吸收塔導(dǎo)流環(huán)均流作用分析
2018-07-17 10:38:51
吸收塔導(dǎo)流環(huán)均流作用分析
雷勝楠1，蔣成軍1
（1．浙江德創(chuàng)環(huán)保科技股份有限公司，浙江省 紹興市 312000；）
摘要：本文設(shè)計一種吸收塔導(dǎo)流環(huán)，通過應(yīng)用于吸收塔噴淋層，改善煙氣分布，使進(jìn)入吸收塔內(nèi)的煙氣分布均勻，避免偏流，同時能防止煙氣爬壁短路，并可將吸收塔壁上漿液再次引入噴淋區(qū)，提高脫硫效率；設(shè)計導(dǎo)流環(huán)為截面是等邊三角形的圓環(huán)，其邊長取100mm~500mm不等，結(jié)果表明，覆蓋率約為10%~15%，煙氣在整個噴淋區(qū)域內(nèi)爬壁現(xiàn)象得到改善效果較好。
關(guān)鍵詞：吸收塔；導(dǎo)流環(huán)；煙氣均布；
0引言
在吸收塔內(nèi)增加均流構(gòu)件能有效改善吸收塔內(nèi)煙氣分布，煙氣和漿液的流場分布影響吸收塔內(nèi)傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)進(jìn)行的程度。在吸收塔噴淋管層設(shè)置煙氣導(dǎo)流環(huán)，有利于改善煙氣分布，使進(jìn)入吸收塔內(nèi)的煙氣分布均勻，避免偏流，同時能防止煙氣爬壁短路，并可將吸收塔壁上漿液再次引入噴淋區(qū)，提高脫硫效率。
郭瑞堂[1] 通過安裝氣液傳質(zhì)強化構(gòu)件，對濕法煙氣脫硫噴淋塔內(nèi)的氣液傳質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化試驗研究及模擬。結(jié)果表明，氣液傳質(zhì)強化構(gòu)件能夠防止煙氣沿塔壁逃逸，整流氣相流場，強化氣液兩相在吸收區(qū)的混合，有利于SO2吸收，通流截面一定時，噴淋區(qū)壓降和脫硫效率隨構(gòu)件與水平面夾角的增大而增大，構(gòu)件與水平面夾角一定時，噴淋區(qū)壓降和脫硫效率隨通流截面的增大而減?。恍炀?/span>[2]在工藝計算基礎(chǔ)上實現(xiàn)了石灰石/石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計的圖形化、可視化，使設(shè)計者能夠在良好的操作界面引導(dǎo)下，完成系統(tǒng)配置、參數(shù)輸入、工藝計算、設(shè)備選型及經(jīng)濟分析等操作，提高了工作效率、縮短了設(shè)計周期和決策時間；孟憲禹[3] 模擬研究了除霧器、噴淋漿液、噴淋方向、塔高以及出口方式等對脫硫塔內(nèi)部流場的影響，研究結(jié)果表明：除霧器對脫硫塔的流場有較大影響，在模擬過程中不能忽略；漿液的噴淋對煙氣流動有整合作用，且向上噴淋更有利于流場的均勻整合，更有利于除霧器除霧，且改變噴淋方向?qū)α鲌鲎枇Φ挠绊戄^小；加高塔體有利于除霧器區(qū)域流場的均勻性，有利于除霧器除霧，但不利于脫硫反應(yīng)區(qū)域流場的均勻性；改變脫硫塔出口方式為頂出對脫硫塔流場的影響不大，不能起到均勻流場的作用，反而提高了脫硫塔阻力，不利于脫硫塔運行。
目前，在設(shè)計工作中，改善氣體流場的措施主要通過三維模擬，直觀了解整個脫硫系統(tǒng)的氣流分布，并重點分析局部流動的渦流區(qū)、高壓區(qū)等，針對性的改善煙道結(jié)構(gòu)形式、吸收塔的外形設(shè)計、托盤的優(yōu)化等。改善煙氣流場的同時，應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部液體分布，通過合理布置噴淋層、優(yōu)化噴嘴形式等措施，使得煙氣和液體流場相互作用，達(dá)到最佳的接觸、吸收和反應(yīng)效果。對于無均流提效構(gòu)件塔，增加均流提效構(gòu)件，有利于改善煙氣分布，使進(jìn)入吸收塔內(nèi)的煙氣分布均勻，避免偏流。如在吸收塔內(nèi)設(shè)置煙氣導(dǎo)流環(huán)，能防止煙氣爬壁短路，并可將吸收塔壁上漿液再次引入噴淋區(qū)，提高脫硫效率。對于已有均流提效構(gòu)件的吸收塔，可以通過調(diào)節(jié)均流提效構(gòu)件開孔率、加裝第二層均流提效構(gòu)件等達(dá)到提效效果。
1物理模型
1.1幾何模型及簡化
本研究對象為吸收塔噴淋層煙氣導(dǎo)流環(huán)，模擬吸收塔塔徑為10m，將截面如圖1的導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)引入吸收塔噴淋層，導(dǎo)流環(huán)為截面是等邊三角形的圓環(huán)，其邊長取100mm~500mm不等，研究導(dǎo)流環(huán)的覆蓋面積與導(dǎo)流效果的影響規(guī)律。該模型的設(shè)計優(yōu)勢是當(dāng)煙氣從導(dǎo)流環(huán)下方流入時，導(dǎo)流板可使煙氣沿導(dǎo)流板流動，防止煙氣沿吸收塔產(chǎn)生爬壁現(xiàn)象，能更好的導(dǎo)入噴淋區(qū)，提高煙氣和漿液的有效接觸，另一方面，導(dǎo)流環(huán)匯流板能使吸收塔塔壁上漿液再次匯入噴淋區(qū)，提高漿液利用率。
圖1吸收塔導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖
1.2數(shù)值模擬及邊界條件
整個吸收塔及導(dǎo)流環(huán)模型的數(shù)值模擬通過SolidWorks Flow Simulation軟件完成，吸收塔模擬邊界條件為：入口煙氣流量330000 Am3/h，溫度130℃。
2結(jié)果與分析
本文分別模擬了煙氣導(dǎo)流環(huán)邊長為100mm、200mm、300mm、400mm、500mm時，其對吸收塔內(nèi)煙氣的影響，覆蓋率的計算方法為，導(dǎo)流環(huán)水平截面積占塔內(nèi)徑截面積的百分比，導(dǎo)流環(huán)邊長為100mm時，其覆蓋率3.4%，模擬均設(shè)置了四層導(dǎo)流環(huán)
2.1速度分布
圖2導(dǎo)流環(huán)邊長100mm（覆蓋率3.4%）
圖2為導(dǎo)流環(huán)邊長100mm時吸收塔內(nèi)煙氣速度分布，由于導(dǎo)流環(huán)水平截面積較小，導(dǎo)流板邊長為100mm，其導(dǎo)流效果不明顯，當(dāng)煙氣流過吸收塔右側(cè)時，煙氣方向改變較小，煙氣爬壁現(xiàn)象雖有改善，但壁面煙氣流速仍然較大。
圖3 導(dǎo)流環(huán)邊長200mm（覆蓋率6.8%）
圖3為導(dǎo)流環(huán)邊長200mm時吸收塔內(nèi)速度分布。當(dāng)增加導(dǎo)流板邊長為200mm，覆蓋率為6.8%，此時由于吸收塔左側(cè)導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)對煙氣產(chǎn)生的影響不可忽視，使得雖然右側(cè)導(dǎo)流環(huán)改善了爬壁現(xiàn)象，但隨著左側(cè)結(jié)構(gòu)影響的加劇，爬壁現(xiàn)象仍不能較好的改善。
圖4 導(dǎo)流環(huán)邊長300mm（覆蓋率10.1%）
圖4為導(dǎo)流環(huán)邊長300mm時吸收塔內(nèi)煙氣速度分布。增加導(dǎo)流板邊長為300mm，覆蓋率為10.1%，此時由于導(dǎo)流環(huán)尺寸的繼續(xù)加大，導(dǎo)流環(huán)的導(dǎo)流作用成為主要影響因素。
圖5 導(dǎo)流環(huán)邊長400mm（覆蓋率13.4%）
圖5為導(dǎo)流環(huán)邊長400mm時吸收塔內(nèi)煙氣速度分布。增加導(dǎo)流板邊長為400mm，覆蓋率為13.4%，此時導(dǎo)流環(huán)的導(dǎo)流作用顯著，壁面煙氣流速較低，煙氣爬壁現(xiàn)象明顯得到改善。
圖6 導(dǎo)流環(huán)邊長500mm（覆蓋率16.6%）
圖6為導(dǎo)流環(huán)邊長500mm時吸收塔內(nèi)煙氣速度分布。增加導(dǎo)流板邊長為500mm，覆蓋率為16.6%，此時煙氣在噴淋區(qū)域內(nèi)爬壁現(xiàn)象的改善效果明顯。
2.2流線分布
圖7 導(dǎo)流環(huán)邊長100mm（覆蓋率3.4%）
圖7為導(dǎo)流環(huán)邊長100mm時吸收塔內(nèi)煙氣流線分布，由于導(dǎo)流環(huán)覆蓋率3.4%，其導(dǎo)流效果不明顯，壁面煙氣流速仍然較大，流線分布明顯，因此導(dǎo)流環(huán)邊長較小時，無法起到較好的導(dǎo)流效果。
圖8 導(dǎo)流環(huán)邊長200mm（覆蓋率6.8%）
圖8為導(dǎo)流環(huán)邊長200mm時吸收塔內(nèi)流線分布。當(dāng)導(dǎo)流板覆蓋率為6.8%時，導(dǎo)流板的擾流效果已經(jīng)較覆蓋率為3.4%時明顯，貼壁面流線速度較低。
圖9為導(dǎo)流環(huán)邊長300mm時吸收塔內(nèi)流線分布。當(dāng)導(dǎo)流板覆蓋率為10.1%時，導(dǎo)流板的擾流效果明顯，貼壁面流線速度接近為零。
圖9 導(dǎo)流環(huán)邊長300mm（覆蓋率10.1%）
圖10 導(dǎo)流環(huán)邊長400mm（覆蓋率13.4%）
圖10為導(dǎo)流環(huán)邊長400mm時吸收塔內(nèi)流線分布。當(dāng)導(dǎo)流板覆蓋率為13.4%時，可見圖中導(dǎo)流環(huán)處，貼壁面流線分布較少，說明此時煙氣已較少聚集在此，有效防止煙氣爬壁。
圖11為導(dǎo)流環(huán)邊長500mm時吸收塔內(nèi)流線分布。當(dāng)導(dǎo)流板覆蓋率為16.6%時，與覆蓋率為13.4%時均能達(dá)到設(shè)計導(dǎo)流環(huán)的目的，但在吸收塔徑不變的前提下，導(dǎo)流環(huán)覆蓋率越大，噴淋管噴淋區(qū)面積越小，因此在達(dá)到改善煙氣分布，避免偏流的目的同時，不易設(shè)計覆蓋率較大的導(dǎo)流裝置。
圖11 導(dǎo)流環(huán)邊長500mm（覆蓋率16.6%）
3結(jié)論
在吸收塔內(nèi)增加均流構(gòu)件能有效改善吸收塔內(nèi)煙氣分布，煙氣和漿液的流場分布影響吸收塔內(nèi)傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)進(jìn)行的程度。
1）在吸收塔噴淋管層設(shè)置煙氣導(dǎo)流環(huán)，有利于改善煙氣分布，使進(jìn)入吸收塔內(nèi)的煙氣分布均勻，避免偏流，同時能防止煙氣爬壁短路，并可將吸收塔壁上漿液再次引入噴淋區(qū)，提高脫硫效率。
2）增加導(dǎo)流環(huán)覆蓋率，可加強吸收塔內(nèi)煙氣的擾動，提高氣體湍流程度，但塔徑不變的前提下，增加導(dǎo)流環(huán)覆蓋率的同時，減小了噴淋區(qū)面積，因此導(dǎo)流環(huán)覆蓋率并非越大越好。
3）綜合考慮，當(dāng)導(dǎo)流板邊長為300~450mm時，覆蓋率約為10%~15%，煙氣在整個噴淋區(qū)域內(nèi)爬壁現(xiàn)象得到改善，且其結(jié)構(gòu)尺寸較為合理，同時對其他設(shè)備設(shè)計安裝影響較小。
參考文獻(xiàn)
[1] 郭瑞堂．石灰石活性和塔內(nèi)流場對濕法煙氣脫硫效率的影響研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2008．
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[3] 孟憲禹．濕法煙氣脫硫系統(tǒng)噴淋塔流場均勻性研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2015．