喷淋散射塔鼓泡区域的气液两相流动特性
2020-04-07张忠培董美蓉冯哲愚李晓静陆继东
张忠培 董美蓉 冯哲愚 李晓静 陆继东
（1.華南理工大学电力学院，广东 广州 510641; 2. 广东省能源高效低污染转化工程技术研究中心，广东 广州 5106401）
摘 要：为了探究喷淋散射脱硫塔鼓泡区域的气液两相流动特性，搭建了鼓泡塔实验台，在不同表观气速和气体分布器浸没深度的条件下进行了实验。实验结果表明：气体分布器表面形成的气泡直径约12 mm;气泡溢出液面时有小气泡形成，并随着返混的液相运动，且液相的返混剧烈程度与表观气速和气体分布器浸没深度正相关;液相在散射管管壁和鼓泡池壁面间形成大尺度循环;随着表观气速增大，气泡直径和气泡运动速度均增大，使得气含率增大，气液两相湍动加剧;随着气体分布器浸没深度增大，鼓泡床床层气含率降低，表观气速对气含率的影响效果减弱。实验结果对喷淋散射脱硫塔的设计和运行有一定参考价值。
关 键 词：鼓泡塔;气液两相流;气体分布器;气泡;表观气速
中图分类号：TQ021.1 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）03-0539-05
Gas-liquid Flow Characteristics in the Bubbling Region
of Spray Scattering Column
ZHANG Zhong-pei1，2， DONG Mei-rong1，2， FENG Zhe-yu1，2， LI Xiao-jing1，2， LU Ji-dong1，2
（1. School of Electric Power， South China University of Technology， Guangdong Guangzhou 510641， China;
2. Guangdong Province Engineering Research Center of High Efficient and Low Pollution， Guangdong Guangzhou 510640， China）
Abstract： In order to explore the gas-liquid two-phase flow characteristics in the bubbling region of spray scattering desulfurization column，a bubbling tower experimental platform was built. Experiments were carried out under the conditions of different superficial gas velocity and gas distributor submersion depth. The results showed that， the diameter of bubbles formed on the surface of gas distributor was about 12mm. Small bubbles formed when bubbles overflowed the liquid surface， and they moved along with the backmixing liquid phase， and the backmixing intensity of liquid phase was positively correlated with the superficial gas velocity and the immersion depth of gas distributor. The liquid phase circulated between the scattering tube wall and the bubbling pool wall. With the increase of superficial gas velocity， bubble diameter and bubble velocity increased， which made the gas holdup increase and the turbulence of gas-liquid two phases intensify. As the immersion depth of gas distributor increased， the gas holdup of bubbling bed decreased， and the effect of superficial gas velocity on gas holdup decreased. The experimental results are valuable for the design and operation of spray scattering desulfurization tower.
Key words： bubble column; gas-liquid flow; gas distributor; bubble; superficial gas velocity
面对日趋严格的燃煤烟气SO2排放标准[1]，燃煤电厂对脱硫技术的要求逐渐提高。目前我国燃煤电厂大多采用湿法脱硫技术[2]，传统的脱硫塔有喷淋塔和鼓泡塔[3]，但喷淋塔存在易结垢、能耗与运行费用高等缺点[4]，鼓泡塔存在阻力大、能耗高的缺点[5]。倘若只是简单进行多层喷淋层叠加或增加散射管插入深度来被动地满足环保要求，则会导致脱硫成本大大增加。
为了解决上述难题，有研究者将喷淋和鼓泡技术结合在一起，形成新型的喷淋散射塔技术[6]：喷淋散射塔包含喷淋区域和鼓泡区域，喷淋区域在上，鼓泡区域在下，烟气经过喷淋区域脱硫后通过由上而下插入鼓泡区域的管道通入鼓泡区域继续进行脱硫。相对于传统的鼓泡塔，喷淋散射塔的鼓泡区域表观气速（Ug）高，可以达到0.8 m/s左右，处于湍动鼓泡流区域[7]。气体分布器处于液面下的深度大大降低，仅有150 mm左右[8]。气体分布器浸没深度（h）与塔径之比远小于0.5，而传统的鼓泡塔高径比一般在7左右[9]。气体先经过连接气体分布器的管道由上而下进入液面下形成气室，然后经过气体分布器进入鼓泡区域，而在传统的鼓泡塔中，气体直接从鼓泡塔下方通入，之后经过气体分布器直接进入鼓泡区域[10]。
对于较大高径比的鼓泡塔，塔内由下而上存在三个区域：气体分布器影响区、充分发展区和气液分离区[11]。在湍动鼓泡时，气体分布器影响区在气体分布器上方约2倍塔径的区域[12]，气液分离区在塔顶液面下方1倍塔径的范围。在充分发展段内，气液两相流的相关参数（气含率、气泡等）与轴向位置无关[13]。研究表明：鼓泡塔内气含率（e）随着表观气速的增加而增大[14];液相在塔中心处向上流动，塔壁处向下流动，形成大尺度循环[15];在低表观气速下，气液之间相互作用力较弱，鼓泡塔中小气泡较多且分布均匀，由于气泡在分布器附近进行聚并，气泡直径随着表观气速的增加而增大[16];在较高表观气速下，气液之间相互作用力较强，气泡发生大量聚并，气泡直径较大且大小分布不均[17]。
由于喷淋散射塔鼓泡区域和以往鼓泡塔存在诸多差异，这些差异均会导致气液两相流动情况的改变。因此，本文针对喷淋散射塔的鼓泡区域搭建了气液流动特性实验台，结合压力测量和高速摄像仪拍照，以考察表观气速和气体分布器浸没深度对鼓泡区域气液两相流流动特性的影响。
1 实验部分
1.1 实验装置
在鼓泡塔中，气泡是气液两相反应的基本单位，同时也影响着气液两相的流动情况[18];气含率直接影响了气液两相的质量传递和热量传递;鼓泡床内气液兩相流压力信号的变化可以反映其气液两相的流动情况[19]。为了得到这些参数，搭建了鼓泡塔实验台如图1所示。
空气由风机驱动通入鼓泡池，经过气体分布器形成气泡，流过浆液（水）区。风量大小通过变频器改变，并由笛形管流量计测量。鼓泡池为圆柱形的有机玻璃水槽，直径为700 mm，高1500 mm，壁厚为8 mm，通过高速摄像仪拍摄鼓泡池中的气泡运动情况，拍摄速度50 Hz，每次拍摄时长60 s;鼓泡池上布置3个压力测点，从上到下依次为测点1、2、3，测点1、2、3的间隔均为50 mm，测点1位置比气体分布器位置高15 mm，通过压力变送器测量压力，压力采样时长150 s，采样频率500 Hz。
实验采用的气体分布器如下图2所示，气体分布器上布满直径为9 mm的圆孔，共525个，开孔率为0.16。
1.2 实验数据处理方法
实验测得压力的平均值
和标准偏差
如式（1）和（2）所示：
（1）
（2）
式中：
，
—分別为压力均值、实验时测得的随着时间变化的压力
数据值，Pa;
—分别为压力标准偏差，Pa。
两测压点间床层的局部气含率
如式（3）所示：
（3）
式中：g —重力加速度，m/s2;
H —两压测点间距，m;
—两测点间的压差，Pa;
r —液相密度，kg/m3;
e —气含率。
2 实验结果与讨论
2.1 气液两相运动情况
利用高速摄像仪对不同条件下鼓泡塔内气液两相的运动情况进行了拍摄，并进一步分析产生这种现象的原因。
气体分布器在浸没深度为100 mm时，低表观气速下拍摄的气泡生成图片如图3所示。由于低表观气速时气体分布器下方形成的气室较小，故图中气泡大都是由气体分布器内圈（散射管壁面附近）生成，所生成气泡直径约12 mm，大小不一。
图4为气体分布器浸没深度为100 mm时，低表观气速下拍摄到的连续的两张气泡破碎图片。以图中黑色方框圈取的部分为例，当气泡溢出液面时，大气泡会发生破碎，一部分气体会离开鼓泡塔，另一部分气体会形成较小的气泡。纵观整个图片可以发现，这些小气泡会运动到鼓泡塔壁附近并随着返混的液相运动。
结合图3和图4可以看出，液相在气泡生成区域向上运动，在水面自散射管壁面向鼓泡池壁面运动，在鼓泡池壁面附近向下流动，形成大尺度循环。
图5为气体分布器浸没深度为100 mm时，不同表观气速下气体分布器下方的两相流流动现象。可以看出：表观气速越大，气体分布器下方气泡越多，气泡群越大。产生这种现象的原因为：表观气速的增大，使得鼓泡床床层抬高，气液两相流动时液相在鼓泡塔壁面附近返混的速度增大，返混液相携带更多的气泡向下运动，而气体分布器浸没深度只有100 mm，表观气速又达到了0.7 m/s左右，在这种浅床层、大表观气速的情况下，随液相返混的气泡有很多运动到了气体分布器的下方。这增加了气泡在液相的停留时间，有助于脱硫的进行。
当表观气速为0.71 m/s时，气体分布器在不同浸没深度下气体分布器下方的两相流流动现象如图6所示。从图中可以观察到：随着浸没深度的增大，气体分布器下方的气泡群越来越大。这是由于浸没深度增大，使得鼓泡床床层变高，气液两相流动时液相能够达到的高度更高，在鼓泡塔壁面附近返混的速度也随之增大，返混液相携带更多的气泡向下运动，同时也使得气泡在液相的停留时间更长，对鼓泡塔内的脱硫过程起到促进作用。
2.2 表观气速的影响
通过压力变送器可测得气体分布器浸没深度为100 mm时，不同表观气速下鼓泡塔内的压力变化情况。
图7为各个测点均压随表观气速的变化情况。从图7中可以看出：随着表观气速的增大，测点1、2、3均压逐渐增大。说明鼓泡床气体分布器下方的液体随着表观气速的增大进入气体分布器上方，使得鼓泡床床层抬高，测点1、2、3的均压随之增大。
表观气速对压力标准偏差的影响如图8所示，从中可以看出：各测点的压力标准偏差随着表观气速的增大而增大;在鼓泡池轴向方向，压力标准偏差随着高度的增加而减小。其主要原因在于：表观气速的增大，使得气泡直径和气泡运动速度增大，进而使气液两相流的湍动情况更加剧烈，从而使得压力标准偏差增大;在鼓泡池轴向方向上，气泡在上升的过程中速度降低，气液两相的湍动程度减弱，压力标准偏差减小。
图9为不同床层的气含率随表观气速的变化情况：随着表观气速的增大，测点3与测点2间的床层（低床层）的气含率增大，测点2与测点1间床层（高床层）的气含率先减小，后增大;高床层的气含率比低床层大。
出现这种现象的原因是：表观气速增大，使得气体分布器表面生成的气泡直径增大，数量增多，低床层的气含率随之增大;对于高床层，在向鼓泡塔通气前，测点1的高度高于鼓泡塔静液面15 mm，当表观气速从0.53～0.71 m/s时，鼓泡床层抬高，高床层逐渐完全处于气液两相流区域，使得气含率降低，在表观气速高于0.71 m/s后气含率随之增大;高床层相对于低床层距离气体分布器更远，气泡经过低床层后速度有所下降，因而有更多的气泡存在于高床层中，同时也使得高床层的气液两相湍动情况比低床层弱，进而导致了高床层的压差标准偏差比低床层低，具体情况如图10所示。
2.3 气体分布器浸没深度的影响
通过压力变送器可测得气体分布器在不同浸没深度下鼓泡塔内的压力变化情况，如图11所示为测点2和测点3的压力标准偏差随气体分布器浸没深度的变化情况。从中可以看出：两测点的压力标准偏差随着气体分布器浸没深度的增大而增大。引起这种结果的原因为：在浅床层的情况下，气体分布器浸没深度增大，会使得鼓泡床内气液两相流的高度增加，气液两相相互作用加剧，从而使鼓泡床内气液两相湍动程度加剧。此外，浸没深度的增大会提高气泡在液相的停留时间，这有助于脱硫的进行。
不同浸没深度下测点3与测点2间床层的气含率随表观气速的变化情况如图12所示。随着气体分布器浸没深度的增大，床层的气含率减小，且气含率随表观气速的变化越来越不明显。分析认为：气体分布器浸没深度增大，使得测点3与测点2间床层的压强增大，从而使得气泡减小，对增大表观气速使气泡增大的效果有一定的抑制作用，削弱了表观气速对气含率的影响。
3 结论
通过搭建喷淋散射塔鼓泡区域的实验台架，研究了不同表观气速和气体分布器浸入深度对鼓泡塔内气液两相流动情况的影响，结论如下：
（1）气体分布器表面形成的气泡直径约12mm;气泡在溢出液面时会发生破碎，一部分气体离开鼓泡塔，一部分气体形成小气泡随着返混的液相运动;表观气速越大，浸没深度越大，鼓泡塔内液相返混越剧烈，随液相返混运动的气泡在液相中的停留时间越长，有助于脱硫过程的进行。
（2）液相在散射管管壁和鼓泡池壁面间形成大尺度循环。
（3）表观气速的增大，使得鼓泡床床层抬高，压强增大，气泡直径增大，气泡运动速度增大，气含率随之增大，气液两相湍动加剧;在相同的表观气速下，高床层的气含率比低床层大。
（4）随着气体分布器浸没深度的增大，气液两相湍动加剧，鼓泡床床层气含率减小，表观气速对气含率的影响效果有所削减。
参考文献：
[1] 全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案[J]. 节能与环保， 2016 （ 1） ： 32.
[2] 杜家芝， 曹顺安. 湿法烟气脱硫技术的现状与进展[J]. 应用化工， 2019， 48（06）： 1495-1500.
[3] 何苏浩， 项光明， 姚强， 等. 石灰石/石灰-石膏湿法脱硫反应塔模型比较[J]. 煤炭转化. 2001（03）： 41-44.
[4] Jafari M J， Matin A H， Rahmati A， et al. Experimental optimization of a spray tower for ammonia removal [J]. Atmospheric Pollution Research. 2018.
[5] 孙锦余， 陈亮. 喷淋塔、鼓泡塔烟气脱硫技术的比较[J]. 广东电力， 2009， 22（11）： 50-53.
[6] 陈耀都， 赵京国， 王甲， 等. 一种脱硫脱硝除尘装置[P]. 北京：CN203447981U， 2014-02-26.
[7] B.N. Thorat，J.B. Joshi. Regime transition in bubble columns： experimental and predictions[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2003，28（5）.
[8] Buwa V V， Ranade V V. Characterization of dynamics of gas–liquid flows in rectangular bubble columns[J]. Aiche Journal， 2004， 50（10）： 2394–2407.
[9] 王爽， 王岳， 李少白. 黏彈性流体中伴有化学反应的气液传质过程[J]. 化学工程， 2018， 46（11）： 11-15.
[10] 曹乔乔，郝惠娣，王瑾.旋流式鼓泡塔内部流场特性的实验模拟[J].当代化工，2015，44（04）：815-817.
[11] Joshi J B. Computational flow modeling and design of bubble column reactors[J]. Chemical Engineering Science.2001， 56： 5893-5933.
[12] Wu Y X， Ong B C， Aldahhan M H. Predictions of radial gas holdup profiles in bubble column reactors[J]. Chemical Engineering Science.2001，56（3）：1207-1210.
[13] Degaleesan S， Dudukovic M， Pan Y. Experimental study of gas-induced liquid-flow structures in bubble columns[J]. AIChE Journal， 2001， 47 （9）： 1913-1931
[14] Krishna R， Ellenberger J. Gas holdup in bubble column reactors operating in the churn turbulent flow regime[J]. AIChE Journal， 1996， 42（9）： 2627-2634.
[15] Forret A， Schweitzer J M， Gauthier T， et al. Liquid dispersion in large diameter bubble columns， with and without internals[J]. Can. J. Chem. Eng.， 2003， 81： 360-366.
[16] Simonnet M， Gentric C， Olmos E， et al. Experimental determinationin of the drag coefficient in a swarm of bubbles[J]. Chemical Engineering Science， 2007， 62（3）： 858-866.
[17] Krishna R， Van Baten J. Mass transfer in bubble columns[J]. Catalysis Today， 2003， 79： 67-75.
[18] 張炎， 黄为民. 气泡大小对反应器内氧传递系数的影响[J]. 应用化工， 2005（12）： 734-736+740.
[19] 张维望. 熔融盐反应器流体动力特性实验研究[D]. 浙江大学， 2017.
