simulation and optimized design of the wet flue gas desulphurization spray tower[J].Springer Berlin Heidelberg,2007,124(1):71-76.

[6] 冯荣荣,郝惠娣,秦 佩,等.300MW机组容量脱硫喷淋塔内部流场模拟研究[J].广东化工,2012,39(4):183-185.

采用企业提供的大豆制品配方，在上一步最优结果的基础上，分别加入0.225%柠檬酸+0.075%乳酸、0.200%柠檬酸+0.100%乳酸、0.150%柠檬酸+0.150%乳酸、0.100%柠檬酸+0.200%乳酸、0.075%柠檬酸+0.225%乳酸，灭菌保温后进行颜色检测，计算样品得分。以企业原始配方的大豆制品作为空白对照。

[7] 刘定平,肖 尚.切圆喷雾式湿法脱硫塔内流场数值模拟及优化分析[J].环境工程,2015,33(10):55-60.

[8] 张竞争.切圆式湿法烟气脱硫塔内部流场的数值模拟[D].广州：华南理工大学,2014.

[9] 赵 喆,田贺忠,阿庆兴,等.湿式烟气脱硫喷淋塔内部流场数值模拟研究[J].环境工程学报,2005,6(5):16-20.