1 前言

    一般情況下，鋼鐵企業(yè)SO2排放總量的40%～60%來(lái)自燒結(jié)過程，因此做好燒結(jié)過程中SO2的排放控制是鋼鐵企業(yè)污染治理的重點(diǎn)。煙氣脫硫國(guó)產(chǎn)化是降低工程造價(jià)、治理SO2、發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)的需要。

    氨法脫硫工藝是國(guó)內(nèi)外煙氣脫硫常用的成熟工藝。氨法煙氣脫硫工藝中脫硫塔主要選用噴淋塔，這是因?yàn)橄鄬?duì)于其它吸收裝置，噴淋塔除脫硫效率高外，還具有壓降小、內(nèi)構(gòu)件相對(duì)較少和不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行表明，噴淋塔的內(nèi)部流場(chǎng)會(huì)直接影響著脫硫塔內(nèi)的壓降、脫硫效率及除霧效率等關(guān)鍵指標(biāo)。因此，對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的模擬研究成為設(shè)計(jì)中的重要手段。

    利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，本文建立了脫硫塔計(jì)算模型，將煙氣作為連續(xù)介質(zhì)，采用Euler方法描述，將噴淋漿滴作為離散顆粒，采用Lagrange顆粒軌道模型描述，研究煙氣入口傾角、煙氣入口距離漿液池液面高度兩個(gè)參數(shù)對(duì)脫硫塔內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)的影響。

2 脫硫塔模型的建立

2.1物理模型

    燒結(jié)煙氣氨法脫硫工藝如圖1所示。煙氣進(jìn)入脫硫塔前，先經(jīng)過噴淋降溫，此后由底部進(jìn)口進(jìn)入塔體，在上升過程中依次經(jīng)過4個(gè)噴淋層。脫硫漿液由布置于噴淋層的霧化噴嘴引入，與煙氣形成逆流接觸。經(jīng)過洗滌之后的煙氣進(jìn)入除霧段，除去煙氣夾帶的微小液滴，最后煙氣進(jìn)入煙囪排放，而吸收SO2之后的噴淋液下落至漿液池，循環(huán)利用。

圖1 燒結(jié)煙氣氨法脫硫工藝

2.2模型簡(jiǎn)化

    對(duì)該脫硫塔內(nèi)煙氣與漿液滴兩相流動(dòng)情況作如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：

(1)不考慮塔內(nèi)噴嘴、噴淋層的幾何尺寸等組件對(duì)塔內(nèi)氣液流場(chǎng)的影響；

(2)噴淋塔模擬區(qū)域?yàn)闈{液池液面以上至除霧器下端，認(rèn)為漿液為反射面、除霧器出口為等壓面；

(3)燒結(jié)煙氣為不含塵的潔凈煙氣；

(4)煙氣視為不可壓縮牛頓流體；

(4)流動(dòng)為三維、定常，湍流為各向同性；

(5)忽略塔內(nèi)存在的化學(xué)反應(yīng)；

(6)假設(shè)噴淋液滴為球形；

2.3數(shù)學(xué)模型

    對(duì)脫硫塔進(jìn)行物理上的簡(jiǎn)化之后，需要從數(shù)學(xué)的角度建立控制方程組，并將其離散化、線性化以進(jìn)行迭代求解。

公式一 連續(xù)性方程

公式二 動(dòng)量方程

公式三 能量方程

公式四 標(biāo)準(zhǔn)模型

公式五 顆粒的作用力平衡方程

    不考慮液滴顆粒附加質(zhì)量力、布朗力、升力，考慮流體對(duì)顆粒曳力，由于塔內(nèi)溫度梯度的存在，也考慮熱泳力。

3 邊界條件

(1)煙氣邊界條件

    煙氣進(jìn)口流速12m/s，密度1.03kg/m3，入口溫度60°C，出口壓力200Pa。

(2)噴淋液滴邊界條件

    噴淋塔內(nèi)布置了4層噴嘴，每層53個(gè)，噴嘴形式為中空錐形，噴射角度為90°。

    噴嘴采用cone射流霧化模型，噴嘴出口液滴速度為5.98m/s，液滴尺寸采用Rosin-Rammler分布描述，中位徑2650μm，分布指數(shù)2.99。

(3)壁面邊界條件

    壁面采用絕熱邊界，液滴與壁面的接觸為escape逃逸。

4 模擬結(jié)果與分析

   仿真表明，煙氣入口傾角和煙氣入口距離漿液池液面高度對(duì)塔內(nèi)氣液流動(dòng)情況有顯著的影響。

4.1不同煙氣入口傾角的仿真結(jié)果

   選取煙氣入口角度分別為3°、6°、9°、12°、15°條件下，得到的塔內(nèi)縱截面流場(chǎng)如圖2～圖6所示。

圖2 進(jìn)口傾角3°縱截面

圖3 進(jìn)口傾角6°縱截面

圖4 進(jìn)口傾角9°縱截面

圖5 進(jìn)口傾角12°縱截面

圖6 進(jìn)口傾角15°縱截面

    對(duì)入口角度分別為3°、6°、9°、12°、15°的塔內(nèi)流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)：隨著煙氣入口角度的增加，塔內(nèi)左右側(cè)壁面附近的垂直方向的氣流速度不斷增加，15°時(shí)最為明顯，可以看出15°時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的氣流短路現(xiàn)象，這對(duì)SO2的吸收極為不利，應(yīng)盡量避免。

    塔內(nèi)中間區(qū)域流場(chǎng)變化不明顯，煙氣在進(jìn)入吸收塔后在漿液上方產(chǎn)生一個(gè)巨大的回流低壓區(qū)，氣流產(chǎn)生巨大的離心力，對(duì)于除塵來(lái)說(shuō)是非常有利的，煙氣在塔前噴淋液作用下，煙氣中的粉塵被打濕，比重增加，部分發(fā)生了凝聚，進(jìn)入塔內(nèi)之后在這個(gè)巨大的離心力作用下甩向入口對(duì)面塔壁面以及下部漿液池液面上。但是對(duì)于氣流分布來(lái)說(shuō)是一個(gè)不利影響，巨大的回流區(qū)的存在使得靠近入口對(duì)塔內(nèi)左右側(cè)壁面的氣流速度增加，容易造成氣流短路，同時(shí)回流區(qū)的存在還會(huì)伴隨著能量的消耗，增加了噴淋塔的阻力。

   入口角度分別為3°、6°、9°、12°、15°時(shí)進(jìn)出口壓力損失如圖7所示，3°時(shí)的壓力損失明顯大于6°、9°、12°、15°的壓力損失，原因是入口角度較小，氣流幾乎是對(duì)著入口對(duì)面的塔壁面沖過去，在這個(gè)過程中損失掉很大一部分能量。

圖7 不同入口角度的進(jìn)出口壓力損失

    綜合考慮塔內(nèi)流場(chǎng)均勻性和壓力損失，最佳的入口煙氣角度應(yīng)該在9°附近。

4.2煙氣入口距漿池液面不同高度的仿真結(jié)果

    選取煙氣入口距漿池液面高度分別為0.7m、1.7m、2.7m、3.7m，得到塔內(nèi)縱界面流場(chǎng)情況如圖8～圖11所示。

圖8 進(jìn)口高0.7m縱截面

圖9 進(jìn)口高1.7m縱截面

圖10 進(jìn)口高2.7m縱截面

圖11 進(jìn)口高3.7m縱截面

    對(duì)煙道底面距液面高度分別為0.7m、1.7m、2.7m、3.7m的塔內(nèi)流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)：煙道底面距液面高度為0.7m時(shí)，塔內(nèi)左右側(cè)壁面附近垂直方向的氣流速度最小，整個(gè)塔的斷面速度分布非常均勻，有利于對(duì)SO2的吸收，而煙道底面距液面高度1.7m時(shí)，塔內(nèi)左右側(cè)壁面附近垂直方向的氣流速度最大，可以看出煙道底面距液面高度1.7m時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的氣流短路現(xiàn)象，這對(duì)SO2的吸收極為不利，應(yīng)盡量避免，隨著高度的增加這種趨勢(shì)慢慢的變小，到3.7m時(shí)已經(jīng)沒有明顯的大面積氣流短路。

    塔內(nèi)液面上方區(qū)域流場(chǎng)變化明顯，除煙道底面距液面高度為0.7m外，煙氣在進(jìn)入吸收塔后在漿液上方產(chǎn)生一個(gè)巨大的回流低壓區(qū)，隨著煙道底面距液面高度增加回流區(qū)面積越來(lái)越大，在回流區(qū)氣流產(chǎn)生巨大的離心力，對(duì)于除塵來(lái)說(shuō)是非常有利的，煙氣在塔前噴淋液作用下，煙氣中的粉塵被打濕，比重增加，部分發(fā)生了凝聚，進(jìn)入塔內(nèi)之后在這個(gè)巨大的離心力作用下甩向入口對(duì)面塔壁面以及下部漿液池液面上，粉塵隨之而除去。但是對(duì)于氣流分布來(lái)說(shuō)是一個(gè)不利影響，巨大的回流區(qū)的存在使得靠近塔內(nèi)左右側(cè)壁面的氣流速度增加，容易造成氣流短路，同時(shí)回流區(qū)面積的增加還會(huì)伴隨著能量的消耗，增加了吸收塔的阻力。

    煙道底面距液面高度分別為0.7m、1.7m、2.7m、3.7m時(shí)進(jìn)出口壓力損失如圖12所示，可見0.7m(830.85Pa)和3.7m(843.21Pa)時(shí)的壓力損失明顯大于1.7m、2.7m的壓力損失，造成這兩個(gè)差別的原因是不同的，煙道底面距液面高度0.7m時(shí)，液面上方的空間不利于形成回流區(qū)，氣流幾乎是對(duì)著入口對(duì)面的塔壁面沖過去，在這個(gè)過程中大部分的動(dòng)能損失掉。而3.7m時(shí)這個(gè)高度很大，形成的回流漩渦區(qū)面積最大，相應(yīng)損失的能量也大。

圖12 不同入口煙道距離漿液高度的進(jìn)出口壓力損失

    綜合考慮塔內(nèi)流場(chǎng)均勻性和壓力損失，最佳的入口煙道距離漿液的高度應(yīng)該在2.7m附近。

結(jié)論

    (1)為了得到最佳的塔內(nèi)氣液流場(chǎng)，最佳的煙氣入口傾角在9°附近。

    (2)為了得到最佳的塔內(nèi)氣液流場(chǎng)，最佳的煙氣入口距離漿池液面高度在2.7m附近。

    (3)利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，模擬脫硫塔塔內(nèi)氣液流場(chǎng)情況，進(jìn)而分析塔內(nèi)脫硫效率是可行的。

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