趙 毅，賈里楊，劉 侃

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系 ,河北 保定 071003)

當(dāng)前我國對(duì)煙氣中污染物的排放限制越來越嚴(yán)格，煙氣的凈化成為最熱門的研究課題之一。我國的鋼鐵行業(yè)規(guī)模巨大，污染物排放量也很大。研究表明鋼鐵行業(yè)排放的SO2超過40%是在燒結(jié)、球團(tuán)工序中產(chǎn)生的。旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法(SDA)脫硫工藝在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用比較廣泛，因此對(duì)SDA塔進(jìn)行改進(jìn)，提升其脫硫效率可以有效降低鋼鐵行業(yè)的SO2排放，有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

本文根據(jù)CFD技術(shù)的相關(guān)理論模型，通過對(duì)SDA脫硫塔內(nèi)部煙氣流動(dòng)性質(zhì)、噴淋漿液離散項(xiàng)以及涉及到的化學(xué)反應(yīng)的分析，利用CFD模擬軟件對(duì)實(shí)際脫硫塔進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。將模擬分析結(jié)果與實(shí)際工程現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與驗(yàn)證，逐步優(yōu)化計(jì)算模型，并嘗試提出新的改進(jìn)方案，指導(dǎo)實(shí)際工程改造[4-6]。

1 數(shù)理模型的建立

1.1 湍流模型

本文采用Realizable 模型，該模型可以看做是一個(gè)自帶旋流修正的標(biāo)準(zhǔn) 模型，公式如下：

式中，Gk是由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能， 是由于在可壓縮湍流中，過度的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)，C2，C1ε是常量，σk和σε是k方程和ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)。

1.2 離散相模型

旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法的原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的霧化器，將吸收漿液霧化成細(xì)小霧滴，與煙氣中的污染物進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)此可以將液相視為離散相顆粒，并采用壓力-旋流霧化噴嘴進(jìn)行模擬。

壓力-旋流霧化噴嘴的工作流程是流體通過旋流片加速后，進(jìn)入中心旋流室，在旋流室內(nèi)，液體被擠壓到壁面，在流體中央產(chǎn)生空氣柱，之后，液體形成不穩(wěn)定的薄膜并從噴口噴出，破碎成絲狀物和液滴。計(jì)算過程為：(1)首先計(jì)算連續(xù)相流場；(2)之后計(jì)算從每個(gè)噴射源開始的顆粒軌道，從而在計(jì)算域中引入離散相；(3)使用已得到的顆粒計(jì)算結(jié)果中的相間動(dòng)量、熱量、質(zhì)量交換項(xiàng)重新計(jì)算連續(xù)相流場；(4)計(jì)算修正后的連續(xù)相流場中的顆粒軌跡；(5)重復(fù)(3)、(4)兩個(gè)步驟，直到獲得收斂解。

1.3 組分運(yùn)輸和反應(yīng)模型

1.3.1 組分運(yùn)輸模型

Fluent中通過解第 種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程計(jì)算每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，方程如下：

(3)

其中Ri是化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率， Si為離散相及用戶定義的源項(xiàng)產(chǎn)生的額外速率。在系統(tǒng)中存在 種物質(zhì)時(shí)，需要解 個(gè)方程，第 種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則是用 減 個(gè)已經(jīng)解出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到的。

1.3.2 化學(xué)反應(yīng)模型

本文采用層流有限速率模型，該模型使用阿倫尼烏斯公式計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率，忽略湍流的影響。這一模型能夠準(zhǔn)確模擬層流中的反應(yīng)，但在湍流中阿倫尼烏斯化學(xué)動(dòng)力學(xué)是高度非線性的，會(huì)影響準(zhǔn)確性。一般來說，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)比較緩慢、湍流比較小的情況，該模型是適用的。組分 的化學(xué)反應(yīng)速率可以通過有其參加的 個(gè)化學(xué)反應(yīng)的阿倫尼烏斯反應(yīng)源和計(jì)算得到：

(4)

其中Mw,i是第i種物質(zhì)的分子量，為第i種物質(zhì)在第r個(gè)反應(yīng)中的產(chǎn)生/分解速率。反應(yīng)可能發(fā)生在連續(xù)相之間，或是在表面沉積的壁面處，或是在一種連續(xù)相物質(zhì)中[7-10]。

2 模擬的對(duì)象與條件

2.1 模擬對(duì)象

本文以唐鋼青龍爐料公司220萬t/a鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)噴霧塔為模擬對(duì)象，忽略塔內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及其他設(shè)備的影響，建立1∶1模型。旋轉(zhuǎn)噴霧塔空塔直徑15m，塔高32m。燒結(jié)煙氣分別通過塔頂和塔中央的進(jìn)氣口進(jìn)入塔內(nèi)，吸收漿液由位于塔頂?shù)男D(zhuǎn)霧化器噴灑，分散成均勻的細(xì)小液滴，與塔內(nèi)的煙氣混合以脫除其中的二氧化硫和三氧化硫。脫硫后的煙氣從塔下方的出口排出，灰塵由底部灰斗定期排出。SDA塔的參數(shù)如表1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

由于計(jì)算區(qū)域比較復(fù)雜，本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行了分析，綜合考慮后分為3194961個(gè)網(wǎng)格，如圖1所示。

表1 SDA塔的基本物理參數(shù)

圖1 SDA塔立體圖

3 結(jié)果及討論

3.1 模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型是否正確，根據(jù)旋轉(zhuǎn)噴霧塔的現(xiàn)場運(yùn)行工況，對(duì)使用Ca(OH)2作為吸收劑的煙氣脫硫過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖2所示。

將出口模擬結(jié)果與現(xiàn)場檢測值進(jìn)行對(duì)比由表2可知，出口煙氣溫度和SO2的模擬結(jié)果與實(shí)際很接近，而SO3的模擬結(jié)果誤差稍大，原因是本文對(duì)整個(gè)脫硫過程做出了一定的簡化，忽略了塔內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及其他設(shè)備的影響。模擬結(jié)果也證明了本文建立的模型是準(zhǔn)確的，該模型可以用于下一步的研究。

圖2 SDA塔運(yùn)行模擬圖

表2 SDA塔的檢測值與模擬值

3.2 操作參數(shù)對(duì)脫硫效率的影響

3.2.1 進(jìn)氣量對(duì)脫硫效率的影響

改變進(jìn)氣量，當(dāng)進(jìn)氣量為300000～700000m3/h時(shí)，旋轉(zhuǎn)噴霧塔對(duì)SO2和SO3的脫除效率如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)進(jìn)氣量小于500000m3/h時(shí)，脫硫效率會(huì)隨進(jìn)氣量增加而減小，而當(dāng)進(jìn)氣量大于500000m3/h時(shí)，再增加進(jìn)氣量，脫硫效率也不會(huì)發(fā)生明顯變化。原因是增加進(jìn)氣量會(huì)使煙氣流速變大，進(jìn)而縮短煙氣在旋轉(zhuǎn)噴霧塔中的停留時(shí)間。但是煙氣流速變大也可以使煙氣流動(dòng)更加有序，使氣液混合得更加均勻，增加氣相與液相的接觸，有利于Ca(OH)2吸收SO2和SO3的反應(yīng)進(jìn)行。因此在旋轉(zhuǎn)噴霧塔的設(shè)計(jì)工況內(nèi)增加進(jìn)氣量，脫硫效率會(huì)先降低，后保持穩(wěn)定。

3.2.2 漿液Ca(OH)2濃度對(duì)脫硫效率的影響

在進(jìn)氣量為700000m3/h時(shí)，改變漿液中Ca(OH)2濃度，當(dāng)Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.045～0.225時(shí)，旋轉(zhuǎn)噴霧塔對(duì)SO2和SO3的脫除效率如圖4所示。顯然隨著Ca(OH)2濃度的增加脫硫效率逐漸提高，而且對(duì)SO3的脫除效果比較好，當(dāng)Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.135時(shí)，SO3的脫除效率超過了99%。從圖4中可以看出，隨著Ca(OH)2濃度增大，SO2和SO3的脫除效率增長的趨勢逐漸減緩，因此在實(shí)際運(yùn)行中，考慮到成本問題，漿液中Ca(OH)2濃度不需要太高。

圖3 進(jìn)氣量與脫硫效率關(guān)系圖 圖4 Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)與脫硫效率關(guān)系圖

3.2.3 旋轉(zhuǎn)霧化器布置方式對(duì)脫硫效率的影響

本文研究的SDA塔旋轉(zhuǎn)霧化器位于圖1中坐標(biāo)系的原點(diǎn)。在進(jìn)氣量為700000m3/h，Ca(OH)2濃度為0.135時(shí)，布置兩個(gè)旋轉(zhuǎn)霧化器，每個(gè)的流量為原來的二分之一，分別位于(3m,0,0)，(-3m,0,0)，模擬結(jié)果表明，此時(shí)SO2脫除效率為85.11%，SO3脫除效率為99.38%；若將兩個(gè)旋轉(zhuǎn)霧化器分別布置在(0,3m,0)，(0,-3m,0)，則SO2脫除效率為87.41%，SO3脫除效率為99.63%；而單個(gè)旋轉(zhuǎn)霧化器SO2脫除效率為82.96%，SO3脫除效率為99.28%。可見旋轉(zhuǎn)霧化器分開布置能夠有效提高脫硫效率。這是因?yàn)榉珠_布置后，各個(gè)旋轉(zhuǎn)霧化器的噴霧之間能夠互相混合，使氣液分布更加均勻，還能有效減少噴霧的貼壁現(xiàn)象，增加噴霧的停留時(shí)間，有利于Ca(OH)2吸收SO2和SO3的反應(yīng)進(jìn)行。

將四個(gè)旋轉(zhuǎn)霧化器分別布置在(3m,3m,0)，(-3m,3m,0)，(-3m,-3m,0)，(3m,-3m,0)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)霧化器流量為原來的四分之一，模擬結(jié)果為SO2脫除效率為89.27%，SO3脫除效率為99.76%。若將四個(gè)旋轉(zhuǎn)霧化器分別布置在(4.24m,0,0)，(-4.24m,0,0)，(0,4.24m,0)，(0,-4.24m,0)，則模擬結(jié)果為SO2脫除效率為89.48%，SO3脫除效率為99.74%。脫硫效率比兩個(gè)旋轉(zhuǎn)霧化器時(shí)進(jìn)一步提升。模擬結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 改變旋轉(zhuǎn)霧化器布置模擬結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)在旋轉(zhuǎn)噴霧塔的設(shè)計(jì)工況內(nèi)增加進(jìn)氣量，脫硫效率會(huì)先降低，超過500000m3/h后保持穩(wěn)定。

(2)增加Ca(OH)2濃度，SO2和SO3的脫除效率逐漸上升，上升趨勢逐漸減緩。

(3)將旋轉(zhuǎn)霧化器分開布置能夠在不增加Ca(OH)2使用量的情況下有效提高脫硫效率。