冷却预处理器对烧结烟气温度影响仿真研究

张洪祥，黄重国，袁清华，庞建平

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100084;2.北京国华新兴节能环保科技有限公司，北京 100070)

0 引 言

烧结是钢铁工业中一个高污染、高排放的环节，据统计，国内钢铁厂烧结烟气中SO2占钢铁企业SO2排放的40%～60%，造成严重的大气污染，烧结脱硫已经成为我国大气污染控制领域最为紧迫的任务[1].烧结烟气具有流量大、烟气中SO2浓度低、烟气温度高等特点，钢厂一般又没有预留足够的空间安装湿法脱硫装置，而干法、半干法脱硫效果不理想，因而烧结烟气净化很困难.漩涡撞击法脱硫改进了普通的湿法脱硫技术，设置了冷却预处理器，降低了烟气温度，提高了脱硫效率，成功的应用在烧结脱硫项目中[2].笔者采用Fluent模拟仿真了增设冷却预处理器的运行机理，研究喷水速度与烟气温度之间的关系，为控制烟气温度，提高脱硫效率提供理论基础和设计依据.

1 研究内容与方案

从烧结炉里出来的烧结烟气温度比较高，严重影响了脱硫效率，实验表明当温度从38℃上升到149℃时，脱硫效率从88.5%下降到了60.2%，下降了28.3%[3].为了降低温度的影响，提高脱硫效率，必须对高温烧结烟气进行预处理.本文采用某公司脱硫塔的基本几何参数及运行参数建立仿真模型，然后针对仿真模型通过改变喷淋速度改变喷水量，研究温度的变化情况，最终得出烟气温度变化与喷淋速度的关系，从而达到通过控制喷淋速度控制烟气温度，提高脱硫效率的目的，脱硫塔基本参数如表1所示.

表1 喷淋吸收塔及均气环基本参数

冷却预处理器喷射层喷出冷却水对烟气进行处理，烟气在这阶段得到冷却降温，同时具有使粉尘初步凝聚，二氧化硫得到部分净化[4].冷却预处理器通过控制喷水速度控制喷水量，从而控制液气比，调节烟气温度，使其处于最佳温度范围303～333 K[5].仿真中喷水速度分别取10、15、20、25、30、35、40 m/s几组数值.

仿真结果中关于温度的取值，为了准确描述烟气冷却的效果，本文采用均值温度和温度方差来比较不同喷水速度的冷却效果.我们在主脱硫区域取一气体参考面，沿表面直径方向均匀连续取值(塔壁处不取)，然后求温度均值和方差，通过温度均值和标准差S*的大小反应气体均布情况.烟气脱硫本身要求足够的反应时间，为了提高脱硫效率，要求温度处最佳脱硫温度范围，温度波动越小越好.

仿真过程中假设：

a.不考虑辐射散热；假设塔壁为绝热壁，不传递热量，即散热量设置为0；并且采用了无速度滑移和无质量渗透条件；b.浆液池液面简化为固体壁面处理，忽略浆液池液面波动对烟气的影响，不考虑脱硫浆液的冷却作用；c.不考虑化学反应放出的热量.

2 研究结果分析

实验表明脱硫效率随温度升高而下降的速率较快，随着烟气温度的增加，脱硫效率逐渐降低.但是，温度过低，则影响反应速度，同样降低脱硫效率.在烟气脱硫塔中，最佳脱硫温度范围为30～60 ℃(303～333 K).本研究对不同喷水速度进行模拟仿真效果如图1所示.

由图1可以看出当喷水速度达到25 m/s时，在脱硫塔中间(脱硫反应大部分在这部分进行)大部分已经在最佳温度范围，冷却效果显著.即喷水速度为25 m/s时，冷却效果已经达到要求.我们在主脱硫区域取距液面9 m处横截面为参考面，对温度均匀取值，然后求均值建立温度随喷水速度变化曲线图如图2所示，从图上可以清晰地看出喷水速度在30 m/s以后，随着喷水速度的增加，温度下降缓慢.由此得出最佳喷水速度为25～30 m/s.喷水速度过高，造成水的浪费并增加了能耗；喷水速度过低则达不到最佳脱硫温度范围，影响脱硫效率.

图1 不同喷水速度温度场示意图(单位：K)

根据图2喷水速度与温度的关系曲线以及仿真数据，采用MATLAB对喷水速度与平均温度进行三次拟合，可得到如下关系式：

f(v)=-0.0006v3+0.095v2-

4.513v+399.8v≥5

(1)

图3为喷水速度与温度关系的拟合曲线，从拟合曲线上可以看出该公式与仿真数据误差很小，拟合度很高，公式(1)可以用于计算喷水量与温度的关系，从而精确控制烟气温度，节约能耗和水资源，提高脱硫效率.

图2 喷水速度与温度关系

图3 喷水速度与温度拟合曲线

3 结 语

提出了冷却预处理器喷水量与温度的关系，喷水速度在低于30 m/s时，随着喷水速度的增加，温度下降很快；大于30 m/s后，随着喷水速度增加，冷却效果不明显.由此得出最佳喷水速度为25～30 m/s.

参考文献：

[1]王晓泳．我国烧结脱硫现状分析[J].工业安全与环保，2007(12)：25-27.

[2]李先春,谢安国．炉内喷钙脱硫过程中炉膛温度及脱硫剂混合的数值模拟[J].冶金能源，2005(3)：23-26.

[3]Fang L J, Song H P, Zhou Q L, et al. Experimental study on the performance of heat transfer of a novel liquid-gas two-phase flow scrubber for flue gas desulphurization Proceedings[C]//the ASME Power Conference 2005, Pts A and B, 2005：775-778.

[4]周玉新, 刘碧．撞击流燃煤烟气湿法脱硫吸收剂的选择[J].武汉工程大学学报，2007,29(5)：8-10.

[5]Zhang J, You C F, Qi H Y, et al. Effect of operating parameters and reactor structure on moderate temperature dry desulphurization[J].Environmental Science & Technology,2006,40:4300-4305.