烧结烟气氨法脱硫塔气液两相流数值模拟

温荣耀+刘克俭+魏进超

摘要： 为研究脱硫塔内的气液分布情况对脱硫效率的影响，选用FLUENT作为计算工具，以烧结烟气氨法脱硫塔作为研究对象，对塔内气相湍流采用Euler方法描述，对喷淋液滴采用Lagrange颗粒轨道模型描述，研究烟气入口倾角和入口距离浆液池液面高度对脱硫塔内气液两相流场分布的影响，并对脱硫塔的关键参数取值给出建议.

关键词： 脱硫塔； 气液两相流； 数值模拟； 参数优化

中图分类号： X701.3文献标志码： B

Abstract： To study the effect of gasliquid distribution in desulfurization tower on the desulfurization efficiency， FLUENT is chosen as the calculation tool and a desulfurization tower of sintering flue gas ammonia process is taken as the research object. The Euler method is used to describe the gasphase turbulence， and the Lagrange particle trajectory model is used to describe the spray droplets. The effect of gas inlet angle and height from inlet to liquid surface of slurry pool on the gasliquid twophase flow in desulfurization tower is analyzed， and the values of key parameters of desulfurization tower are suggested.

Key words： desulfurization tower； gasliquid twophase flow； numerical simulation； parameter optimization

收稿日期： 2014[KG*9〗07[KG*9〗11修回日期： 2014[KG*9〗09[KG*9〗29

作者简介： 温荣耀（1987—），男，福建泉州人，工程师，硕士，研究方向为计算流体力学，（Email）568484156@qq.com0引言

一般情况下，钢铁企业SO2排放总量的40%～60%来自烧结过程，因此做好烧结过程中SO2的排放控制是钢铁企业污染治理的重点.[1]烟气脱硫国产化是降低工程造价、治理SO2和发展环保产业的需要.

氨法脱硫工艺是国内外烟气脱硫常用的成熟工艺.相对于其他吸收装置，喷淋塔除脱硫效率高外，还具有压降小、内构件相对较少和不易结垢等优点，所以氨法烟气脱硫工艺中脱硫塔主要选用喷淋塔.[2]

李仁刚等[3]、魏星等[4]、赵喆等[5]和李铁军[6]研究火电机组和锅炉的烟气湿法脱硫喷淋塔流体力学特性，李兆东等[7]研究湿法脱硫螺旋喷嘴雾化性能，而烧结工艺涉及的脱硫喷淋塔和烟气特性均与上述文献存在区别.本文研究烧结烟气氨法脱硫喷淋塔气液两相流场，并进一步研究烟气入口倾角、烟气入口距离浆液池液面高度2个参数对脱硫塔内气液两相流场的影响.

1脱硫塔模型建立

1.1物理模型

烧结烟气氨法脱硫工艺见图1.烟气进入脱硫塔前，先经过喷淋降温，后由底部进口进入塔体，在上升过程中依次经过4个喷淋层.脱硫浆液由布置于喷淋层的雾化喷嘴引入，与烟气形成逆流接触.经过洗涤之后的烟气进入除雾段，除去烟气夹带的微小液滴，最后烟气进入烟囱排放，而吸收SO2之后的喷淋液下落至浆液池，循环利用.

1.2模型简化

对该脱硫塔内烟气与浆液滴两相流动情况进行如下假设和简化.

1）不考虑塔内喷嘴、喷淋层的几何尺寸等组件对塔内气液流场的影响.

2）喷淋塔模拟区域为浆液池液面以上至除雾器下端，认为浆液为反射面、除雾器出口为等压面.

3）烧结烟气为不含尘的洁净烟气.

4）烟气视为不可压缩牛顿流体.

5）流动为三维、定常流动，湍流为各向同性.

6）忽略塔内存在的化学反应.

7）假设喷淋液滴为球形.

1.3数学模型

对脱硫塔进行物理简化之后，从数学的角度建立控制方程组，并将其离散化、线性化以进行迭代求解.[810]

2边界条件

1）烟气边界条件

烟气进口流速为12 m/s，密度为1.03 kg/m3，入口温度为60 ℃，出口压力为200 Pa.

2）喷淋液滴边界条件

喷淋塔内布置4层喷嘴，每层53个，喷嘴形式为中空锥形，喷射角度为90°.

喷嘴采用cone射流雾化模型，喷嘴出口液滴速度为5.98 m/s，液滴尺寸采用RosinRammler分布描述，中位径为2 650 μm，分布指数为2.99.

3）壁面边界条件

壁面采用绝热边界，液滴与壁面的接触为逃逸.

3模拟结果与分析

仿真表明，烟气入口倾角和烟气入口距离浆液池液面高度对塔内气液流动情况有显著影响.

3.1不同烟气入口倾角的仿真结果

选取烟气入口倾角分别为3°，6°，9°，12°和15°，仿真得到塔内纵截面流场见图2，塔内第1层喷淋塔截面流场见图3.a）入口倾角3°b）入口倾角6°c）入口倾角9°d）入口倾角12°e）入口倾角15°

对比不同烟气入口倾角塔内流场发现：随着烟气入口角度的增加，塔内流场先趋于均匀，然后左右侧壁面附近垂直方向的气流速度不断增加，入口倾角为15°时最明显，此时已经出现明显的气流短路现象，对SO2的吸收极为不利，应尽量避免.塔内中间区域流场变化不明显.烟气在进入吸收塔后在浆液上方产生巨大的回流低压区，气流产生巨大的离心力，对于除尘非常有利：在塔前喷淋液作用下，烟气中的粉尘被打湿，比重增加，部分发生凝聚，进入塔内之后在巨大的离心力作用下甩向入口对面塔壁面以及下部浆液池液面上.回流低压区对于气流分布不利：巨大回流区的存在使得靠近入口处塔内左右侧壁面的气流速度增加，容易造成气流短路，同时回流区的存在还会伴随着能量的消耗，增加喷淋塔的阻力.利弊同时存在，取二者折中的优化值为妥.

烟气入口倾角分别为3°，6°，9°，12°和15°时进出口压力损失见图4.入口倾角为3°时的压力损失明显大于其他各角度的压力损失，原因是入口角度较小，气流几乎是对着入口对面的塔壁面冲过去，该过程损失很大的能量.

综合考虑塔内流场均匀性和压力损失，最佳入口烟气角度应该在9°左右.

3.2烟气入口距浆液池液面不同高度的仿真结果

选取烟气入口距浆液池液面高度分别为0.7，1.7，2.7和3.7 m，得到塔内纵截面流场分布见图5，塔内第一层喷淋塔流场分布见图6.

a）高0.7 mb）高1.7 mc）高2.7 md） 高3.7 m，对比不同入口烟道底部距液面高度的塔内流场发现：烟道底部距液面高度为0.7 m时，塔内左右侧壁面附近垂直方向的气流速度最小，整个塔的断面速度分布非常均匀，有利于对SO2的吸收；而烟道底部距液面高度1.7 m时，塔内左右侧壁面附近垂直方向的气流速度最大，可以看出烟道底部距液面高度1.7 m时已经出现明显的气流短路现象，对SO2的吸收极为不利，应尽量避免；随着高度的增加这种趋势慢慢的变小，到3.7 m时已经没有明显的大面积气流短路.

塔内液面上方区域流场变化明显，除烟道底部距液面高度为0.7 m外，烟气在进入吸收塔后在浆液上方产生一个巨大的回流低压区，随着烟道底面距液面高度增加，回流区面积越来越大，在回流区气流产生巨大的离心力，对除尘非常有利，但是对于气流分布不利：巨大的回流区的存在使得靠近塔内左右侧壁面的气流速度增加，容易造成气流短路，同时回流区面积的增加还会伴随着能量的消耗，增加吸收塔的阻力.利弊同时存在，取二者折中的优化值为妥.

烟道底部距浆液池液面不同高度时进出口压力损失见图7.由此可知：0.7和3.7 m高度时的压力损失明显大于1.7和2.7 m高度时的压力.造成这2处差别的原因是不同的：烟道底面距液面高度0.7 m时，液面上方的空间不利于形成回流区，气流几乎对着入口对面的塔壁面冲过去，该过程损失大部分动能，而高度3.7 m时形成的回流漩涡区面积最大，相应的能量损失也大.

综合考虑塔内流场均匀性和压力损失，最佳的入口烟道距离浆液的高度应该在2.7 m左右.

4试验

以中冶长天在湘钢的氨法脱硫中的装置为试验设备.由于塔内气液分布情况直接决定烟气脱硫效率，试验考察不同烟气入口倾角、烟气入口距浆液池液面不同高度的脱硫效率.

4.1不同烟气入口倾角的脱硫效率

不同烟气入口倾角的脱硫效率试验结果见图8.由此可知：试验结果与前文的仿真分析趋势一致，随着入口倾角的增大，脱硫效率呈抛物线变化，最佳入口倾角为9°左右.

4.2烟气入口距浆液池液面不同高度的脱硫效率

烟气入口距浆液池液面不同高度的脱硫效率试验结果见图9.

由图9可知：试验结果与仿真分析趋势一致，0.7 m时脱硫效率最好，1.7 m时脱硫效率最差.

5结论

利用FLUENT结合试验分析氨法脱硫塔塔内流场和脱硫效率.综合考虑塔内气液流场和进出口压力损失，最佳的烟气入口倾角为9°左右，最佳的烟气入口距离浆液池液面高度为2.7 m左右.

参考文献：

[1]郭东明. 硫氮污染防治工程技术及其应用[M]. 北京： 化学工业出版社， 2001： 5070.

[2]钟秦. 燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M]. 北京： 化学工业出版社， 2002： 166180.

[3]李仁刚， 管一明， 周启宏， 等. 烟气脱硫喷淋塔流体力学特性研究[J]. 电力环境保护， 2002， 17（4）： 48.

LI Rengang， GUAN Yiming， ZHOU Qihong， et al. Study on aerodynamic characteristics of FGD spray scrubber[J]. Electr Power Environ Protection， 2002， 17（4）： 48.

[4]魏星， 李伟力， 丹凤仙， 等. 脱硫塔气固两相流场优化的数值模拟研究[J]. 中国电机工程学报， 2006， 26（7）： 1217.

WEI Xing， LI Weili， DAN Fengxian， et al. Numerical simulation study on the optimization of gassolid twophase flows in a desulfurization tower[J]. Proc Chin Soc Electr Eng， 2006， 28（7）： 1217.

[5]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]. 环境污染治理技术与设备， 2005， 6（5）： 1720

ZHAO Zhe， TIAN Hezhong， A Qingxing， et al. Numerical simulation of wet flue gas desulfurization spray tower[J]. Techniques Equipment Environ Pollut Contr， 2005， 6（5）： 1720.

[6]李铁军. 脱硫塔塔内流场的试验研究和数值模拟[D]. 北京： 华北电力大学， 2007.

[7]李兆东， 王世和， 王小明. 湿式脱硫螺旋喷嘴雾化性能[J]. 东南大学学报（自然科学版）， 2008， 38（2）： 5860.

LI Zhaodong， WANG Shihe， WANG Xiaoming. Spray characteristics of spiral nozzles used in wet flue gas desulfurization system[J]. J Southeast Univ（Nat Sci）， 2008， 38（2）： 5860.

[8]周光炯， 严宗毅. 流体力学[M]. 北京： 高等教育出版社， 1992： 100120.

[9]萧泽强， 朱苗勇. 冶金过程数值模拟分析技术的应用[M]. 北京： 冶金工业出版社， 2006： 68.

[10]周俊杰， 徐国权， 张华俊. FLUENT工程技术与实例分析[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2010： 276286.