黃孟旗

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

流程工業(yè)中經(jīng)常涉及到2種或多種流體的混合，根據(jù)流體相態(tài)的不同可以分為均相混合和非均相混合。均相混合是指需混合的各流體均為同相，如氣氣混合、液液混合；非均相混合是指混合前的流體為不同相，如氣液混合、氣固混合、液固及氣液固混合?；旌掀鞲鶕?jù)混合動力的不同，可以分為靜態(tài)混合器和動態(tài)混合器。靜態(tài)混合器由于結(jié)構(gòu)簡單、無機械轉(zhuǎn)動件、可靠性高而得到廣泛應用。不同應用場合下混合器的壓降、流速等參數(shù)可能有所差別，但其基本要求是相同的，即各流體的壓降和混合距離盡量短、經(jīng)過混合器后各流體盡量混合均勻。

為了確保流體的高效均勻混合，在不同的應用場合下需要根據(jù)相應要求設計合適的混合器。如對于高壓氣氣混合，由于壓力較高、氣體密度較大、同等質(zhì)量的氣體高壓與低壓相比，使氣體管徑較小，可以有較長的混合距離，容易混合均勻，且允許有一定的壓降，該場合混合器結(jié)構(gòu)較為簡單，通常采用三通管道型混合器即可以滿足要求。對于石油化工行業(yè)中常用的液液混合，其要求與高壓氣氣混合接近，通常也采用管道混合器，有10～20 倍管道直徑的混合距離即可滿足要求。但對于大流量、低壓氣氣混合，由于壓力較低、 氣體密度較小， 因而氣體實際體積流量和管徑均較大， 難以實現(xiàn)較長的混合距離， 且允許壓降較低， 因此均勻混合的難度較大。本文主要對大流量、低壓氣氣靜態(tài)混合器的設計和應用進行討論和分析。

1 煙氣混合器要求

通常，煙氣脫硫技術(shù)可分為濕法、干法和半干法等。由于多方面原因，濕法工藝一直占據(jù)主導地位，其市場占比超過90%。近年來，隨著環(huán)保標準的持續(xù)提高，濕法工藝技術(shù)所帶來的腐蝕、廢水處理、藍煙拖尾和白色煙羽等問題也日益突出。與此同時，半干法和干法工藝技術(shù)可從根本上避免濕法工藝技術(shù)存在的上述問題。其中，干法工藝主要以活性焦干法脫硫技術(shù)為主，由于其具有不耗水、不產(chǎn)生脫硫廢水、硫資源可回收利用、無二次污染等突出優(yōu)勢而備受關(guān)注。

在活性焦干法脫硫工藝技術(shù)開發(fā)中，需要將溫度較高的原煙氣和溫度較低的凈煙氣進行混合，以降低混合后煙氣的溫度，滿足下游吸附塔入口溫度的要求【1-2】。以某煉廠催化裂化裝置的再生煙氣凈化為例，其原煙氣和凈煙氣的組成及性質(zhì)見表1。

根據(jù)工藝要求，原煙氣和凈煙氣混合后溫度需降至約150 ℃。由于原煙氣和凈煙氣的溫差達160 ℃，如果混合器內(nèi)的混合不均勻，可能會導致原煙氣被局部過冷。根據(jù)表1中原煙氣的H2O、SOx濃度可以得出其露點溫度為135～140 ℃。雖然混合后的溫度高于其露點溫度，但混合過程中如果原煙氣被局部過冷，可能會使該區(qū)域內(nèi)溫度低于露點溫度，從而帶來露點腐蝕等相關(guān)問題，影響裝置的長周期穩(wěn)定運行。因此，需要開發(fā)高效的混合器，確?；旌掀鲀?nèi)原煙氣溫度逐漸降低，且混合過程不存在局部過冷區(qū)，以避免露點腐蝕。同時，由于煙氣壓力接近常壓，體積流量和煙道直徑均較大，考慮到投資和現(xiàn)場占地等因素的限制，煙氣混合器在保證混合均勻的前提下應盡量縮小尺寸，減小壓降。

表1 某煉廠原煙氣和凈煙氣的組成及性質(zhì)

2 新型高效煙氣混合器的開發(fā)

高、低溫氣體的混合通常采用三通管道型混合器(如圖1所示)。這種結(jié)構(gòu)的混合器內(nèi)氣體容易偏流，需經(jīng)過較長的直管段才能保證混合均勻。如采用該型式的混合器對原煙氣和凈煙氣進行混合，溫度較低的凈煙氣與溫度較高的原煙氣直接接觸，混合過程中，偏流會導致部分原煙氣局部過冷，使得局部區(qū)域的溫度低于其露點溫度，從而帶來露點腐蝕問題，影響裝置的長周期穩(wěn)定運行。

為了滿足煙氣混合的工藝要求，經(jīng)過詳細分析、研究和計算，提出了一種新型高效煙氣混合器，其結(jié)構(gòu)示意見圖2。該煙氣混合器采用近似于套管的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設有錐形氣體分布器，在錐體周向上均勻開孔。原煙氣從側(cè)面進入混合室，凈煙氣通過錐形分布器進入混合室。由于凈煙氣體積流量較小， 而且是逐漸從錐段分布器向原煙氣中擴散， 混合時凈煙氣的流量遠遠小于原煙氣的流量， 因此可以有效避免原煙氣被局部驟冷， 實現(xiàn)原煙氣均勻、 平緩地降溫，降低酸露點腐蝕的風險。

圖1 三通管道型混合器

圖2 新型高效煙氣混合器結(jié)構(gòu)示意

3 煙氣混合器的模擬計算及應用

為了驗證新型的煙氣混合器的流體混合效果，針對表1中兩流體組成和性質(zhì)，采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法對圖1和圖2所示的2種結(jié)構(gòu)的煙氣混合器進行了數(shù)值模擬計算，其速度分布計算結(jié)果分別見圖3和圖4，溫度分布結(jié)果分別見圖5和圖6，下面分別予以討論。

3.1 速度分布分析

從圖3可以看出，三通結(jié)構(gòu)橫向進口的煙氣速度較大，直接沖入對面煙道內(nèi)壁，并且在靠近橫向進口的下部區(qū)域出現(xiàn)體積較大的速度較小區(qū)域， 同時在90°彎頭上部區(qū)域出現(xiàn)速度較大的區(qū)域。而由圖4可知， 由于設置了凈煙氣錐段分布器，其對入口的原煙氣具有阻擋作用， 使得橫向進口下部速度較小區(qū)域的體積減小， 90°彎頭上部區(qū)域的速度降低， 有利于原煙氣和凈煙氣的有效混合。

圖3 三通結(jié)構(gòu)速度分布云圖

圖4 新型結(jié)構(gòu)速度分布云圖

圖5 三通結(jié)構(gòu)計算得出的兩流體混合的溫度分布云圖

3.2 溫度分布分析

由圖5可知，由于凈煙氣直接與原煙氣混合，混合器內(nèi)的較大范圍內(nèi)存在明顯的高溫-低溫分界面，混合器內(nèi)靠近原煙氣入口側(cè)的高溫區(qū)溫度為200～220 ℃，而遠離原煙氣入口側(cè)的低溫區(qū)溫度僅85～110 ℃，表明混合器內(nèi)的混合并不均勻，在較長的接觸范圍內(nèi)的混合效果較差。在混合界面上，溫度較高、含SO2和SO3的原煙氣能夠在較大范圍內(nèi)接觸到溫度較低的凈煙氣區(qū)域，這部分原煙氣的溫度可能會快速降低至露點溫度以下。同時，混合器內(nèi)遠離原煙氣入口側(cè)的內(nèi)壁溫度較低，容易導致管內(nèi)壁結(jié)酸結(jié)露，帶來露點腐蝕等問題，影響裝置的長周期穩(wěn)定運行。經(jīng)過計算，該結(jié)構(gòu)混合器原煙氣側(cè)的壓降為50 Pa，凈煙氣側(cè)為130 Pa，壓降較低。

圖6 新型結(jié)構(gòu)計算得出的兩流體混合的溫度分布云圖

由圖6可知， 由于在混合室內(nèi)部設置了錐形流體分布器， 凈煙氣是通過錐形分布器逐步擴散到原煙氣中的， 混和室內(nèi)四周溫度高， 中心錐形分布器附近溫度低，溫度界面僅存在于錐形分布器附近的一小部分區(qū)域內(nèi)， 在較短的距離內(nèi)即可實現(xiàn)兩股流體的充分混合。在整個混合器內(nèi)， 溫度較高、含SO2和SO3的原煙氣沒有被驟然冷卻， 原煙氣側(cè)溫度分布也比較均勻， 混合室壁面無明顯低溫區(qū)， 從而降低了混合室內(nèi)出現(xiàn)露點腐蝕的風險。此外， 通過計算， 該煙氣混合器原煙氣側(cè)壓降約為60 Pa， 凈煙氣側(cè)壓降約為420 Pa， 與現(xiàn)有三通結(jié)構(gòu)相比，原煙氣側(cè)壓降僅增加10 Pa， 凈煙氣側(cè)增加了290 Pa。由于凈煙氣側(cè)設有單獨的引風機， 且煙氣量相對較小， 其所增加的壓降對于電耗的增加幅度很小，可以滿足工藝要求。

該新型煙氣混合器已經(jīng)申請國家專利，并在北京燕山石化催化煙氣干法脫硫裝置上獲得了工業(yè)應用。目前該項目正在建設中，實際應用效果

需待裝置投產(chǎn)后進一步驗證。同時，對該煙氣混合器設置了保溫和伴熱設施，避免由于散熱導致混合器壁溫降低所帶來的露點腐蝕等問題，確保該混合器的長周期穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

在活性焦干法脫硫工藝技術(shù)開發(fā)過程中， 根據(jù)原煙氣和凈煙氣的混合要求， 經(jīng)過對原煙氣和凈煙氣組成性質(zhì)的差異進行分析， 研究開發(fā)了新型煙氣混合器。由于新型煙氣混合器設置了錐形分布器， 使得凈煙氣能夠逐漸向原煙氣中擴散， 混合器內(nèi)速度和溫度分布更加均勻， 可有效防止氣體混合過程中出現(xiàn)低溫區(qū)。與現(xiàn)有三通型混合器相比， 可有效避免露點腐蝕， 同時提高混合效率； 雖然凈煙氣側(cè)壓降有所增加， 但其增加幅度有限， 所帶來的電耗增加量很小， 可以滿足工藝要求。