雙接觸式液柱塔壓力特性研究

方立軍，常艷超，武 生，胡月龍

（華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

雙接觸式液柱塔壓力特性研究

方立軍，常艷超，武 生，胡月龍

（華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

通過對雙接觸式液柱塔塔內(nèi)床層壓降進(jìn)行試驗研究，回歸了液柱塔干阻壓力損失計算公式。分析了不同管道布置情況下液柱塔床層壓降特性，發(fā)現(xiàn)床層壓降隨著液氣比的增大而增大，煙氣流量增大對塔體霧化床層高度具有一定推動作用。相同液氣比和相同液柱塔高下，床層壓降隨著噴嘴數(shù)量的增加而增大。

雙接觸；液柱塔；床層壓降；液氣比

0 引言

在濕法煙氣脫硫技術(shù)中，雙接觸式液柱噴射煙氣脫硫是最先進(jìn)的一種，具有氣液交融更強(qiáng)烈、效率更高、處理量大、易控制和成本低等特點。

方立軍［1］等提出雙接觸式液柱塔霧化過程由撞擊霧化和碰壁霧化組成，分析了這兩個過程的霧化機(jī)理，并對霧化高度理論公式進(jìn)行了修正，修正之后的理論值和實際值基本吻合。萬偉［2］對雙接觸式液柱塔液滴粒徑分布進(jìn)行了試驗研究，基于試驗液滴部分特征尺寸提出了利用最大熵理論對液滴粒徑進(jìn)行預(yù)估，預(yù)估與試驗數(shù)據(jù)符合較好。何蘇浩［3］對下落液滴對SO2吸收進(jìn)行了試驗和模擬，試驗結(jié)果表明，表面更新作用對于低濃度的強(qiáng)堿的吸收有顯著影響。浙江大學(xué)研究開發(fā)了液柱沖擊煙氣脫硫技術(shù)，即在液柱塔上部增加設(shè)置擋板撞擊破碎脫硫漿液柱，將漿液霧化為細(xì)小液滴，增大氣液接觸面積，提高煙氣脫硫效率。并利用PIV技術(shù)研究了液柱沖擊塔內(nèi)操作參數(shù)對液滴尺寸及運(yùn)動狀態(tài)的影響，認(rèn)為液滴霧化粒徑遵循 Rosin-Rammler分布［4，5］。

對于雙接觸式液柱塔的研究，前人進(jìn)行的理論分析以及試驗大多集中在液柱塔的霧化機(jī)理以及傳質(zhì)吸收部分，而對床層壓降則較少涉及。而床層壓降是雙接觸液柱塔氣液兩相流霧化研究的重要流動特性參數(shù)，也是工程應(yīng)用中主要設(shè)計參數(shù)之一，涉及到對脫硫風(fēng)機(jī)的選取和整個脫硫系統(tǒng)的性能評估［6］。本文通過對雙接觸液柱塔試驗研究，分析管道布置、煙氣流速、液氣比對液柱塔床層壓降的影響。

1 實驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖1。液柱射流塔高為1 750 mm，底截面為長方形，尺寸為120×100 mm2。分別在距離塔底330 mm以及355 mm的位置錯列布置3列與4列管徑為0.01 m的有機(jī)玻璃管，每只管子上面布置5個噴嘴。廢水收集部分是一個500×500×500 mm3的有機(jī)玻璃方盒，其底部分別連出兩個管道用于水量的排出，保證液面的平穩(wěn)，阻礙氣流流出反應(yīng)塔，從而保證參加反應(yīng)的空氣流量與氣體流量計讀數(shù)相吻合。

試驗過程中，三種管道布置方式如圖2所示。試驗采用微壓計對雙接觸式液柱塔塔體壓力進(jìn)行測定，依次在液柱塔塔體從下至上530 mm，630 mm，730 mm，830 mm，930 mm，1 030 mm，1 130 mm，1 230 mm，1 330 mm處開9個測孔。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 無液柱射流時液柱塔床層壓降

圖3是無液柱射流時液柱塔的床層壓降。

圖3 無液柱射流時液柱塔床層壓降Fig.3 Pressure dropof liquid-column tower without jet

由圖3可以看出，不同煙氣速度下，液柱塔的阻力損失也不同，當(dāng)煙氣速度為3.5 m／s時，液柱塔阻力損失為6 Pa，液柱塔阻力損失隨著煙氣流速的增大而增大。當(dāng)氣體速度達(dá)到14.7 m／s時，阻力損失為15 Pa。根據(jù)液柱塔塔體結(jié)構(gòu)，將液柱塔看作一個內(nèi)部光滑的直管。由流體力學(xué)計算公式可得

將式 （1）代入試驗數(shù)據(jù)，計算ζ＝0.054 2，因此雙接觸式液柱塔干阻壓力損失計算公式為

2.2 液柱射流時床層壓降

2.2.1 噴嘴數(shù)量為15時液柱塔床層壓降

噴嘴布置方式如圖2（a）所示，以距離塔底部330 mm處布置三組管徑為10 mm的有機(jī)玻璃管，其中每兩管之間距離20 mm，兩側(cè)管分別距離塔壁30 mm，管上分別布置5個噴嘴，其距離分布為15 mm，20 mm，20 mm，20 mm，20 mm，35 mm。其床層壓降變化趨勢如圖4。

從圖4可以看出，不同液氣比下，液柱塔床層壓降也不同，隨著液氣比增大，液柱塔床層壓降也增大。床層壓降變化的主要原因在于氣液之間劇烈的湍流作用，上升過程中其速度逐漸減小，由壓力速度關(guān)系式p1v1＝p2v2可知塔內(nèi)混合物的運(yùn)動速度減小，則壓強(qiáng)呈現(xiàn)增大狀態(tài)。液柱塔床層壓降在某一高度急劇增大，這與試驗觀察到的液柱塔霧化床層高度相吻合。因此這一高度正是液柱達(dá)到最高點開始霧化時的床層高度。當(dāng)氣流量從100 m3／h增大到150 m3／h，發(fā)現(xiàn)液柱塔的霧化床層高度升高，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是氣流量增大對液柱塔塔體霧化床層高度具有一定的推動作用造成的。

2.2.2 噴嘴數(shù)量為20時液柱塔床層壓降

噴嘴布置如圖2（b）所示。距離塔底部355 mm處布置4組管徑為10 mm的有機(jī)玻璃管，每兩管之間距離20 mm，管上分別布置5個噴嘴，其距離分布為35 mm，20 mm，20 mm，20 mm，20 mm，15 mm。按照設(shè)計工況其床層壓降變化趨勢如圖5。

對比圖5（a）和圖4（a）兩圖，可以發(fā)現(xiàn)相同液氣比和相同液柱塔高下，床層壓降隨著噴嘴數(shù)量的增加而增大。如液氣比qL／qg＝0.003，液柱塔高為630 mm，噴嘴數(shù)量為15個時，床層壓降為22 Pa；當(dāng)噴嘴數(shù)量為20個時，床層壓降增大到32 Pa。同樣當(dāng)液氣比qL／qg＝0.002，液柱塔高為830 mm，床層壓降由噴嘴數(shù)量為15個時的25 Pa，增大到噴嘴數(shù)量為20個時的37 Pa。液氣比增加，實質(zhì)是煙氣氣體速度相對減小。液體動量相對增加，氣液碰撞形成的湍動減弱。與圖4相比，圖5同樣出現(xiàn)了霧化床層高度隨著氣流量增大而增高的情況，這也是氣流增大對霧化床層高度推動作用造成的。

2.2.3 噴嘴數(shù)量為35時液柱塔床層壓降

噴嘴布置如圖2（c）所示。以距離塔底部355 mm及330 mm處，分別布置3組及4組管徑為10mm的有機(jī)玻璃管 （如圖6）。

在圖6中可以發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴數(shù)目增多，同一液柱塔高度的床層壓降進(jìn)一步增大，液氣比qL／qg＝0.003時，液柱塔塔高630 mm處的床層壓降增大至37 Pa。通過圖6（a）、（b）兩圖發(fā)現(xiàn)床層壓降曲線呈現(xiàn)了三個區(qū)間：緩慢增長區(qū)間、急速增長區(qū)間和穩(wěn)定區(qū)間。與前兩種管道布置情況不同的是，在床層曲線急速上升區(qū)間后，出現(xiàn)一個穩(wěn)定區(qū)間。原因在于噴嘴數(shù)目的增加，不僅增大了噴液的范圍，而且不可避免的在塔體內(nèi)部增加了障礙，阻礙了氣流通過。

綜上三種管道布置情況下的床層壓降試驗，可以發(fā)現(xiàn)同一液柱塔高度的床層壓降增大，可以通過增大噴嘴數(shù)量來實現(xiàn)。同時噴嘴數(shù)目增多，更容易在較低的液柱塔高度下實現(xiàn)射流霧化。

3 結(jié)論

（1）發(fā)現(xiàn)液柱塔干阻壓力損失，隨著煙氣流速增加而增大。回歸了無液柱射流時液柱塔干阻壓力損失計算公式。

（2）分析了不同噴嘴組合下液柱塔床層壓降特性，發(fā)現(xiàn)床層壓降隨著液氣比的增大而增大。氣流對塔體霧化床層高度具有一定推動作用。相同液氣比和相同液柱塔高下，床層壓降隨著噴嘴數(shù)量的增加而增大。

（3）液柱塔床層壓降與噴嘴數(shù)目有關(guān)，當(dāng)噴嘴數(shù)量增加到一定時，床層壓降曲線會出現(xiàn)穩(wěn)定區(qū)間。

［1］方立軍，常艷超，胡月龍，等.液柱塔霧化特性研究［J］.電力科學(xué)與工程，2012，28 （2）：46-50.

Fang Lijun，Chang Yanchao，Hu Yuelong，et al.Study on atomization performance of liquid column tower［J］.Electric Power Science and Engineering，2012，28 （2）：46-50.

［2］萬瑋.液柱式濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中液柱噴射性能研究［D］.北京：清華大學(xué)，2003.

［3］何蘇浩.下落堿性液滴對酸性氣體吸收的試驗與建模［D］.北京：清華大學(xué)，2002.

［4］程峰.液柱沖擊塔濕法煙氣脫硫的試驗與理論 ［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［5］王君，高翔，郭瑞堂，等.液柱沖擊塔霧化特性的試驗研究 ［J］.熱能動力工程，2006，21 （3）：275-278，282.

Wang Jun，Gao Xiang，Guo Ruitang，et al.Experimental study of the atomization characteristics of a liquid-column Impingement tower ［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2006，21 （3）：275-278，282.

［6］Thomas W，Wadie F Gohara.Experimental approach and techniques for the evaluation of wet flue gas desulfurization scrubber［J］.Chemical Engineering Science，1994，49 （24A）：4667-4679.

Pressure Characteristics of Double-contact Liquid Column Tower

Fang Lijun，Chang Yanchao，Wu Sheng，Hu Yuelong
（School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Dry resistive pressure loss formula of liquid-column tower is complied by studying bed pressure dropin the dual-contact liquid-column tower through test.It analysed pressure dropcharacteristics of the liquid-column tower bed under the condition of different piping arrangement，found that the pressure dropincreases as the liquid-gas ratio increases.To a certain extent，the increase of flue gas flow rate plays a promoting role on the height of the spray bed of tower body.Under the conditions of the same liquid-gas ratio and the same height of the liquid-column tower，the bed pressure dropincreases as the number of nozzles increases.

double contact；liquid-column tower；pressure drop；liquid-gas ratio

T M621.9

A

2012－05－23。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目 （916021106）。

方立軍 （1971-），男，副教授，研究方向為大氣污染物控制和潔凈煤技術(shù)，通信作者常艷超，E-mail：changyanchao12345＠163.com。