SDS管道噴射段脫硫的數(shù)值模擬與優(yōu)化

＊安泰 吳亞妮 王昆*

（1.兗礦能源集團股份有限公司濟寧二號煤礦安全監(jiān)察處 山東 272100 2.兗礦集團潔凈煤技術工程研究中心 山東 272100）

引言

鈉基干法脫硫（Sodium-based dry Desulfurization System，SDS）源自于上世紀80年代比利時的SDS干法脫酸噴射技術，在歐洲發(fā)展迅速[1]，相對而言，國內因脫硫劑NaHCO3的生產成本較高及脫硫劑研磨機主要為進口產品等原因，對SDS脫硫技術的研究和應用較少[2-3]。隨著國家對環(huán)保排放要求的日趨嚴格及企業(yè)污染治理力度的增大，很多先進的脫硫工藝應用于實際工程項目，其中，SDS工藝因具有脫硫效率高、煙氣溫降小、占地少、運行費用低、無廢水等特點，目前已應用于包括焦化、燃煤電廠、危險廢物焚燒爐、柴油發(fā)電等多種行業(yè)并都取得了很好的凈化效果[4-5]。

SDS工藝系統(tǒng)一般由脫硫劑研磨系統(tǒng)、煙道及反應器系統(tǒng)、布袋除塵系統(tǒng)及氣力輸灰系統(tǒng)構成，在滿足脫硫反應所需時間要求的前提下，脫硫反應器可由煙道替代，從而不再單獨設置脫硫反應器[6]。現(xiàn)有工程應用結果表明，SDS工藝脫硫效率受溫度[4]、煙氣負荷[7]、粒徑及鈉硫比（NSR）[2]等因素影響，總體而言，溫度控制在180～220℃、脫硫劑粒徑小于20μm、NSR值為0.9～1.1時，SDS工藝可獲得較優(yōu)的脫硫效果。李堅等人[8]的實驗結果也表明，溫度與NSR是SDS工藝脫硫效率的主要影響因素，脫硫效率隨溫度的升高呈先下降后穩(wěn)定的趨勢，隨NSR的增大呈先增加后穩(wěn)定的規(guī)律。如果在噴射段增加文丘里管，管道內則形成一個湍流的狀態(tài)，加快脫硫反應的進行，脫硫效率可提高10%以上，而溫度對噴射段脫硫效率的影響減弱[9]。Wu等人[10]采用平行反應動力學建立了一個模擬干燥NaHCO3管道噴射通過袋式除塵器去除煙氣中SO2過程的數(shù)學模型，用于對SDS工藝脫硫效率的過程模擬和評估，該模型的計算結果顯示，溫度、脫硫劑粒度和SO2氣體濃度是影響脫硫效率的主要因素，煙氣中SO2的去除過程主要發(fā)生在袋式除塵器內，噴射段內的SO2去除量通常小于總SO2去除量的5%，可以忽略不計。

基于商業(yè)軟件Fluent平臺的氣固兩相流流動狀態(tài)數(shù)值模擬也不乏有一些成功案例[11-12]。本文利用Fluent軟件對SDS工藝系統(tǒng)中噴射段內氣固流動特性及其對脫硫效率的影響進行了初步的數(shù)值模擬，并對噴射段進行了結構優(yōu)化分析，首次梳理噴射段結構及脫硫劑輸送速度對脫硫效率的影響規(guī)律，為SDS工藝系統(tǒng)噴射段工業(yè)設計及優(yōu)化改造提供參考。

1.計算對象及方法

計算對象參考了某焦化廠SDS工藝系統(tǒng)中噴射段結構，如圖1所示。該噴射段由13m高的垂直段和40m長的水平段組成，管徑為4.5m，連接垂直段與水平段的彎管半徑為4.5m，2個脫硫劑噴射管的直徑為0.1m，間距1.5m，分別伸入噴射段0.5m。脫硫劑噴射管與煙氣入口的水平距離為5m。

圖1 模擬對象和邊界條件示意圖

計算方法借鑒了前人對氣力輸送的數(shù)值模擬研究方法，采用Eulerian-Lagrangian數(shù)值模擬方法，煙氣作為連續(xù)相，脫硫劑被視為離散相。考慮脫硫劑顆粒的湍流擴散，計算模型采用隨機軌道模型，氣相湍流脈動對顆粒湍流擴散的影響由顆粒的Lagrangian運動方程中的氣相脈動速度體現(xiàn)，而脈動速度則根據氣相湍動能及預先設定的概率密度函數(shù)隨機數(shù)給出[13]。湍流模型采用SSTk-ω模型，并考慮了顆粒與壁面間的碰撞，曳力則只選擇了質量力。NaHCO3作為脫硫劑的脫硫反應可分為NaHCO3分解成Na2CO3、Na2CO3與SO2反應生成Na2SO3及Na2SO3氧化生成Na2SO4三步完成[14]，總反應速率則由NaHCO3分解為Na2CO3的速率或Na2CO3吸收SO2生成Na2SO3的速率控制[15]。本次模擬計算中，NaHCO3脫硫反應的總反應速率采用Wu等人[15]的實驗數(shù)據，脫硫效率的計算公式為：

其中，VSO2,in、VSO2,in分別為噴射段進口、出口SO2速率，單位kg·s-1。

NSR值的計算公式為：

式中，VNaHCO3,in為噴射段NaHCO3進口總速率，單位kg·s-1。

脫硫劑的輸送氣體為空氣，溫度為300K。在煙氣入口直徑為4.5m時，煙氣速度為10m·s-1，溫度為500K，模擬煙氣成分的摩爾占比如表1所示。

表1 模擬煙氣的組成

脫硫劑的粒徑分布用羅辛-拉姆勒（rosin-rammler）方法描述，一是最小粒徑為10μm，最大粒徑為20μm，平均粒徑為12μm，尺寸分布指數(shù)為3.5，記為d20；二是最小粒徑為20μm，最大粒徑為50μm，平均粒徑為30μm，尺寸分布指數(shù)為3.5，記為d50。

2.計算結果討論

(1)輸送氣體速度對脫硫效率的影響

從上述模擬結果可以看出，粒徑、NSR對脫硫效率的影響均受輸送氣體速度的制約，這在噴入管道內初始階段表現(xiàn)的尤其明顯。煙氣速度為10m·s-1，NSR值為1.5，輸送氣體速度分別為25m·s-1和80m·s-1時的顆粒跡線。在輸送氣體速度為25m·s-1時，脫硫劑顆粒射入煙氣流后以較小的弧度向下游彎曲，變得與煙氣流方向一致，在此過程中，顆粒并未與壁面產生碰撞，兩股顆粒流也未出現(xiàn)明顯的混合現(xiàn)象；而輸送氣體速度為80m·s-1時，脫硫劑顆粒射入煙氣流后的彎曲弧度增大，部分顆粒與管道側下壁面發(fā)生碰撞后反彈，增加了脫硫劑顆粒與SO2氣體接觸的幾率。兩股顆粒流出現(xiàn)了明顯的混合現(xiàn)象。

前人對氣體-顆粒射流噴入橫向氣流的研究成果表明，在顆粒尺寸比射流尺寸小得多時，顆粒軌跡與輸送氣體的軌跡基本上相同，穿透深度不受顆粒尺寸影響[16]。上述計算結果說明輸送氣體速度對脫硫效率的影響高于粒徑、NSR對脫硫效率影響的原因為：隨輸送氣體速度的增高，氣體-顆粒射流的射流直徑相應增大，脫硫劑顆粒與SO2的氣固接觸效率增大，從而提高了脫硫效率；當輸送氣體速度增高到一定數(shù)值時，射流邊界與壁面接觸，致使脫硫劑顆粒反彈，移向脫硫劑含量相對較低的管道上部空間，進一步提高了氣固接觸效率，致使脫硫效率明顯提升。

要有效推行預防VAP的措施，問題在于這些措施依從性及執(zhí)行率的審查計劃。每日進行執(zhí)行審查對提高其臨床依從性有極其積極的作用［51］。專家建議，每天監(jiān)控并收集數(shù)據用于對臨床依從性的持續(xù)評估，密切關注VAP發(fā)生率。例如，如果手衛(wèi)生執(zhí)行率差，應立即向醫(yī)護人員反饋，提高其自我認識，直接改善實踐的結果。我國目前對預防VAP干預策略的有效性及醫(yī)護人員執(zhí)行的依從性的評價研究尚比較缺乏，有待于進一步開展。另一方面，發(fā)展中國家VAP發(fā)生率高于美國醫(yī)療安全網(NHSN)的標準發(fā)生率，并對患者的預后產生重大影響。應盡快制訂出符合低成本，高實用性，容易實施等優(yōu)點的集束化干預策略［5］。

3.噴射段結構優(yōu)化

(1)結構優(yōu)化方法

由上所述，為增大管道內脫硫劑顆粒的充滿度，提高脫硫效率，噴射段結構的優(yōu)化方法大致可分為兩個方向：一是管道直徑與射流直徑相匹配；二是增加內部結構，加強煙氣擾動。

(2)優(yōu)化結果分析

模擬煙氣組成不變（表1），煙氣速度為10m·s-1，NSR值為1.5時，不同輸送氣體速度下的脫硫效率如表2所示。

表2 不同輸送氣體速度的脫硫效率

從表2可知，在相同結構條件下，不同的輸送氣體速度的脫硫效率存在較大差異，其中以輸送氣體速度為80m·s-1和90m·s-1時最高，接近100%；輸送氣體速度為50m·s-1時脫硫效率最低，僅為11.27%，低于未增設文丘里管的脫硫效率。對此可解釋為，設置文丘里管后，煙氣速度增大導致射流直徑減小，脫硫劑顆粒與SO2的接觸概率減小，從而降低了脫硫效率。脫硫效率隨輸送氣體速度的增大呈先升高后降低的趨勢，則與文丘里管結構尺寸和射流直徑、絕對射流穿透深度，即輸送氣體速度的匹配程度有關。

當輸送氣體速度為50m·s-1時，兩條脫硫劑射流的水平軸線大致與管道中心線在同一水平面，射流直徑小于文丘里喉管直徑，擾動小；當輸送氣體速度增大為80m·s-1時，脫硫劑射流的水平軸線雖略有下降，但脫硫劑顆粒射流與管道側下壁面發(fā)生碰撞從而移向管道上部空間，彌補了管道上部空間因射流下移造成的脫硫劑顆粒的不足，從而脫硫效率增大；輸送氣體速度為100m·s-1時，因碰撞而移向管道上部空間的脫硫劑顆粒數(shù)量已不能彌補管道上部空間因射流中心軸線下移造成的脫硫劑顆粒數(shù)量的不足，文丘里喉管中部出現(xiàn)脫硫劑顆粒斷層，致使脫硫效率減小。

4.結論

（1）在SDS工藝系統(tǒng)中，減小脫硫劑顆粒粒徑、增大NSR均能提高脫硫效率，但粒徑、NSR對脫硫效率的影響均受脫硫劑輸送氣體速度的制約。

（2）單純依靠減小脫硫劑顆粒粒徑、增大NSR和脫硫劑輸送氣體速度均不能大幅度提高脫硫效率，增設內部結構有助于實現(xiàn)高效、低投資、低消耗的提高脫硫效率。

（3）增設文丘里管有利于提高脫硫效率，關鍵在于文丘里管結構尺寸與脫硫劑輸送氣體速度的匹配程度，脫硫效率隨輸送氣體速度的增大呈先升高后降低的趨勢，需合理選取輸送氣體速度。本次計算中以輸送氣體速度為80m·s-1時脫硫效率最高。