基于计算流体动力学的氯化钾尾气热质回收塔流场分析和优化*

包庆山，陈 杭，任红伟，贾国安，毛冠华，宋兴福，

(1.青海盐湖工业股份有限公司，青海 格尔木 816000； 2.华东理工大学 资源(盐湖)过程工程教育部工程研究中心，上海 200237)

0 引言

钾是重要的战略资源，事关国家粮食安全。我国盐湖科技人员围绕盐湖钾资源开采与加工开展了卓有成效的研究工作，形成了冷分解-正浮选[1-4]、反浮选-冷结晶[5-8]、冷结晶-正浮选[9-10]、兑卤法[11]等多种生产工艺，部分生产工艺及成套装备设计、制造技术达到了世界先进水平。尽管氯化钾生产工艺原理不同，但每种工艺得到的氯化钾均需干燥才能获得合格产品，干燥后排放的尾气温度在110 ℃以上，且含有氯化钾粉尘。毛冠华等[12]研究发现，氯化钾等无机盐对硫酸钙具有增溶效应；李树民等[13]据此提出了一种对含氯化钾高温尾气进行质热一体化回收的方法，通过工艺水洗涤回收尾气余热和氯化钾，用于氯化钾冷结晶生产过程，减少了尾气对环境的粉尘污染和热污染，具有显著的经济效益和环境效益。

计算流体动力学模拟是化工装备放大的有效研究手段，在气体的喷淋洗涤等研究中有着广泛应用[14-15]。本文采用数值模拟方法分析了热质回收塔空塔干燥尾气流场分布情况，在此基础上设计了不同筛孔排布方式的气体分布器，并考查了这些气体分布器对回收塔内干燥尾气流场的均布情况，研究结果对实际尾气热质回收塔气体均布器设计具有指导意义。

1 结构参数与模型建立

以青海盐湖工业股份有限公司年产70万t氯化钾生产装置干燥尾气热质回收塔为例，其主体塔径为3.8 m、高13.17 m，上部烟囱部分直径为1.8 m、高4.7 m，干燥尾气进口中心距离塔底2.8 m、进口直径1.3 m，气体均布器安装位置距离塔底4.15 m。气体均布器参考板式吸收塔筛板[16-17]设计，采用等边三角形叉排均布筛孔，孔径为0.1 m、孔心距为0.15 m，经过计算开孔数为524个、开孔率为36%。

采用ProE Wildfire5.0进行物理网格构建，针对热质回收塔几何结构特点，采用六面体结构化网格和四面体非结构化网格相结合的方式进行网格划分，在气体分布孔处局部加密，这样既能保证网格质量，又可以提高计算效率和准确性。回收塔的几何结构与模型网格示意图见图1。首先进行网格无关性验证，发现80万网格可以兼顾计算效率和准确性，因此后续研究选择80万网格。

图1 回收塔的几何结构与模型网格示意图Fig.1 Geometry and grid scheme of the heat and mass recycling tower

在模型计算中，模型控制方程主要为质量和动量守恒方程，体系中视干燥尾气为连续相，整个系统干燥尾气压力变化很小，可假设干燥尾气为不可压缩牛顿流体，干燥尾气流体流动过程遵循质量守恒定律，欧拉法质量守恒方程为

(1)

动量守恒方程可以描述为：

(2)

(3)

(4)

式中，ρ为干燥尾气密度，p为静压，u、υ、ω分别为速度矢量沿x、y、z轴的分量，t为时间，μ为干燥尾气的黏度，Fx、Fy、Fz分别为两相流动过程中相间作用力在x、y、z轴的分量。

2 回收塔空塔干燥尾气流场分析

在满负荷干燥尾气流量为15万m3/h的条件下，考查干燥尾气流量变化对回收塔内气体流场的影响。

模拟计算了80%、90%、100%、110%、120%流量负荷下回收塔内气体流场分布情况，塔内横向和纵向中心截面流线分布分别见图2和图3。干燥尾气通过回收塔内气体进口进入塔内，在进气口下方形成两个旋涡，大部分干燥尾气与进气口对面的器壁发生碰撞形成向上气流，并在向上过程中发生偏流，干燥尾气偏流在进气口上方形成两个较大的旋涡。一方面造成部分干燥尾气流速不均，从而使干燥尾气在塔内停留时间显著不均；另一方面使偏流区域尾气流速增大，因而不利于后续通过喷雾液体实现气液交换回收热量以及对氯化钾粉尘的捕集回收；同时部分高速流动的气体会带出喷雾液体，造成喷雾液体的损失扩大，另夹带出少量无机盐，造成干燥尾气粉尘无法达标排放。

图2 不同干燥尾气流量负荷下横向中心截面流线分布Fig.2 Streamline distribution of horizontal center section under different dry tail gas flow loads

图3 不同干燥尾气流量负荷下纵向中心截面流线分布Fig.3 Streamline distribution of longitudinal center section under different dry tail gas flow loads

结合不同干燥尾气流量负荷下横向中心截面的速度分布(见图4)可以看出，随着干燥尾气流量负荷的增大，流场中形成旋涡处的流线越来越密集，速度越来越大，旋涡作用越来越强。旋涡的存在，使得干燥尾气的动能消耗增加，因而增大了装置引风机的电机负荷和电耗。

图4 不同干燥尾气流量负荷下横向中心截面速度分布Fig.4 Velocity distribution of horizontal center section under different dry tail gas flow loads

3 气体分布器筛孔排布方式对流场的影响

使干燥尾气流场均匀分布的有效方法是设置合适的气体分布器，其筛孔的排布方式对塔内干燥尾气偏流、旋涡的消除及气体均布具有显著影响。在本研究中气体均布器安装在距离塔底4.15 m的位置，所调整的筛孔区域位于干燥尾气进口位置的对面，筛板的对称轴与干燥尾气进口中心线平行。模拟计算了筛孔(孔径为0.1 m)均匀的气体分布器[记为A型，见图5(a)]对流场的影响情况，在此基础上调节部分区域筛孔数量或者改变筛孔直径，形成了3种改进型气体分布器，分别记为：①B型，是在A型基础上将对应干燥尾气偏流区1/4直径区域的均布孔直径减小一半，见图5(b)；②C型，是在A型基础上将对应干燥尾气偏流区1/4直径区域的均布孔直径减至0.08 m，见图5(c)；③D型，是在A型基础上将对应干燥尾气偏流区1/8直径区域的均布孔直径减至0.08 m，见图5(d)。

图5 4种气体分布器筛孔排布示意图Fig.5 Sieve mesh arrangement diagram for four types of gas distributors

在满负荷的干燥尾气流量下，选用不同类型气体分布器开展单相流流场模拟计算，计算得到的横向中心截面速度分布见图6，与之对应的流线见图7。

图6 不同类型气体分布器回收塔内横向中心截面速度分布Fig.6 Velocity distribution at horizontal center section of recycling tower with different types of gas distributors

图7 不同类型气体分布器回收塔内横向中心截面流线Fig.7 Streamline at horizontal center section of recycling tower with different types of gas distributors

对比回收塔在安装不同类型气体分布器前后的流场分布情况，发现干燥尾气经过气体均布器调整后，气体均布器上方大部分区域尾气速度分布均匀度较空塔有了明显改善，偏流区减小，旋涡也显著减小。进一步对比不同筛孔排布方式对干燥尾气偏流区的气体分布影响，采用筛孔均匀的气体分布器，偏流区烟气经过气体分布器后速度仍然明显高于其他区域(见图6中的A型)，形成的压力分布不均，在压力差的作用下，气体分布器上方出现了较小旋涡(见图7中的A型)。B型气体分布器因开孔面积减少过多，横向截面图中气体分布器上方存在明显的速度分布不均匀区域(见图6中的B型)，气体分布器烟气偏流区一侧上方区域烟气流速明显低于其他区域，形成低速区域，从而造成部分流场紊乱(见图7中的B型)。相较于A型和B型，C型气体分布器上方烟气流速分布整体更加均匀(见图6中的C型)，筛孔孔径的调整对干燥尾气偏流区具有较好的均布作用，但在下部入口对侧仍有小旋涡(见图7中的C型)。进一步缩减了小孔区域的D型气体分布器的烟气流速分布与C型相似，但D型气体分布器横向中心截面流线(见图7中的D型)整体分布均匀，无旋涡和流场紊乱现象，均布效果最佳。

考查了使用不同类型气体分布器时回收塔内4.3 m高处的截面速度分布，结果见图8。

图8 使用不同类型气体分布器时回收塔内4.3 m高处的截面速度分布Fig.8 Velocity distribution at a section with a height of 4.3 metres in recycling tower with different types of gas distributors

由图8可以看出：采用筛孔均匀的气体分布器，在入口对侧的区域出现了明显的气流高速区，中间区域的气流速度低，呈现了显著的不均一性；随着筛孔尺寸的调整，均一性得到了改善，对照C型和D型的截面速度分布发现，D型气体分布器的干燥尾气均布效果更好。

采用优化的热质回收塔结构，配合喷淋系统喷淋形成的水雾回收粉尘与热量，建成了年产70万t氯化钾生产装置干燥尾气热质回收装置。整个热质回收装置包括高效热质回收塔系统、母液汇集系统、储水系统、引风系统等4个部分。热质回收塔入口粉尘质量浓度为1 250 mg/m3，在稳定运行阶段，通过增加气体分布器以及调整筛孔的分布，使气体分布更加均匀，避免了烟气短路，气体与喷淋液的接触更加充分，有利于液体捕获粉尘颗粒并溶于喷淋液中；而且由于气体与液体直接接触，因而尾气的热质回收效果好。加热后的洗涤液作为光卤石分解母液，有利于提高冷分解结晶器的分解温度，特别是在冬季，可有效促进光卤石分解，提高氯化钾收率。青海省环保部门对热质回收塔出口粉尘质量浓度进行了随机抽检，测得其值为63 mg/m3，据此计算得到热质回收塔粉尘回收率为95%。热质回收塔干燥尾气出口温度从原来的90 ℃降至40 ℃，装置的水损失率为1.11%，氯化钾收率增加0.93%，经测算可增加经济效益2 514万元/a，钾资源利用率和热量利用率均得到了提高，具有良好的经济效益和环境效益。

4 结论

a.在回收塔内不设置气体分布器时，干燥尾气在进气口的下方形成两个旋涡，大部分干燥尾气与进气口的对面器壁发生碰撞形成向上气流，并在向上过程中发生偏流，偏流的干燥尾气在进气口上方形成两个较大的旋涡，造成部分干燥尾气流速不均，不利于粉尘和热量回收。通过在回收塔内增加气体分布器，塔内气体分布均匀性得到了提升。

b.研究模拟了气体分布器筛孔排布方式对干燥尾气流场的影响，通过比较不同筛孔排布方式气体分布器，发现在筛孔均布孔径为0.1 m的气体分布器基础上，将对应干燥尾气偏流区1/8直径区域的均布孔直径减至0.08 m的D型分布器，对塔内干燥尾气具有良好的均布效果，经气体分布器后，塔内流场均匀分布，有利于干燥尾气热质的回收利用。