CFD模拟在骤冷塔设计中的应用

王 敏

(1.大冶有色设计研究院有限公司， 湖北 黄石 435005；2.有色金属冶金与循环利用湖北省重点实验室， 湖北 黄石 435005)

大冶有色金生公司从投产至今已10年，设计规模为10万t废杂铜(含残极)处理能力。采用竖平炉联合处理残极、废杂铜工艺，烟气采用换热器+布袋收尘器净化，随着新环保法的实施，环保要求越来越严，金生公司现有生产系统已不能满足新的环保要求。因此需对金生公司现有生产系统进行升级改造，公司拟采用骤冷塔+板式换热器+布袋收尘+尾气脱硫工艺代替原有烟气处理工艺。

针对烟气处理的关键设施——骤冷塔，本文利用CFD进行模拟，以达到如下目的：预测骤冷塔内烟气的流动形态，准确计算塔体的设计尺寸，优化喷枪的布置方案，确保在生产实践中实现烟气冷却、水雾完全蒸发及避免塔内壁积灰，并且在保证骤冷塔工艺要求的同时，节省工程投资及设计周期。

1 CFD介绍

CFD的全称是计算流体动力学，是一种通过计算机进行的模拟仿真技术，其主要用途是对流体进行数值仿真模拟计算，其基本原理就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术[1-2]，得出流体在连续区域的流动形态以及离散分布，从而模拟出流体的大概运动状态及模型。具有节约时间、节省费用、操作安全、资料完备，且可模拟各种不同工况的优点[3]。尽管CFD方法还存在可靠性和对实际课题的可算性等问题，但这些问题已经逐步在发展中得到解决[4]。CFD方法早期在暖通工程应用广泛[5]，现在已逐渐在冶炼及化工工程上得到推广。

2 CFD模拟设计及实施效果

2.1 设计条件

1)入口烟气。选择极端的入口烟气条件，详细情况见表1。

表1 极端入口烟气条件

2)出口烟气。出口烟气参数：烟气出骤冷塔的温度准确控制在290±10 ℃；烟气冷却时间尽量短，控制在2 s内；骤冷塔的喷雾需要全部汽化，不能产生液滴，形成酸滴腐蚀塔体。

该设计主要难点：烟气量波动大；烟气温度波动大；烟气具有一定腐蚀性。

2.2 初选设计参数

2.2.1 喷枪的初步选择

1)选取最大极限烟气条件：烟气量12 000 Nm3/h，温度950 ℃。最大汽化喷雾水量计算式见式(1)、式(2)[6]。

Q=V[c1t1-(1+k1)c2t2]+Vk1cktk

(1)

W=Q/(2 490+1.97t2-4.19ts)

(2)

式中：Q为需要冷却的热量，kJ/h；V为进入冷却设备的烟气量，m3/h；c1、c2分别为冷却设备进、出口烟气的平均比热容，kJ/(m3·℃)；k1为设备漏风率，%；ck为空气平均比热容，kJ/(m3·℃)；t1、t2分别为冷却设备进、出口温度，℃；tk为漏入空气温度，℃；W为喷水量，kg/h；ts为喷入水的温度，℃。

通过计算Wmax为1.59 t/h。

2)选取最小极限烟气条件：烟气量4 200 Nm3/h，温度800 ℃，根据式(1)、式(2)计算最小汽化喷雾水量Wmin为0.292 t/h。

根据喷雾水量的范围初步选用型号为1×FM10A- 55的双流体喷枪，喷雾量调节范围为0.2～1.8 t/h，数量1支。

2.2.2 塔体尺寸的初步确定

根据最大烟气量、汽化速率及烟气流速计算塔体最经济尺寸，计算式见式(3)、式(4)[6]。

V1=[V(1+K1/2)+∅W/(2×0.804)][1+ (t1+t2)/ (2×273)]P0/B

(3)

D=(V1/3 600×0.785v)1/2

(4)

式中：V1为喷雾塔内烟气平均烟气流量，m3/h；K1为漏风系数，%；∅为汽化系数，%；P0为标准大气压，0.101 MPa；t1、t2分别为冷却设备进、出口温度，℃；B为气体绝对压力，MPa；v为烟气在塔内流速，m/s；D为喷雾塔直径，mm。

通过计算得出喷雾塔的直径为Φ2 500 mm。根据式(5)、式(6)计算喷雾塔有效高度。

Vt=W1∅(2 490+1.97t2-4.18ts)/(Δt×K0×3.6)

(5)

H=Vt/0.785D2

(6)

式中：Vt为喷雾塔容积，m3；W1为蒸发水量，m3/h；t2为冷却设备出口温度，℃；ts为喷入水的温度，℃；Δt为烟气进行热交换时的平均温度差，℃；K0为容积传热系数，W/(m2·℃)；H为喷雾塔有效高度，mm；D为喷雾塔直径，mm。

通过计算得出喷雾塔的有效高度为7 000 mm。加上塔顶和底部分，总高度为10 600 mm，

塔体尺寸为：Φ2 500×10 600 mm。

2.2.3 塔体材质的初步确定

烟气中含少量二氧化硫，具有一定腐蚀性，塔体材质采用普通304不锈钢。

2.2.4 喷枪的位置初步确定

本项目采用干式冷却，所以喷枪的配置决定冷却塔最终冷却效果。根据以上设计参数，进行初步基础流场分析，了解塔内烟气的流动情况，预测塔内烟气可能存在的偏流、旋流、回流情况以及高温烟气流向趋势，并通过以往经验数据提出骤冷塔喷枪的布置方案。初步配置方案是喷枪布置在塔顶部中部，喷枪中心位置设计根基础流场数据分析，初步选定三个设计方案：方案一喷枪中心位置位于塔中心；方案二喷枪中心位置向气流入口方向平移150 mm；方案三喷枪中心位置向气流出口方向平移150 mm。

2.3 CFD模拟

将以上初步设计数据及三种喷枪位置等数据输入CFD计算软件，可以得到喷雾塔在烟气量、温度在最大及最小值的CFD模拟计算数据，并得到数值分析结果图，其中方案三喷枪中心位置向气流出口方向平移150 mm方案为最优设计方案，各项指标都满足设计要求。计算结果如图1～8所示。

图1 Max-塔内烟气流线图

图2 Max-塔内温度分布图

从计算结果得知塔内烟气流动比较复杂，存在旋流、偏流与回流，总体以平流为主(图1, 图5)；塔内烟气喷雾温降梯度稳定，出口烟气温度基本在290 ℃左右(图2, 图6)；按图1喷枪布置，塔内喷雾羽流位于塔中央，避免喷雾撞壁从而引发的湿壁风险(图3, 图7)；通过分析液滴轨迹跟踪图，塔内形成的喷雾液滴能在到达塔壁之前实现完全蒸发，塔底部也不会有液滴出现(图4, 图8)。

图3 Max-喷雾羽流形态线图

图4 Max-液滴轨迹跟踪图

图5 Min-塔内烟气流线图

综上所述，从初步设计的骤冷塔内烟气进行喷雾急冷的CFD模拟中可以看出，烟气量及温度在最大、最小值波动时，烟气出口温度达到了设计要求，水雾100%完全蒸发，塔内壁无液滴生成。此CFD模拟验证骤冷塔初始设计可行，并确定喷枪中心位置向气流出口方向平移150 mm为最佳配置方案设计，喷枪最终布置如图9所示。

图6 Min-塔内温度分布图

图7 Min-喷雾羽流形态线图

图8 Min-液滴轨迹跟踪图

图9 喷枪最终布置方案图

2.4 最终工程设计

根据以上CFD模拟计算验证了初步设计方案可行，本骤冷塔主要设备最终参数见表2。

表2 主要设备表

系统优化设计项目竣工后，生产实践证明，新烟气处理自动化程度高，烟气出口参数控制准确，可稳定高效运行。

2.5 实施效果

新系统已顺利运行了一年多，骤冷塔设备系统运行正常，烟气指标控制正常，骤冷塔底无液滴产生。2018年10月骤冷塔出口烟气监测数据见表3。监测数据选择了两种冶炼周期的烟气数据：一种是氧化周期最大烟量，见10月10日；一种是浇铸保温期最小烟气量，见10月11日。

表3 2018年10月骤冷塔出口烟气部分监测数据

3 结论

本文在大冶有色金生公司的骤冷塔设计过程中采用了CFD模拟技术，通过进行模拟，对设计参数进行了优化，并与实际运行效果进行了对比。

1)CFD模拟可预测骤冷塔内烟气的流动形态，准确计算塔体的设计尺寸。

2)可根据CFD模拟，优化喷枪的布置方案。

3)通过CFD模拟辅助，可在生产实践中实现烟气冷却、水雾完全蒸发及避免塔内壁积灰。

4)通过CFD模拟辅助，可节省工程投资及设计周期。

通过以上统计数据表明，采用CFD模拟可以对工程设计做出预判，可指导和优化设计，提高设备运行的准确性与可靠性，也可为今后类似项目提供参考价值。