旋转喷雾干燥法脱硫优化数值模拟

2020-01-16贾里杨

山东化工 2019年24期

赵毅，贾里杨，刘侃

(华北电力大学环境科学与工程系 ,河北保定 071003)

当前我国对烟气中污染物的排放限制越来越严格，烟气的净化成为最热门的研究课题之一。我国的钢铁行业规模巨大，污染物排放量也很大。研究表明钢铁行业排放的SO2超过40%是在烧结、球团工序中产生的。旋转喷雾干燥法(SDA)脱硫工艺在钢铁行业中的应用比较广泛，因此对SDA塔进行改进，提升其脱硫效率可以有效降低钢铁行业的SO2排放，有重要的现实意义[1-3]。

本文根据CFD技术的相关理论模型，通过对SDA脱硫塔内部烟气流动性质、喷淋浆液离散项以及涉及到的化学反应的分析，利用CFD模拟软件对实际脱硫塔进行数值仿真模拟。将模拟分析结果与实际工程现场测试数据进行对比与验证，逐步优化计算模型，并尝试提出新的改进方案，指导实际工程改造[4-6]。

1 数理模型的建立

1.1 湍流模型

本文采用Realizable 模型，该模型可以看做是一个自带旋流修正的标准模型，公式如下：

式中，Gk是由层流速度梯度产生的湍流动能，Gb是由浮力产生的湍流动能，是由于在可压缩湍流中，过度的扩散产生的波动，C2，C1ε是常量，σk和σε是k方程和ε方程的湍流普朗特数。

1.2 离散相模型

旋转喷雾干燥法的原理是通过高速旋转的雾化器，将吸收浆液雾化成细小雾滴，与烟气中的污染物进行反应，对此可以将液相视为离散相颗粒，并采用压力-旋流雾化喷嘴进行模拟。

压力-旋流雾化喷嘴的工作流程是流体通过旋流片加速后，进入中心旋流室，在旋流室内，液体被挤压到壁面，在流体中央产生空气柱，之后，液体形成不稳定的薄膜并从喷口喷出，破碎成丝状物和液滴。计算过程为：(1)首先计算连续相流场；(2)之后计算从每个喷射源开始的颗粒轨道，从而在计算域中引入离散相；(3)使用已得到的颗粒计算结果中的相间动量、热量、质量交换项重新计算连续相流场；(4)计算修正后的连续相流场中的颗粒轨迹；(5)重复(3)、(4)两个步骤，直到获得收敛解。

1.3 组分运输和反应模型

1.3.1 组分运输模型

Fluent中通过解第种物质的对流扩散方程计算每种物质的质量分数，方程如下：

(3)

其中Ri是化学反应的净产生速率， Si为离散相及用户定义的源项产生的额外速率。在系统中存在种物质时，需要解个方程，第种物质的质量分数则是用减个已经解出的质量分数得到的。

1.3.2 化学反应模型

本文采用层流有限速率模型，该模型使用阿伦尼乌斯公式计算化学反应速率，忽略湍流的影响。这一模型能够准确模拟层流中的反应，但在湍流中阿伦尼乌斯化学动力学是高度非线性的，会影响准确性。一般来说，对于化学反应比较缓慢、湍流比较小的情况，该模型是适用的。组分的化学反应速率可以通过有其参加的个化学反应的阿伦尼乌斯反应源和计算得到：

(4)

其中Mw,i是第i种物质的分子量，为第i种物质在第r个反应中的产生/分解速率。反应可能发生在连续相之间，或是在表面沉积的壁面处，或是在一种连续相物质中[7-10]。

2 模拟的对象与条件

2.1 模拟对象

本文以唐钢青龙炉料公司220万t/a链篦机-回转窑的旋转喷雾塔为模拟对象，忽略塔内复杂结构以及其他设备的影响，建立1∶1模型。旋转喷雾塔空塔直径15m，塔高32m。烧结烟气分别通过塔顶和塔中央的进气口进入塔内，吸收浆液由位于塔顶的旋转雾化器喷洒，分散成均匀的细小液滴，与塔内的烟气混合以脱除其中的二氧化硫和三氧化硫。脱硫后的烟气从塔下方的出口排出，灰尘由底部灰斗定期排出。SDA塔的参数如表1所示。

2.2 网格划分

由于计算区域比较复杂，本文采用非结构化网格，并对网格独立性进行了分析，综合考虑后分为3194961个网格，如图1所示。

表1 SDA塔的基本物理参数

图1 SDA塔立体图

3 结果及讨论

3.1 模型的验证

为验证模型是否正确，根据旋转喷雾塔的现场运行工况，对使用Ca(OH)2作为吸收剂的烟气脱硫过程进行数值模拟，模拟结果如图2所示。

将出口模拟结果与现场检测值进行对比由表2可知，出口烟气温度和SO2的模拟结果与实际很接近，而SO3的模拟结果误差稍大，原因是本文对整个脱硫过程做出了一定的简化，忽略了塔内复杂结构以及其他设备的影响。模拟结果也证明了本文建立的模型是准确的，该模型可以用于下一步的研究。

图2 SDA塔运行模拟图

表2 SDA塔的检测值与模拟值

3.2 操作参数对脱硫效率的影响

3.2.1 进气量对脱硫效率的影响

改变进气量，当进气量为300000～700000m3/h时，旋转喷雾塔对SO2和SO3的脱除效率如图3所示。由图3可知，当进气量小于500000m3/h时，脱硫效率会随进气量增加而减小，而当进气量大于500000m3/h时，再增加进气量，脱硫效率也不会发生明显变化。原因是增加进气量会使烟气流速变大，进而缩短烟气在旋转喷雾塔中的停留时间。但是烟气流速变大也可以使烟气流动更加有序，使气液混合得更加均匀，增加气相与液相的接触，有利于Ca(OH)2吸收SO2和SO3的反应进行。因此在旋转喷雾塔的设计工况内增加进气量，脱硫效率会先降低，后保持稳定。

3.2.2 浆液Ca(OH)2浓度对脱硫效率的影响

在进气量为700000m3/h时，改变浆液中Ca(OH)2浓度，当Ca(OH)2质量分数为0.045～0.225时，旋转喷雾塔对SO2和SO3的脱除效率如图4所示。显然随着Ca(OH)2浓度的增加脱硫效率逐渐提高，而且对SO3的脱除效果比较好，当Ca(OH)2质量分数为0.135时，SO3的脱除效率超过了99%。从图4中可以看出，随着Ca(OH)2浓度增大，SO2和SO3的脱除效率增长的趋势逐渐减缓，因此在实际运行中，考虑到成本问题，浆液中Ca(OH)2浓度不需要太高。

图3 进气量与脱硫效率关系图图4 Ca(OH)2质量分数与脱硫效率关系图

3.2.3 旋转雾化器布置方式对脱硫效率的影响

本文研究的SDA塔旋转雾化器位于图1中坐标系的原点。在进气量为700000m3/h，Ca(OH)2浓度为0.135时，布置两个旋转雾化器，每个的流量为原来的二分之一，分别位于(3m,0,0)，(-3m,0,0)，模拟结果表明，此时SO2脱除效率为85.11%，SO3脱除效率为99.38%；若将两个旋转雾化器分别布置在(0,3m,0)，(0,-3m,0)，则SO2脱除效率为87.41%，SO3脱除效率为99.63%；而单个旋转雾化器SO2脱除效率为82.96%，SO3脱除效率为99.28%。可见旋转雾化器分开布置能够有效提高脱硫效率。这是因为分开布置后，各个旋转雾化器的喷雾之间能够互相混合，使气液分布更加均匀，还能有效减少喷雾的贴壁现象，增加喷雾的停留时间，有利于Ca(OH)2吸收SO2和SO3的反应进行。

将四个旋转雾化器分别布置在(3m,3m,0)，(-3m,3m,0)，(-3m,-3m,0)，(3m,-3m,0)，每个旋转雾化器流量为原来的四分之一，模拟结果为SO2脱除效率为89.27%，SO3脱除效率为99.76%。若将四个旋转雾化器分别布置在(4.24m,0,0)，(-4.24m,0,0)，(0,4.24m,0)，(0,-4.24m,0)，则模拟结果为SO2脱除效率为89.48%，SO3脱除效率为99.74%。脱硫效率比两个旋转雾化器时进一步提升。模拟结果对比如表3所示。