烧结SDA脱硫塔旋流片结构优化

2022-02-18赵贺芳张燕飞包向军姚旭杰

冶金能源 2022年1期

赵贺芳张燕飞陈光余洁包向军胡笳姚旭杰

(1.马鞍山学院建筑工程学院，2.安徽工业大学能源与环境学院，3.安徽欣创节能环保科技有限公司)

目前，针对提高SDA脱硫塔脱硫效率的研究，主要是围绕脱硫塔结构参数、运行参数的优化。肖荣[1]对脱硫塔的尺寸进行优化设计，为烟气在塔内的反应提供了有利条件。黄莺[2]对现场SDA脱硫塔模拟研究发现，在喷雾半径小于塔半径的1/5时，塔壁粘黏现象有所改善，同时能提高烟气在塔内的停留时间，使得反应更为彻底。师俊杰[3]在烟道处增设阻流板，发现当阻流板厚度在2.25 m时，塔内流场分布均匀，会促进脱硫反应。李双双[4]研究入口烟气旋转角度对流场的影响，发现入口烟气旋转角度增加，烟气在塔内停留时间增加，塔内气流变化剧烈，在此基础上加入旋转喷雾，会使烟气在塔内分布变均匀。郭浩[5]对喷嘴的锥角进行研究，发现角度大时会使得烟气更容易进入塔内。曾芳[6]对喷嘴位置进行优化，采取高低分布；对烟气入口进行改进，得到倾斜入口时脱硫效果好。总的来看，现阶段诸多学者对于半干法脱硫技术进行了大量的研究，但对SDA半干法脱硫塔内的旋流片长度、个数以及间距的相关研究鲜有报道。

文章通过研究脱硫塔旋流片的长间比、个数对塔内脱硫效率影响，得到塔内分配器(旋流片)优化方案，从而实现脱硫效率的提升。

1 模拟对象与条件

1.1 模拟对象及物理模型

文章以某钢厂3号竖炉(F100)脱硫塔为研究对象(见图1)，旋转喷雾塔的空塔直径为9 m，塔高约20 m。烧结烟气由上部蜗壳处流入，依次经上、下旋流片进入脱硫塔内；脱硫剂经旋转雾化器喷射后，分散成均匀的细小液滴颗粒，与塔内烟气混合并吸收烟气中的二氧化硫。处理后的烟气从塔底烟气出口排出。3号竖炉脱硫塔的实际运行参数见表1。

图1 脱硫塔模型

表1 运行参数

1.2 数学模型

脱硫塔内的烟气脱硫涉及到多相流动换热、化学反应等复杂过程，有必要对塔内的流场进行一定的简化与假设：

(1)脱硫塔体保温效果良好，忽略塔体对外界环境的散热作用；

(2)忽略CaCO3对SO2的解吸作用；

(3)烟气脱硫过程满足双膜理论，忽略气液交界面、气相主体和液相主体对传质的影响，假设只有两膜对传质有影响；

(4)假设吸收SO2的过程中SO2质量和体积均保持不变；

(5)假设烟气中仅有SO2与脱硫剂反应；

(6)脱硫过程中不考虑CaSO4及其晶体的形成；

(7)忽略化学反应热。

1.2.1 连续相模型

(1)连续性方程

(1)

式中：u、v和w分别为x、y、z方向的速度分量，m/s。

(2)动量方程

(2)

式中：p为压强，Pa；μ为动力粘度，Pa·s。等号左边表示微元体惯性力在三维坐标系中三个方向的分量，等号右边第一项表示沿三个方向的体积力，第二项表示沿着三个方向受到的压力梯度，后面的几项表示不同方向上的广义牛顿粘性分力。

(3)能量方程

(3)

式中：ρ为密度，kg/m3；h为焓，kJ/kg；Qrad为辐射项；QR为反应项。

组分输运方程为

(4)

1.2.2 离散相模型

气固两相流中主要是颗粒和颗粒之间、颗粒和流体之间、颗粒和壁面之间的相互作用[7]。文章将浆液看作离散相，在拉格朗日坐标系下建模如下：

(5)

式中：u为气体速度，m/s；up为颗粒速度，m/s；FD(u-up)为颗粒受到的单位质量曳力，N/kg；ρ为气相密度，kg/m3；ρp为颗粒相密度，kg/m3；Fx为附加质量力，N；

1.2.3 化学反应模型

(1)恒速干燥阶段：含湿颗粒表面的水分恒速干燥阶段，气膜、液膜以及固体溶解速率影响着SO2传质阻力。这一阶段的理论公式如下[8]：

(6)

式中：kl、kg和ks为气膜、液膜SO2传质系数和Ca(OH)2传质系数，cm/s；β为液膜中Ca(OH)2与SO2传质系数的比值；Dd为石灰浆滴直径，cm；Dp为石灰粒径，cm；HA为SO2亨利系数；Cxs为气液界面的SO2浓度，mg/m3；Cs为颗粒平衡浓度，mg/m3。

(2)降速干燥阶段：目前不能清楚的表达反应速率，只有经验公式如下：

(7)

式中：X为t时刻吸收剂含湿量，g/g；Xe为水分平衡时吸收剂的含湿量，g/g；Xc为吸收剂临界含湿量，g/g；Dc为临界含湿量条件下颗粒的粒径，cm。

1.3 网格无关性验证

文章采用Fluent软件进行计算，压力与速度间的耦合采用Simple二阶迎风方法，采用标准k-ε双方程模型作为湍流模型；采用DPM模型作为颗粒相模型；采用injection作为颗粒相喷射模型。烟气入口采用速度入口，出口为压力出口，塔体边界绝热。

为了考虑计算资源和结果的正确性，文章对网格无关性进行了分析，对比了网格数分别为203万、297万和368万的模拟结果，如图2所示。297万网格和368万网格的结果接近，明显优于203万网格的结果。为了节约计算资源，选取297万为计算网格数量。

图2 网格无关性验证

1.4 模拟验证

某钢厂3号竖炉脱硫塔1-7月份脱硫效率的现场数据如表2所示。脱硫效率范围在81.08%～89.91%，平均脱硫效率为86.45%。文章数值模拟所得脱硫效率为86.7%，与现场数据结果的相对误差小于1%，建立模型准确可靠，满足模拟要求。

表2 脱硫塔1-7月份脱硫效率

2 结果及讨论

2.1 旋流片长间比

旋流片位于两个锥面之间，如图3所示。为方便研究，取内锥体表面处旋流片之间的距离为旋流片间距S；对旋流片的下部位置进行固定，将长度L向上延长，如图4所示。旋流片长度和间距对旋流强度都有影响，但旋流片长度与间距的比值(长间比)增长到一定值后，旋流强度基本不变。国内一些学者[9-13]关于旋流片长度的研究，主要针对燃烧室、烧嘴等旋流器，未发现对锥面加旋流片长间比的研究。

图3 旋流片俯视图

图4 旋流片模型局部放大图

现场数据中，上旋流片处的锥形体下端横截面的半径R=1 075 mm，上旋流片的个数N=36个，旋流片间距S=2πR/N=188 mm，旋流片的长度L=533 mm，L/S=2.8。结合旋流片位置、制造难度和蜗壳壁的限制，取L最大为678 mm，按表3的数据进行缩放。不同L/S下，上旋流片底部位置的速度分布如图5所示。当L/S从0.6到2.8时，速度场变化明显；L/S从2.8到3.6时，速度场基本相同。烟气经过旋流片后在塔内进行扩散，由于塔体的横截面面积比旋流片所在位置锥形体的横截面面积要大，故中心处的速度比外侧的速度要大。说明旋流片长间比会影响旋流强度，进而会影响脱硫效率，因此对旋流片长间比的优化是必要的。

图5 上旋流片底部位置的速度分布

表3 旋流片长间比对应长度

2.2 上旋流片的优化

2.2.1 长间比优化

上旋流片长间比对塔内烟气中脱硫效率影响如图6所示。随着上旋流片长间比增加，脱硫效率先升高，随后变化不明显。当旋流片的长间比由0.6增加到2.8时，脱硫效率提高较为明显。当旋流片长间比由2.8增加到3.6时，脱硫效率升高较为平缓。综合考虑，当旋流片长间比在2.8时最合适，脱硫效率为85.71%。

图6 上旋流片长间比对脱硫效率的影响

2.2.2 个数优化

上旋流片的个数分别取30个、36个、42个和48个时，对应的脱硫效率如图7所示。随着个数增加，脱硫效率先缓慢上升后下降。当旋流片由30个增加至36个时，脱硫效率上升缓慢，因为增加旋流片促进了烟气在塔内的流动，稳定了烟气在塔内的分布。当旋流片从36个增加至48个时，脱硫效率下降，是由于导流板本身存在厚度，增加了烟气进入塔内的阻力。当上旋流片个数在36个时最合适，脱硫率最高为85.82%。

图7 上旋流片个数对脱硫效率的影响

2.3 下旋流片的优化

2.3.1 长间比优化

下旋流片长间比对塔内烟气脱硫效率的影响如图8所示。随着下旋流片长间比增加，脱硫效率先升高后降低，整体变化不是很明显。当旋流片的长间比由2增加到3时，脱硫效率升高。当旋流片长间比由3增加到4时，脱硫效率下降。当下旋流片长间比在3时，脱硫率最高为85.69%。

图8 下旋流片长间比对脱硫效率的影响

下旋流片长间比为3时脱硫效率高，而上旋流片长间比为2.8时脱硫效率高，原因是上旋流片覆盖面积大、烟气流速慢，而下旋流片覆盖面积小、烟气流速快，下旋流片区域烟气改变流动方向更难。

2.3.2 个数优化

上旋流片选用36个，整体模型不变，当下部旋流片个数分别取16个、20个、24个和28个时，对应的脱硫效率如图9所示。当下旋流片由16个增加至24个时，脱硫效率升高。当旋流片从24个增加至28个时，脱硫效率降低。脱硫效率升高和降低的原因同上旋流片对脱硫效率的影响相同。当下旋流片个数在24个时最合适，脱硫率最高为85.65%。