旋轉噴霧干燥法脫硫優化數值模擬

趙 毅，賈里楊，劉 侃

(華北電力大學 環境科學與工程系 ,河北 保定 071003)

當前我國對煙氣中污染物的排放限制越來越嚴格，煙氣的凈化成為最熱門的研究課題之一。我國的鋼鐵行業規模巨大，污染物排放量也很大。研究表明鋼鐵行業排放的SO2超過40%是在燒結、球團工序中產生的。旋轉噴霧干燥法(SDA)脫硫工藝在鋼鐵行業中的應用比較廣泛，因此對SDA塔進行改進，提升其脫硫效率可以有效降低鋼鐵行業的SO2排放，有重要的現實意義[1-3]。

本文根據CFD技術的相關理論模型，通過對SDA脫硫塔內部煙氣流動性質、噴淋漿液離散項以及涉及到的化學反應的分析，利用CFD模擬軟件對實際脫硫塔進行數值仿真模擬。將模擬分析結果與實際工程現場測試數據進行對比與驗證，逐步優化計算模型，并嘗試提出新的改進方案，指導實際工程改造[4-6]。

1 數理模型的建立

1.1 湍流模型

本文采用Realizable 模型，該模型可以看做是一個自帶旋流修正的標準 模型，公式如下：

式中，Gk是由層流速度梯度產生的湍流動能，Gb是由浮力產生的湍流動能， 是由于在可壓縮湍流中，過度的擴散產生的波動，C2，C1ε是常量，σk和σε是k方程和ε方程的湍流普朗特數。

1.2 離散相模型

旋轉噴霧干燥法的原理是通過高速旋轉的霧化器，將吸收漿液霧化成細小霧滴，與煙氣中的污染物進行反應，對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，進入中心旋流室，在旋流室內，液體被擠壓到壁面，在流體中央產生空氣柱，之后，液體形成不穩定的薄膜并從噴口噴出，破碎成絲狀物和液滴。計算過程為：(1)首先計算連續相流場；(2)之后計算從每個噴射源開始的顆粒軌道，從而在計算域中引入離散相；(3)使用已得到的顆粒計算結果中的相間動量、熱量、質量交換項重新計算連續相流場；(4)計算修正后的連續相流場中的顆粒軌跡；(5)重復(3)、(4)兩個步驟，直到獲得收斂解。

1.3 組分運輸和反應模型

1.3.1 組分運輸模型

Fluent中通過解第 種物質的對流擴散方程計算每種物質的質量分數，方程如下：

(3)

其中Ri是化學反應的凈產生速率， Si為離散相及用戶定義的源項產生的額外速率。在系統中存在 種物質時，需要解 個方程，第 種物質的質量分數則是用 減 個已經解出的質量分數得到的。

1.3.2 化學反應模型

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算化學反應速率，忽略湍流的影響。這一模型能夠準確模擬層流中的反應，但在湍流中阿倫尼烏斯化學動力學是高度非線性的，會影響準確性。一般來說，對于化學反應比較緩慢、湍流比較小的情況，該模型是適用的。組分 的化學反應速率可以通過有其參加的 個化學反應的阿倫尼烏斯反應源和計算得到：

(4)

其中Mw,i是第i種物質的分子量，為第i種物質在第r個反應中的產生/分解速率。反應可能發生在連續相之間，或是在表面沉積的壁面處，或是在一種連續相物質中[7-10]。

2 模擬的對象與條件

2.1 模擬對象

本文以唐鋼青龍爐料公司220萬t/a鏈篦機-回轉窯的旋轉噴霧塔為模擬對象，忽略塔內復雜結構以及其他設備的影響，建立1∶1模型。旋轉噴霧塔空塔直徑15m，塔高32m。燒結煙氣分別通過塔頂和塔中央的進氣口進入塔內，吸收漿液由位于塔頂的旋轉霧化器噴灑，分散成均勻的細小液滴，與塔內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塔的參數如表1所示。

2.2 網格劃分

由于計算區域比較復雜，本文采用非結構化網格，并對網格獨立性進行了分析，綜合考慮后分為3194961個網格，如圖1所示。

表1 SDA塔的基本物理參數

圖1 SDA塔立體圖

3 結果及討論

3.1 模型的驗證

為驗證模型是否正確，根據旋轉噴霧塔的現場運行工況，對使用Ca(OH)2作為吸收劑的煙氣脫硫過程進行數值模擬，模擬結果如圖2所示。

將出口模擬結果與現場檢測值進行對比由表2可知，出口煙氣溫度和SO2的模擬結果與實際很接近，而SO3的模擬結果誤差稍大，原因是本文對整個脫硫過程做出了一定的簡化，忽略了塔內復雜結構以及其他設備的影響。模擬結果也證明了本文建立的模型是準確的，該模型可以用于下一步的研究。

圖2 SDA塔運行模擬圖

表2 SDA塔的檢測值與模擬值

3.2 操作參數對脫硫效率的影響

3.2.1 進氣量對脫硫效率的影響

改變進氣量，當進氣量為300000～700000m3/h時，旋轉噴霧塔對SO2和SO3的脫除效率如圖3所示。由圖3可知，當進氣量小于500000m3/h時，脫硫效率會隨進氣量增加而減小，而當進氣量大于500000m3/h時，再增加進氣量，脫硫效率也不會發生明顯變化。原因是增加進氣量會使煙氣流速變大，進而縮短煙氣在旋轉噴霧塔中的停留時間。但是煙氣流速變大也可以使煙氣流動更加有序，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的反應進行。因此在旋轉噴霧塔的設計工況內增加進氣量，脫硫效率會先降低，后保持穩定。

3.2.2 漿液Ca(OH)2濃度對脫硫效率的影響

在進氣量為700000m3/h時，改變漿液中Ca(OH)2濃度，當Ca(OH)2質量分數為0.045～0.225時，旋轉噴霧塔對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SO3的脫除效果比較好，當Ca(OH)2質量分數為0.135時，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，因此在實際運行中，考慮到成本問題，漿液中Ca(OH)2濃度不需要太高。

圖3 進氣量與脫硫效率關系圖 圖4 Ca(OH)2質量分數與脫硫效率關系圖

3.2.3 旋轉霧化器布置方式對脫硫效率的影響

本文研究的SDA塔旋轉霧化器位于圖1中坐標系的原點。在進氣量為700000m3/h，Ca(OH)2濃度為0.135時，布置兩個旋轉霧化器，每個的流量為原來的二分之一，分別位于(3m,0,0)，(-3m,0,0)，模擬結果表明，此時SO2脫除效率為85.11%，SO3脫除效率為99.38%；若將兩個旋轉霧化器分別布置在(0,3m,0)，(0,-3m,0)，則SO2脫除效率為87.41%，SO3脫除效率為99.63%；而單個旋轉霧化器SO2脫除效率為82.96%，SO3脫除效率為99.28%。可見旋轉霧化器分開布置能夠有效提高脫硫效率。這是因為分開布置后，各個旋轉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象，增加噴霧的停留時間，有利于Ca(OH)2吸收SO2和SO3的反應進行。

將四個旋轉霧化器分別布置在(3m,3m,0)，(-3m,3m,0)，(-3m,-3m,0)，(3m,-3m,0)，每個旋轉霧化器流量為原來的四分之一，模擬結果為SO2脫除效率為89.27%，SO3脫除效率為99.76%。若將四個旋轉霧化器分別布置在(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%。脫硫效率比兩個旋轉霧化器時進一步提升。模擬結果對比如表3所示。

表3 改變旋轉霧化器布置模擬結果對比

4 結論

(1)在旋轉噴霧塔的設計工況內增加進氣量，脫硫效率會先降低，超過500000m3/h后保持穩定。

(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。