1 前言
一般情况下,钢铁企业SO2排放总量的40%~60%来自烧结过程,因此做好烧结过程中SO2的排放控制是钢铁企业污染治理的重点。烟气脱硫国产化是降低工程造价、治理SO2、发展环保产业的需要。
氨法脱硫工艺是国内外烟气脱硫常用的成熟工艺。氨法烟气脱硫工艺中脱硫塔主要选用喷淋塔,这是因为相对于其它吸收装置,喷淋塔除脱硫效率高外,还具有压降小、内构件相对较少和不易结垢等优点。实际运行表明,喷淋塔的内部流场会直接影响着脱硫塔内的压降、脱硫效率及除雾效率等关键指标。因此,对塔内流场的模拟研究成为设计中的重要手段。
利用计算流体力学软件FLUENT,本文建立了脱硫塔计算模型,将烟气作为连续介质,采用Euler方法描述,将喷淋浆滴作为离散颗粒,采用Lagrange颗粒轨道模型描述,研究烟气入口倾角、烟气入口距离浆液池液面高度两个参数对脱硫塔内气液两相流场的影响。
2 脱硫塔模型的建立
2.1物理模型
烧结烟气氨法脱硫工艺如图1所示。烟气进入脱硫塔前,先经过喷淋降温,此后由底部进口进入塔体,在上升过程中依次经过4个喷淋层。脱硫浆液由布置于喷淋层的雾化喷嘴引入,与烟气形成逆流接触。经过洗涤之后的烟气进入除雾段,除去烟气夹带的微小液滴,最后烟气进入烟囱排放,而吸收SO2之后的喷淋液下落至浆液池,循环利用。
图1 烧结烟气氨法脱硫工艺
2.2模型简化
对该脱硫塔内烟气与浆液滴两相流动情况作如下假设和简化:
(1)不考虑塔内喷嘴、喷淋层的几何尺寸等组件对塔内气液流场的影响;
(2)喷淋塔模拟区域为浆液池液面以上至除雾器下端,认为浆液为反射面、除雾器出口为等压面;
(3)烧结烟气为不含尘的洁净烟气;
(4)烟气视为不可压缩牛顿流体;
(4)流动为三维、定常,湍流为各向同性;
(5)忽略塔内存在的化学反应;
(6)假设喷淋液滴为球形;
2.3数学模型
对脱硫塔进行物理上的简化之后,需要从数学的角度建立控制方程组,并将其离散化、线性化以进行迭代求解。
公式一 连续性方程
公式二 动量方程
公式三 能量方程
公式四 标准模型
公式五 颗粒的作用力平衡方程
不考虑液滴颗粒附加质量力、布朗力、升力,考虑流体对颗粒曳力,由于塔内温度梯度的存在,也考虑热泳力。
3 边界条件
(1)烟气边界条件
烟气进口流速12m/s,密度1.03kg/m3,入口温度60°C,出口压力200Pa。
(2)喷淋液滴边界条件
喷淋塔内布置了4层喷嘴,每层53个,喷嘴形式为中空锥形,喷射角度为90°。
喷嘴采用cone射流雾化模型,喷嘴出口液滴速度为5.98m/s,液滴尺寸采用Rosin-Rammler分布描述,中位径2650μm,分布指数2.99。
(3)壁面边界条件
壁面采用绝热边界,液滴与壁面的接触为escape逃逸。
4 模拟结果与分析
仿真表明,烟气入口倾角和烟气入口距离浆液池液面高度对塔内气液流动情况有显著的影响。
4.1不同烟气入口倾角的仿真结果
选取烟气入口角度分别为3°、6°、9°、12°、15°条件下,得到的塔内纵截面流场如图2~图6所示。
图2 进口倾角3°纵截面
图3 进口倾角6°纵截面
图4 进口倾角9°纵截面
图5 进口倾角12°纵截面
图6 进口倾角15°纵截面
对入口角度分别为3°、6°、9°、12°、15°的塔内流场分析发现:随着烟气入口角度的增加,塔内左右侧壁面附近的垂直方向的气流速度不断增加,15°时最为明显,可以看出15°时已经出现了明显的气流短路现象,这对SO2的吸收极为不利,应尽量避免。
塔内中间区域流场变化不明显,烟气在进入吸收塔后在浆液上方产生一个巨大的回流低压区,气流产生巨大的离心力,对于除尘来说是非常有利的,烟气在塔前喷淋液作用下,烟气中的粉尘被打湿,比重增加,部分发生了凝聚,进入塔内之后在这个巨大的离心力作用下甩向入口对面塔壁面以及下部浆液池液面上。但是对于气流分布来说是一个不利影响,巨大的回流区的存在使得靠近入口对塔内左右侧壁面的气流速度增加,容易造成气流短路,同时回流区的存在还会伴随着能量的消耗,增加了喷淋塔的阻力。
入口角度分别为3°、6°、9°、12°、15°时进出口压力损失如图7所示,3°时的压力损失明显大于6°、9°、12°、15°的压力损失,原因是入口角度较小,气流几乎是对着入口对面的塔壁面冲过去,在这个过程中损失掉很大一部分能量。
图7 不同入口角度的进出口压力损失
综合考虑塔内流场均匀性和压力损失,最佳的入口烟气角度应该在9°附近。
4.2烟气入口距浆池液面不同高度的仿真结果
选取烟气入口距浆池液面高度分别为0.7m、1.7m、2.7m、3.7m,得到塔内纵界面流场情况如图8~图11所示。
图8 进口高0.7m纵截面
图9 进口高1.7m纵截面
图10 进口高2.7m纵截面
图11 进口高3.7m纵截面
对烟道底面距液面高度分别为0.7m、1.7m、2.7m、3.7m的塔内流场分析发现:烟道底面距液面高度为0.7m时,塔内左右侧壁面附近垂直方向的气流速度最小,整个塔的断面速度分布非常均匀,有利于对SO2的吸收,而烟道底面距液面高度1.7m时,塔内左右侧壁面附近垂直方向的气流速度最大,可以看出烟道底面距液面高度1.7m时已经出现了明显的气流短路现象,这对SO2的吸收极为不利,应尽量避免,随着高度的增加这种趋势慢慢的变小,到3.7m时已经没有明显的大面积气流短路。
塔内液面上方区域流场变化明显,除烟道底面距液面高度为0.7m外,烟气在进入吸收塔后在浆液上方产生一个巨大的回流低压区,随着烟道底面距液面高度增加回流区面积越来越大,在回流区气流产生巨大的离心力,对于除尘来说是非常有利的,烟气在塔前喷淋液作用下,烟气中的粉尘被打湿,比重增加,部分发生了凝聚,进入塔内之后在这个巨大的离心力作用下甩向入口对面塔壁面以及下部浆液池液面上,粉尘随之而除去。但是对于气流分布来说是一个不利影响,巨大的回流区的存在使得靠近塔内左右侧壁面的气流速度增加,容易造成气流短路,同时回流区面积的增加还会伴随着能量的消耗,增加了吸收塔的阻力。
烟道底面距液面高度分别为0.7m、1.7m、2.7m、3.7m时进出口压力损失如图12所示,可见0.7m(830.85Pa)和3.7m(843.21Pa)时的压力损失明显大于1.7m、2.7m的压力损失,造成这两个差别的原因是不同的,烟道底面距液面高度0.7m时,液面上方的空间不利于形成回流区,气流几乎是对着入口对面的塔壁面冲过去,在这个过程中大部分的动能损失掉。而3.7m时这个高度很大,形成的回流漩涡区面积最大,相应损失的能量也大。
图12 不同入口烟道距离浆液高度的进出口压力损失
综合考虑塔内流场均匀性和压力损失,最佳的入口烟道距离浆液的高度应该在2.7m附近。
结论
(1)为了得到最佳的塔内气液流场,最佳的烟气入口倾角在9°附近。
(2)为了得到最佳的塔内气液流场,最佳的烟气入口距离浆池液面高度在2.7m附近。
(3)利用计算流体力学软件FLUENT,模拟脱硫塔塔内气液流场情况,进而分析塔内脱硫效率是可行的。
核心关注:拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用,蕴涵了丰富的ERP管理思想,集成了ERP软件业务管理理念,功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理,全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域,是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处:拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题:烧结烟气氨法脱硫塔气液两相流数值模拟研究