脫硫吸收塔深度除塵氣液固三相模擬研究

葛春亮，蔣 楠，劉文櫸，厲雄峰，李晨朗

（1.浙江天地環保科技股份有限公司，浙江 杭州 311100；2.中國機械設備工程股份有限公司，北京 100055）

近年來我國經濟社會快速發展，同時也產生了持續增長的能源消耗，面臨著嚴重的大氣環境問題，電力行業燃煤產生的SO2和細顆粒物依然是我國大氣環境的主要污染源[1-5]。石灰石-石膏濕法脫硫工藝是目前電力行業運用最為廣泛的一種脫硫技術[4]。研究表明[6]，對于粉塵而言，濕法煙氣脫硫（WFGD）系統的脫除效率能達到60%~80%，但該系統存在著設備投資高、布置場地受限等不足。在后超低排放時代，還需進一步提高脫硫吸收塔協同除塵能力，挖掘吸收塔深度除塵潛力[7-8]。脫硫吸收塔內部流場較為復雜，涉及到氣液固三相介質流動，為了解塔內部流動變化情況、脫硫除塵影響因素及互相之間的關系，需要利用數值模擬技術進行參數分析。

近年來，國內外學者提出的三相流動模型有擬均相模型[9-10]、三流體模型[11]、歐拉-離散相模型[12]等。其中，歐拉-離散相模型針對氣液固各相流動的特點，采用Eulerian-Lagrangian方法，在Euler坐標系中描述連續相的運動，在Lagrangian坐標系中描述離散相的運動，同時考慮離散相與連續相之間的耦合作用，這種模型能夠較好地模擬多相流動。本文將脫硫吸收塔氣相視為連續相，在Euler坐標系下計算流場，將顆粒和液滴視為離散相在Lagrangian坐標系描述其運動軌跡，同時考慮離散相和連續相之間的耦合作用，以及慣性撞擊、攔截和熱泳捕集作用機制，并在此數值模擬基礎上，研究不同運行參數對其脫硫吸收塔的影響，探討脫硫吸收塔深度除塵技術的可行性。

1 模型建立

1.1 物模建立

本文以噴淋脫硫塔中試裝置模型為計算對象，開展脫硫吸收塔除塵系統機理研究，優化吸收塔的協同除塵性能。脫硫塔結構示意如圖1所示。

圖1 脫硫塔結構示意Fig.1 Schematic diagram of the desulfurization tower structure

煙氣攜帶顆粒物從脫硫塔下方的入口進入脫硫塔，經過入口上方的均流增效板后截面煙氣分布更加均勻。煙氣經過噴淋區與噴淋而下的漿液滴逆流接觸反應，漿液滴最終會落入漿液池中。煙氣經過噴淋區除去SO2、顆粒物等污染物后，進入除霧區，將煙氣中攜帶的大部分液滴去除，最后煙氣通過出口煙道排出脫硫塔。

在進行數值計算時，需要對氣液固三相流動情況進行如下基本假設和簡化：1）流動為定常不可壓縮流動；2）壁面絕熱；3）不考慮內部介質化學反應的影響；4）不考慮液滴的碰撞、破碎、聚并；5）近似認為液滴為圓球體形狀，且液滴粒徑不發生改變；6）不考慮除霧器對流場和顆粒物捕集的影響，將均流增效板作為porous-jump處理；7）認為顆粒相對氣液兩相無影響。

1.2 數模建立

對濕法脫硫系統的協同除塵性能進行可靠的數值模擬，必須建立脫硫塔內三相流動的數學模型及其相應的計算方法。首先，建立塔內氣液兩相流模型，進行兩相流動的數值模擬并得到相應的流場信息；然后，加入顆粒物的計算模型進行除塵效率模擬計算。

1.2.1 氣液兩相流動控制方程

考慮氣液兩相的流動特征，采用Eulerian-Lagrangian多相流模型。湍流模型則使用Realizablek-ε模型，該模型在標準k-ε模型的基礎上對正應力進行了一定的數學約束，已經有效應用于包括旋轉均勻剪切流、管道內流動、帶有分離的流動等不同類型的流動模擬。

1.2.2 顆粒相控制方程

在噴淋脫硫塔內除塵效率的計算中，假設固相與氣相間不存在能量交換，顆粒物質量濃度在塔內是連續分布的，因此可以將顆粒物視作氣相的1個組分。考慮對流、擴散等對顆粒的影響，針對計算域內的任意1個控制體，分析顆粒的動態平衡，建立顆粒的輸運方程：

1.2.3 協同除塵模型

本文主要考慮慣性撞擊、攔截和熱泳捕集作用機制對于液滴捕集顆粒物過程的影響，并以此作為濕法脫硫塔內協同除塵效率的計算前提。

根據文獻[13-17]得到在慣性、熱泳和攔截3種機制單獨作用下單液滴對于顆粒的捕集效率公式，計算得到單液滴捕集效率Ein、Eth、Edi。單液滴對于顆粒的總捕集效率E為

將單液滴捕集顆粒物的總效率E通過顆粒匯項引入脫硫塔協同除塵性能的計算中：

根據以上公式建立顆粒物模型，編寫用戶自定義函數導入Ansys軟件，以氣液兩相的計算結果為基礎，進行塔內除塵效率的計算。

2 氣液兩相溫度場分析

煙氣以400 K的初始溫度從脫硫塔入口進入，在塔內的溫度分布如圖2所示，氣液兩相相對溫度縱截面分布如圖3所示。

圖2 氣相溫度縱截面分布Fig.2 The cloud chart of gas phase temperature distribution on the longitudinal section

由圖2可見，縱截面等溫線的分布呈現下凹形狀，形成不同的顏色分區，有明顯的顏色分界。這主要是由于相應位置的液滴體積分數較高，其中凹下去的區域為噴淋層下方的液滴跡線交叉點，而分界線中位置較高的部分處于噴嘴所在的位置，也是液滴的聚集區，因此煙氣在這些區域與液滴發生熱交換失去較多熱量，導致煙氣溫度明顯下降。

由圖3可見：液滴在塔內的溫度變化小，塔內兩相溫差的變化主要受到煙氣溫度變化的影響；噴淋層區域的氣液兩相溫差明顯較高。這主要因為該區域的煙氣溫度高，兩相溫差峰值（76.2 K）位于入口對側壁面處，而隨著塔內高度增加，氣液兩相溫差不斷減小。兩相溫差大，有利于液滴對顆粒的熱泳捕集。

3 運行參數影響分析

模型所采用的顆粒粒徑在0.045～10.000 μm范圍內，分別選取粒徑為0.045、0.085、0.140、0.215、0.330、0.525、0.825、1.300、2.050、3.450、5.600、8.400、10.000 μm的13種不同顆粒。其中，粒徑小于1.300 μm的顆粒物統稱為亞微米級顆粒物，粒徑為1.300~10.000 μm的顆粒物統稱為微米級顆粒物。每次模擬計算只有1種粒徑的顆粒進入脫硫塔內進行脫除效率計算，選取6種重要運行參數（表1），分析其對脫硫塔除塵性能的影響。得到不同影響參數下脫硫塔除塵效率的變化規律，提出合理的運行參數組合方式，用于指導脫硫塔協同除塵性能的優化工作。

表1 6種重要運行參數Tab.1 Six important operation parameters

3.1 液滴粒徑對除塵效率影響

在液滴噴淋量保持不變的情況下，液滴粒徑的減少會使塔內液滴數目有所增加，從而能捕集更多顆粒物。不同粒徑顆粒除塵效率隨液滴粒徑的變化如圖4所示。由圖4可以看出：當顆粒粒徑大于0.825 μm時，隨著液滴粒徑的減小，除塵效率單調遞增；粒徑小于0.525 μm的顆粒隨著液滴直徑的減小，除塵效率會先增加后減小。這是由于減小液滴粒徑的同時會導致液滴的自由沉降速度下降，即塔內氣液兩相之間的相對速度減小，繞流液滴的顆粒量就會減小，因此除塵效率會先增加后減小。

可見，液滴粒徑的變化可以使脫硫塔的協同除塵性能發生較大的改變，因此在優化其除塵性能時，減小噴淋液滴的粒徑可以有效提升粒徑在0.825 μm及以上微米顆粒的除塵效率。

圖4 不同粒徑顆粒除塵效率隨液滴粒徑的變化Fig.4 The influence of droplet diameter on particle remove efficiency

3.2 煙氣流速對除塵效率影響

不同粒徑顆粒除塵效率隨煙氣流速的變化如圖5所示。由圖5可見，塔內除塵效率隨顆粒粒徑的變化趨勢均相同。亞微米顆粒的除塵效率均低于20%；顆粒粒徑從0.825 μm開始增大時，除塵效率開始迅速增加；粒徑在3.450 μm以上的顆粒除塵效率都大于95%；顆粒粒徑增至10.000 μm時，除塵效率達到最大，接近于100%。

圖5 不同粒徑顆粒除塵效率隨煙氣流速的變化Fig.5 The influence of flue gas velocity on particle remove efficiency

由此可見，煙氣流速的提升雖然對塔內顆粒物的去除有一定的促進作用，但是對亞微米顆粒物除塵效率提升效果不顯著。受慣性捕集機制的影響，氣液相對速度升高后，單液滴慣性捕集效率升高，1.300 μm和2.050 μm粒徑顆粒的捕集效率得到提升。但煙氣流速并不能一味增加，需考慮整體脫硫系統的煙氣量及塔徑，因此煙氣流速變化幅度較小。

3.3 液氣比對除塵效率影響

不同粒徑顆粒除塵效率隨液氣比的變化如圖6所示。

圖6 不同粒徑顆粒除塵效率隨液氣比的變化Fig.6 The influence of liquid-to-gas ratio on particle remove efficiency

由圖6可見，粒徑范圍在0.525 μm及以下顆粒，隨著液氣比的增加，其除塵效率的變化幅度較小，主要是因為液滴對粉塵的捕集效率較低，所以液滴數目增加對于除塵效率的提升也比較緩慢。在液氣比從10.00 L/m3升高到25.00 L/m3時，粒徑為0.825、1.300、2.050 μm顆粒的除塵效率增加最多，分別從10.65%、30.84%、73.06%升高到20.95%、57.68%、95.36%，且增加的幅度隨著液氣比增加而逐漸放緩。對于微米級顆粒，塔內的單液滴捕集效率高，因此液氣比增加時，液滴數目增多，塔內顆粒物的累計捕集效果得到明顯提升。對于5.000 μm以上的大顆粒，單液滴的捕集效率很高，盡管液氣比降低到10.00 L/m3，除塵效率依然高達99.9%以上。

可見，液氣比的提升有助于各粒徑段在塔內脫除效率的提升，但是液氣比增加到一定數值時，繼續增加液氣比不再有助于除塵效率的繼續升高，此時需要從系統的經濟性出發優化脫硫塔性能。

3.4 噴淋參數對除塵效率影響

噴淋參數主要包括噴淋速度、噴淋層數及噴淋溫度。通過調節各個噴淋參數來探究對脫硫塔內除塵效率的影響。圖7為不同粒徑顆粒除塵效率隨初始噴淋速度的變化。由圖7可見，液滴初始速度增加不利于亞微米顆粒物的脫除，且液滴速度的改變對微米級顆粒捕集效率的提升也有限。因此，不建議通過改變初始噴淋速度來優化脫硫塔對顆粒物的捕集作用效果。

圖7 不同粒徑顆粒除塵效率隨初始噴淋速度的變化Fig.7 The influence of initial spray speed on particle remove efficiency

圖8 為不同粒徑顆粒除塵效率隨噴淋層數的變化。由圖8可見，在保證液氣比不變的前提下，增加噴淋層數，液滴作用的區域體積增加，使得液滴分布更加均勻，擴大了顆粒與液滴接觸的區域，使得顆粒有更多的停留時間被液滴捕集，但除塵效率變化并不十分明顯。另外，噴淋層數受脫硫塔整體建筑高度所限，以及工程造價的制約，變化幅度有限。

圖9 為不同粒徑顆粒除塵效率隨初始噴淋溫度的變化。氣液兩相溫差是決定單液滴對顆粒物熱泳捕集作用的主要影響參數，液滴初始溫度的變化通過改變氣液兩相溫差從而改變了塔內液滴對顆粒物的熱泳捕集作用強弱。由圖9可見：初始噴淋溫度的變化對亞微米顆粒的脫除影響較大，這是由于亞微米級顆粒物的捕集以熱泳捕集機制為主導；但是初始噴淋溫度的變化對微米級顆粒的脫除并無顯著影響。

圖9 不同粒徑顆粒除塵效率隨初始噴淋溫度的變化Fig.9 The influence of initial spray temperature on particle remove efficiency

4 結 論

1）典型工況下，整體脫硫塔對亞微米級顆粒物的捕集效率較低，其效率在10%左右。在氣液兩相溫差和液滴體積分數共同影響下，塔內顆粒物捕集主要依靠熱泳機制而被液滴捕集。溫差較大的塔體下半部分和噴淋層下方的液滴聚集處是亞微米級顆粒物被捕集的主要區域。

2）噴淋過程對微米級顆粒物的捕集效率更高，其在脫硫塔內的捕集主要受到氣液兩相溫差和液滴體積分數的影響，慣性捕集是液滴捕集微米級顆粒物的最主要機制，全塔的除塵效率達99.98%以上。微米級顆粒被捕集的主要區域為顆粒數濃度下降很快的塔體下半部分、噴淋層下方的液滴聚集處以及吸收塔壁面附近氣液兩相相對速度較大的區域。

3）在亞微米及微米級過渡區間（粒徑1.300~2.050 μm）的顆粒物，同時受到熱泳和慣性捕集機制的影響，其運行參數的變動會較為敏感。

4）減小液滴粒徑，是提升不同粒徑顆粒物除塵效率的最佳方式，液滴直徑小于1 mm時除塵效果最佳。塔內煙氣流速的增加對微米級顆粒除塵效率的提升效果較為顯著，滿負荷時除塵性能相對最好。液氣比的升高對微米級顆粒的除塵效果有一定的增強作用，但是持續的升高液氣比對除塵效率影響不大，建議該塔液氣比不超過20.00 L/m3。

5）噴淋參數即噴淋速度、噴淋層數和噴淋溫度，對其除塵效率的影響并不十分顯著。考慮到工程造價的制約及經濟因素，保持在典型工況下的相關參數即可。