气动乳化脱硫筒内气液两相流动的数值模拟

侯懿宁, 何宏舟, 张军. 气动乳化脱硫筒内气液两相流动的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 262-270. doi: 10.12030/j.cjee.202003189
引用本文: 侯懿宁, 何宏舟, 张军. 气动乳化脱硫筒内气液两相流动的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 262-270. doi: 10.12030/j.cjee.202003189
HOU Yining, HE Hongzhou, ZHANG Jun. Numerical simulation of gas-liquid two-phase flow in a pneumatic emulsifying desulfurization cylinder[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 262-270. doi: 10.12030/j.cjee.202003189
Citation: HOU Yining, HE Hongzhou, ZHANG Jun. Numerical simulation of gas-liquid two-phase flow in a pneumatic emulsifying desulfurization cylinder[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 262-270. doi: 10.12030/j.cjee.202003189

气动乳化脱硫筒内气液两相流动的数值模拟

    作者简介: 侯懿宁(1993—),女,硕士研究生。研究方向:船舶脱硫装置。E-mail:hyn026@126.com
    通讯作者: 何宏舟(1967—),男,博士,教授。研究方向:清洁燃烧理论与技术。E-mail:hhe99@jmu.edu.cn
  • 基金项目:
    福建省自然科学基金资助项目(2019J01710)
  • 中图分类号: X701

Numerical simulation of gas-liquid two-phase flow in a pneumatic emulsifying desulfurization cylinder

    Corresponding author: HE Hongzhou, hhe99@jmu.edu.cn
  • 摘要: 为直观地了解和分析脱硫筒内部气液两相的混合与流动规律,采用CFD仿真软件对某公司大型湿法脱硫塔内气动乳化脱硫筒内气液流动进行数值模拟,分析了加装湍流器、改变湍流器角度以及喷雾锥角对脱硫筒内气液两相流动混合的影响;选用可实现的k-ε湍流模型和DPM模型,结合SIMPLE算法对气、液两相进行数值模拟。模拟结果显示,增设湍流器与提高喷雾锥角能够有效提高气液两相紊动混合度,提高脱硫反应的传质效率。流场分布、气液混合与能量损失等的模拟结果表明:当湍流器角度为30°~36°时,加装湍流器的效果最佳;当喷雾锥角为120°~180°时,系统内喷淋液分布比较均匀,与烟气的混合比较充分,有利于脱硫反应的进行。以上研究结果可为大型电厂脱硫塔中气动乳化脱硫筒设备的设计制造与运行管理提供参考。
  • 重金属污染场地,指长期进行矿产冶炼、电镀加工、不锈钢生产、仪表机械制造等产业的重金属企业厂区,因没有采取严格规范的环保措施[1],产生废气沉降、废液灌溉和废弃物堆积[2]等,从而直接或间接污染土壤的工业场地,直接或间接造成的被重金属元素污染土壤的工矿业场地。重金属污染具有隐蔽性强、潜伏期长、污染后果严重等特点[3]。据2014年发布的《全国污染土壤调查状况公报》[4](简称公报),我国土壤的总超标率达到了16.1%。其中,工矿业废弃地的土壤环境问题突出,比较典型且污染严重的地块类型有3种:重污染企业用地的招标点位占调查总数的36.3%;工业废弃地的超标点位占调查总数的34.9%;工业园区的超标点位占调查总数的29.4%。土壤污染主要由无机污染物造成。该公报列举了铜、汞、镍、镉、铬、砷、铅、锌8种重金属元素作为无机污染物,并对其进行了详细说明。

    随着我国“退二进三”的城市化发展及产业结构升级,城市的工业污染场地引起人们关注,其中重金属是主要污染源,影响周边居民健康,制约土地资源的二次利用[5]。近年来,我国针对重金属污染场地的污染修复技术发展日渐成熟,基于已有的技术研究,董家麟[6]以国内外大量文献综合分析各项技术的优缺点及应用范围;宋立杰等[7]介绍且分析了各项修复技术的实施方法;晁文彪[8]通过研究专利技术对重金属污染修复技术的发展趋势作出了展望。但目前大多数研究聚焦于重金属污染土壤的整体技术发展现状,单独对场地修复技术进行研究的综述类文献较少。本研究对重金属污染场地修复技术专利(简称专利)进行了计量分析,探究各项技术的发展趋势。

    本研究是基于国家知识产权局专利检索及分析网站进行的检索,设计检索式以关键词“重金属”和“土壤”为主,排除了农、矿、垃圾、肥、污泥等几个关键词,此外,在中国知识资源综合数据库(简称中国知网)以同一个检索式进行二次检索,以专利公开日为日期标准,截取时间段为2002年1月1日—2019年5月24日的专利,筛选排除了农田土壤修复、土壤重金属检测方法、土壤重金属来源分析及风险评估方法等专利,得到关于重金属污染场地修复技术的公开专利1 556项。梳理筛选得到的专利,将专利的名称、公开日、授权日、公开号、研究机构、发明人、技术类型、目标重金属、应用效果、优点等录入Excel并利用筛选功能、查找功能进行公开年份(分析年度变化均以此为标准)、目标重金属、技术类型的统计;利用Origin软件制图。文中2019年的专利数量为2019年1月1日—2019年5月24日的专利数量总和,采用文献计量学方法系统总结了重金属污染场地修复技术的现状、特点及发展趋势。

    1)专利总量年度变化。2002—2019年公开的专利总数、授权发明专利数量及实用新型专利数量年度变化趋势见图1。公开专利的研究进程可以分为4个阶段。第1阶段为2002—2009年,该阶段公开的专利数量增长几乎停滞;第2阶段为2009—2013年,国内研究处于起步阶段,平均增长率约为16项·a−1;2013年进入了重金属污染场地修复的第3阶段,公开的专利数量快速增长,平均增长率为67项·a−1,尤其是2016—2017年,公开的专利数量增长了101项;第4阶段是2017年至今,公开的专利数量稍有回落,趋于稳定,2018年公开的专利数量为219项,2019年1—5月公开的专利数量为141项。第3阶段的公开专利数量增长可能因为2012年国家将土壤修复列入《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》(国发[2012]28号)的“先进环保产业发展路线图”,江苏省、广东省、重庆市、湖南省等地普遍关停了多家企业,开展了工矿企业搬迁原址场地土壤的修复[9],激发了土壤修复产业的活力。

    图 1  2002—2019年专利数量变化
    Figure 1.  changes of patent number from 2002 to 2019

    在此期间,授权专利数量总体呈增长趋势,实用新型专利在2014年开始发展,专利数量占专利总数的比例逐渐增大,2014年占比为13.70%,2016年占比为14.64%,2017年占比为15.23%。这说明修复治理重金属污染场地的各项技术研究成熟后,研发具有自主知识产权、符合我国国情的重金属污染场地修复装置和设备也引起了人们重视。

    2)专利总量区域分布和机构分布。申请公开专利数量占据全国前10名的区域见表1。由表1可知,江苏省、湖南省、广东省、北京市是主要的专利申请地区,被公开的申请专利数量分别为225、155、153和147项。这4个省份公开专利数量比较多,其主要原因为:第一,可能是因为当地科研机构多、科研氛围浓厚。全国范围内申请重金属污染场地修复技术专利的机构总数为611个,其中江苏省、湖南省、广东省、北京市的机构数量分别为71、58、72和64个,4个省份的机构数量总和近乎占据了全国研究机构总量的一半;第二,可能是当地的工业结构和产业需求促进了重金属污染土壤修复技术的发展。2011年,廖晓勇等[5]提出,我国达到工业规模级别的重金属冶炼企业及重金属压延加工企业数量众多,其中这类企业在江苏省的数量最多,浙江省、广东省、湖南省名列前茅,在产业结构调整和城市化发展的推动下,重金属污染场地的修复成了这些省份必须解决的问题,因此,修复技术的研究发展也相应较快。

    表 1  区域专利数量前10名和区域机构数量前10名
    Table 1.  Top 10 regions in patent numbers and top 10 regions in organizations
    区域专利数量/项区域机构数量/个
    江苏省225广东省72
    湖南省155江苏省71
    广东省153北京市64
    北京市147湖南省58
    上海市92上海市38
    浙江省91山东省35
    湖北省86湖北省33
    四川省75安徽省32
    山东省66浙江省31
    安徽省57四川省29
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    3)公开专利的重金属研究对象及其适用技术分析。常见的重金属研究对象为镉、铅、铜、锌、铬、砷、汞、镍,其中研究镉、铬、铜、铅、锌等5种重金属的公开专利尤其多,用于处理镉、铅、铜、锌、铬、砷、汞、镍为主的污染场地的公开专利分别为324、257、186、163、140、91、77和58项,关于其余重金属污染场地修复技术的公开专利均不足50项,这说明以上列举的几种重金属的处理技术研究比较成熟。其中,铜、铬、锌、镍、锰等几种重金属的技术研究均是从生物修复技术起步,再扩展研究其他技术的应用。固化/稳定化技术在各类重金属污染场地的技术占比为31.48%~54.55%,可以普遍应用于各种重金属污染场地,适用性广;生物修复技术则常用于镉、铅、铜、锌、锰等几种重金属污染场地,技术占比为25.77%~41.18%,这主要取决于可筛选应用于不同重金属污染场地的生物资源丰富度;联合修复技术比较适用于铬污染场地,技术占比达到24.29%,对于一些其他重金属污染,如钴、锶、锑、铯、硒,这几种金属的联合修复技术研究也在2014年和2017年有所发展;淋洗修复技术常用于修复镉、铅、铜、锌、镍、砷、汞等重金属污染场地,技术占比均为10%~15%;物理修复技术在镍、锰、铬、铜、汞几种重金属污染场地应用得比较多,技术占比为9.09%~12.14%,主要是吸附修复技术和电动修复技术发展得比较好,热脱附修复技术主要应用在汞污染场地和砷污染场地中,磁分离修复技术则主要应用于铬污染场地、铜污染场地和铅污染场地。

    固化/稳定化技术修复重金属污染场地的公开专利总数、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图2。该项技术在2010年才开始发展,整体呈现上升趋势,2013—2017年发展最为迅猛,近2年发展趋势有所回落。迄今为止,2015年固化/稳定化技术的授权发明专利数量最多,实用新型专利变化一直波动不大。固化/稳定化技术是一种高效、快速治理重金属污染场地的技术,该技术主要通过调节土壤pH、离子交换、螯合作用、络合作用、吸附作用等方式改变重金属离子的赋存形态,降低其生物有效性和生态毒性,从而达到固化/稳定化重金属的目的。近几年,固化稳定化技术的主要发展趋势是研发绿色环保固化/稳定化药剂、降低二次污染的风险。以往大量研究选用水泥、石灰等作为固化/稳定化修复药剂的主要成分进行修复,易出现土壤板结或过度石灰化的现象,既覆盖了重金属污染土壤的表面,影响治理效果,也不利于污染土壤的二次利用;部分研究选用化学药剂作为固化/稳定化修复药剂,易造成土壤盐碱化或者酸化、碱化土壤。因此,天然材料如秸秆、贝壳粉、木质素等材料的应用得到了重视。此外,国内重视以废治废、变废为宝的理念,对钢渣、废弃石膏、电石渣等进行利用,但由于易造成二次污染,材料逐渐由钢渣转变成具有生物可降解性的废料,如糖醛渣、农林废弃物、城市污水厂的污泥,降低成本和环境风险。

    图 2  2002—2019年固化/稳定化技术专利数量
    Figure 2.  Patent number of immobilization/stabilization technology from 2002 to 2019

    利用生物修复技术修复重金属污染场地的公开专利总数、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图3。自2005年起,该项技术的专利总数基本呈现上升趋势,授权发明专利的数量在2013年后呈递减趋势,实用新型专利发展缓慢。生物修复技术是指利用自然界的生物资源,如通过微生物菌株、超累积植物和蚯蚓等吸收或移除土壤中的重金属,从而对重金属污染场地进行修复。该技术主要包括植物修复技术、动物修复技术、微生物修复技术、生物联合修复技术。目前,研究者偏向于发展动物和微生物辅助超累积植物吸收重金属为主的生物联合修复技术。近几年,研究重点主要包括3个方面:一是如何提高植物对重金属的吸收效率,常用方法包括施加生物炭基肥[10-12]、微生物复合菌剂[13-15]或动物[16-17]等;二是如何保证种子在重金属污染土壤中的存活率,现有的解决办法包括生态修复床[18-19]、人工包埋种子[20]、增加纤维丝隔离层[21-22]等;三是如何筛选生物资源,植物修复技术一般采用生物量大、生长迅速、重金属超累积容量大的植物,微生物修复技术则一般采用对重金属耐受性较高的菌株,例如芽孢杆菌和霉菌。

    图 3  2002—2019年生物修复技术专利数量
    Figure 3.  Patent number of bioremediation technology from 2002 to 2019

    淋洗技术修复重金属污染场地的公开专利数量、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图4。淋洗修复技术的公开专利在2011年开始发展,专利总数基本呈现上升趋势,2017年专利总数达到44项。淋洗修复技术主要是异位修复,须依赖装置设备,提高修复效果,降低淋洗剂用量[23-27]。其核心在于淋洗剂的选用和实际场地的实施,这2个要素决定了淋洗技术能否在重金属污染场地修复领域中广泛被应用。淋洗常选用酸溶液作为淋洗剂,但EDDS、聚环氧琥珀酸、柠檬酸、苹果酸等可生物降解的酸溶液价格昂贵,因此,常配合水、硝酸或盐酸、氯化铁水溶液、吐温80等其他淋洗剂使用,从而降低环境风险和药剂成本;场地实施一般利用振荡进行淋滤,为加快淋洗速度,郭红岩等[28]和郭军康等[29]开始研究通过微波/超声波等促进淋滤过程,目前,郭军康等[30]已同步设计了超声波强化萃取装置,但尚未有应用实例。

    图 4  2002—2019年淋洗修复技术专利数量
    Figure 4.  Patent number of rinsing remediation technology from 2002 to 2019

    物理修复技术是指利用阻隔、吸附、电迁移、电泳、电渗析、热脱附、磁场效应等物理原理对重金属污染场地进行修复的技术,主要包括电动修复技术、吸附修复技术、阻隔修复技术、磁分离修复技术和热脱附修复技术。

    电动修复技术的公开专利数量、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图5。2017年之前电动修复技术的公开专利数量总体呈上升趋势,2017年达到最大值27项;授权发明专利数量有所波动,2017年前实用新型专利的数量呈持续上升的趋势。目前,电动修复技术的研究热点主要是电动装置的创新,既包括电极、电解液等的材料创新,也包括电动装置本身的结构组成创新。

    图 5  2002—2019年电动修复技术专利数量
    Figure 5.  Patent number of electric remediation technology from 2002 to 2019

    吸附修复技术的公开专利数量、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图6。2014年授权发明专利达到峰值,2015年实用新型专利开始发展。目前,研究比较成熟的有海藻酸钠制备吸附板和吸附微球[31-33]、农业废弃物制备生物炭[34-36]等,技术重点主要是对吸附材料进行改性提高其吸附效率,增大吸附容量;常用的原材料一般是黏土矿物,如凹凸棒土、膨润土、沸石、二元水滑石等,也有有机高分子材料,例如树脂、凝胶球等。

    图 6  2002—2019年吸附修复技术专利数量
    Figure 6.  Patent number of adsorption remediation technology from 2002 to 2019

    其他物理修复技术还包括磁分离修复技术、热脱附修复技术和阻隔修复技术等。磁分离修复技术只能应用于磁性重金属,2014年后,每年的公开专利数量维持在4~5项,2018年、2019年的公开专利总数均为6项;热脱附修复技术从2014年开始发展,整体呈缓慢的上升趋势,主要适用于含汞、砷的重金属污染场地,应用范围狭窄、耗能较高,研究重点是不同类型的热脱附装置[37-39],2014年开始发展,整体呈缓慢上升趋势;阻隔修复技术的公开专利数量保持波动。

    联合修复技术的公开专利数量、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图7,该项技术从2013年开始发展,公开专利数量总体呈现上升趋势,2017年,达到最大值为87项,主要集中为研究原位修复重金属污染的阻隔装置[40-42];授权发明专利的数量在2014年较多;实用新型专利则在2017年达到峰值。

    图 7  2002—2019年联合修复技术专利数量
    Figure 7.  Patent number of joint remediation technology from 2002 to 2019

    联合修复技术指联合1种或2种以上技术进行重金属污染场地的修复治理,通常是以固化/稳定化技术、生物修复技术和淋洗修复技术为主,物理修复技术为辅进行。电动修复技术[43-46]、吸附修复技术[47-49]和热脱附修复技术[50-53]均常与淋洗修复技术联用,通过吸附等方式富集淋出液中的重金属后,淋出液可以进行回用,此外,其也常与生物技术联用,加快植物吸收重金属的速率;磁分离技术逐渐受到重视,该项技术配合固化/稳定化技术应用于重金属污染场地,可有效移除场地土壤中的重金属[54-55],配合淋洗技术使用则可以快速吸附淋出液的重金属,使得淋出液可以回用[56-59]

    1)近几年,研究者更加重视相关装置的发展,直接反映为实用新型专利的数量占比显著提高。

    2)国内重金属污染场地修复技术的公开专利发展可分为4个阶段,2013—2017年发展迅猛,平均增长率为66项·a−1,近2年发展渐缓。其中,江苏省、北京市、广东省、湖南省的科研机构众多,公开专利总数也比较多。

    3)综合适用对象范围、研究机构数量、公开专利数量及年份变化趋势等因素进行评估,可以看出,目前,发展较好的重金属污染场地修复技术依次为固化/稳定化技术、淋洗修复技术、物理修复技术,以废治废、降低成本仍然是研究热点。

  • 图 1  脱硫筒结构与网格示意图

    Figure 1.  Structure and mesh diagram of desulfurization cylinder

    图 2  气液两相流情况下气相流线图

    Figure 2.  Gas streamline diagram of gas-liquid two-phase flow

    图 3  气液两相流情况下液相粒子轨迹图

    Figure 3.  Liquid particle track diagram of gas-liquid two-phase flow

    图 4  不同旋流角度下脱硫筒的速度云图

    Figure 4.  Velocity contours of desulfurization cylinder with different swirl angle

    图 5  不同旋流角度下脱硫筒的压降

    Figure 5.  Pressure drop of desulfurization cylinder with different swirl angle

    图 6  不同旋流角度下脱硫筒浆液质量浓度分布云图

    Figure 6.  Liquid particle mass concentration of desulfurization cylinder with different swirl angle

    图 7  不同旋流角度下第1层喷淋器下方平均湍动能

    Figure 7.  Average turbulent kinetic energy under the first layer spray of turbulator with different swirl angle

    图 8  不同喷雾锥角下液相粒子轨迹图

    Figure 8.  Liquid particle track diagram of different spray cone angle

    图 9  不同喷雾锥角下脱硫筒的速度云图

    Figure 9.  Velocity contours of desulfurization cylinder with different spray cone angle

    图 10  不同喷雾锥角对流场的影响

    Figure 10.  Effect of different spray cone angle on flow field

    表 1  脱硫筒实测值与不同旋流角度下仿真结果的对比

    Table 1.  Comparison of actual observation and simulation results of different swirl angles in desulfurization cylinder

    湍流器角度/(°)出口流速出口温度
    实测值/(m·s−1)模拟值/(m·s−1)误差/%实测值/K模拟值/K误差/%
    32~3615378.15
    3214.364.27385.501.94
    3414.562.93380.170.53
    3614.821.20386.072.09
    平均值14.582.8383.911.52
    湍流器角度/(°)出口流速出口温度
    实测值/(m·s−1)模拟值/(m·s−1)误差/%实测值/K模拟值/K误差/%
    32~3615378.15
    3214.364.27385.501.94
    3414.562.93380.170.53
    3614.821.20386.072.09
    平均值14.582.8383.911.52
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-30
  • 录用日期:  2020-05-16
  • 刊出日期:  2021-01-10
侯懿宁, 何宏舟, 张军. 气动乳化脱硫筒内气液两相流动的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 262-270. doi: 10.12030/j.cjee.202003189
引用本文: 侯懿宁, 何宏舟, 张军. 气动乳化脱硫筒内气液两相流动的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 262-270. doi: 10.12030/j.cjee.202003189
HOU Yining, HE Hongzhou, ZHANG Jun. Numerical simulation of gas-liquid two-phase flow in a pneumatic emulsifying desulfurization cylinder[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 262-270. doi: 10.12030/j.cjee.202003189
Citation: HOU Yining, HE Hongzhou, ZHANG Jun. Numerical simulation of gas-liquid two-phase flow in a pneumatic emulsifying desulfurization cylinder[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 262-270. doi: 10.12030/j.cjee.202003189

气动乳化脱硫筒内气液两相流动的数值模拟

    通讯作者: 何宏舟(1967—),男,博士,教授。研究方向:清洁燃烧理论与技术。E-mail:hhe99@jmu.edu.cn
    作者简介: 侯懿宁(1993—),女,硕士研究生。研究方向:船舶脱硫装置。E-mail:hyn026@126.com
  • 1. 集美大学,福建省能源清洁利用与开发重点实验室,厦门 361021
  • 2. 集美大学,福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心,厦门 361021
基金项目:
福建省自然科学基金资助项目(2019J01710)

摘要: 为直观地了解和分析脱硫筒内部气液两相的混合与流动规律,采用CFD仿真软件对某公司大型湿法脱硫塔内气动乳化脱硫筒内气液流动进行数值模拟,分析了加装湍流器、改变湍流器角度以及喷雾锥角对脱硫筒内气液两相流动混合的影响;选用可实现的k-ε湍流模型和DPM模型,结合SIMPLE算法对气、液两相进行数值模拟。模拟结果显示,增设湍流器与提高喷雾锥角能够有效提高气液两相紊动混合度,提高脱硫反应的传质效率。流场分布、气液混合与能量损失等的模拟结果表明:当湍流器角度为30°~36°时,加装湍流器的效果最佳;当喷雾锥角为120°~180°时,系统内喷淋液分布比较均匀,与烟气的混合比较充分,有利于脱硫反应的进行。以上研究结果可为大型电厂脱硫塔中气动乳化脱硫筒设备的设计制造与运行管理提供参考。

English Abstract

  • 2018年,我国能源消费总量为4.64×109 t标准煤,其中煤炭消费总量达到3.9×109 t,我国的能源结构决定了在未来相当长的时间内煤炭仍会占整体能源消耗的50%以上[1]。火电厂主要以燃烧煤炭维持日常运营,是区域性大气污染的主要源头,如何经济、有效地治理工业尾气污染已成为近年来的研究热点。

    我国火电厂常用的脱硫技术包括石灰石-石膏湿法烟气脱硫、烟气循环流化床脱硫、氨法脱硫等[2]。其中,还出现了能够有效提高烟气中SO2吸收效率的pH分区脱硫、气动乳化脱硫等新颖的烟气湿法脱硫技术。气动乳化脱硫技术是一种基于多相紊流掺混的强化传质机理,使经预处理后的烟气进入脱硫筒后,在湍流器的作用下形成旋转气流,与筒内旋流雾化喷嘴喷出的溶液逆向相碰,使烟气与喷淋液在反应区域内高速旋切,形成湍流空间,实现气、液充分接触,迅速完成传质过程,从而达到气体净化目的的新型高效脱硫技术[3-5]。气动乳化脱硫技术因其脱硫除尘效率高、适应范围广、压力损失小、投资费用少等特点而从众多脱硫工艺中脱颖而出[6]

    近年来,气动乳化技术广泛应用于工程改造实践。周小平等[4]研究钠碱法脱硫工艺与石灰石-石膏气动乳化脱硫技术的系统运行效果,得出使用气动乳化脱硫系统每天的运行费用为4.9×103元,仅为钠碱法的1/10。吴少娟等[7]发现,在相同处理风量的条件下,气动乳化塔的脱硝效率是普通喷淋吸收塔的1.4倍,气液比降低了55%。由于工业湿法脱硫塔内部流场较为复杂,气液两相流的混合状态直接影响传热传质及化学反应的进行[8-9]。因此,传统的实验方法很难得到脱硫塔内流场的具体分布,而使用CFD仿真软件可以更直观、清晰地分析脱硫筒内部气液两相的混合与流动规律[10]。戚美等[11]对某装有湍流器的脱硫塔内流场进行了数值模拟,认为不同湍流器孔隙率与湍流单元直径对流场有较大影响。刘仲然等[12]对湿法喷淋塔内旋流板的布置进行了仿真研究,发现安装旋流板对改善脱硫塔内均气效果明显,能够有效延长浆液停留时间。

    目前,针对应用于湿法烟气脱硫塔的气动乳化脱硫技术的研究还是以实验研究为主,或是针对增加湍流器结构的大型脱硫塔进行宏观仿真计算,而针对该技术核心部件气动乳化脱硫筒内部的气液两相混合规律及流场分布情况还缺少相关研究。本研究以某公司大型湿法脱硫塔内气动乳化脱硫筒的工程实际应用参数与运行工况为基础,采用R-k-ε湍流模型和DPM模型,结合SIMPLE算法对气、液两相进行数值模拟,研究了加装湍流器、改变湍流器角度以及喷雾锥角对脱硫筒内气液两相流动混合的影响,以期为大型电厂脱硫塔中气动乳化脱硫筒设备的设计制造与运行管理提供参考。

  • 脱硫筒结构与网格划分见图1。本研究以某企业实际运行的大型湿法脱硫塔内单个气动乳化脱硫筒为模拟对象,湿法脱硫塔结构如图1(a)所示,脱硫筒的入口筒径为0.85 m,出口筒径为0.8 m,筒高为3.15 m。该脱硫筒包括烟气入口、两级湍流器、两层喷淋器以及烟气出口等,气动乳化脱硫筒结构如图1(b)所示。使用ANSYS ICEM软件对模型进行网格划分,采用非结构化四面体网格与网格自适应技术相结合的方式,针对湍流器区域以及喷淋区下方0~0.3 m处进行网格细节加密,加密后的计算区域能够更逼真地模拟气液两相流在计算域内的混合情况。网格总数为8×105个左右,模型的网格划分如图1(c)所示。

  • 本研究以实际运行的大型湿法脱硫塔内单个脱硫筒为对象,对气动乳化脱硫筒内的流场进行仿真研究。针对仿真过程,对模型做了以下简化假设。

    1)烟气进入脱硫筒入口截面时,截面上不同位置的气流速度相同且分布均匀,同时忽略烟气中固体颗粒物存在的影响。

    2)喷淋浆液滴为球形,不考虑液滴的蒸发、碰撞、破碎和聚并。

    3)筒壁绝热、无滑移、无质量渗透。

    4)忽略喷嘴及筒内小阻件对流场的影响。

    5)忽略喷淋液对废(烟)气中SO2的吸收。

    本研究以脱硫筒的实际运行情况为基础进行数值仿真,模拟的相关参数如下:脱硫筒内设置2级湍流器,第1、2级湍流器的内径分别为0.85 m和0.8 m;正常运行工况下的入口烟气流量为23 400 m3·h−1,烟气入口速度为11.5 m·s−1,入口温度为398.15 K;筒内设置2级喷淋层,每级喷淋层设有1个螺旋喷嘴,浆液喷射半角为90°,浆液出口温度为353.15 K;第1层浆液出口流量为32.54 m3·h−1,出口速度为1.77 m·s−1;第2层浆液出口流量为16.27 m3·h−1,出口速度为1.23 m·s−1;浆液平均粒径为2.5 mm。

  • 在进行数学建模时,流体的流动过程遵循质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程;热力学过程遵循热力学第二定律、状态方程和本构方程[13];采用三维稳态SIMPLE算法对模型进行计算;考虑到脱硫筒内的喷淋浆液是以小液滴的形式离散分布在烟气当中,模型将烟气流动和液滴流动分别拟化为连续相和离散相,选用可实现的k-ε湍流模型描述气相流动,DPM模型描述液相流动,结合液滴随机生成模型,考虑湍流脉动对液体颗粒相的作用以及气液两相间的耦合[14-16];考虑液滴的粒径分布对气液两相流动及传热传质的影响,采用Rosin-Rammler模型描述液滴的粒径分布[17]

  • 采用工业实际运行的脱硫筒出口工况参数(烟气出口流速与出口温度)与仿真结果作比较,验证该模型仿真计算结果的可靠性,结果见表1

    表1可知,仿真计算得到的脱硫筒出口流速和出口温度与实测值之间的误差平均值分别为2.8%与1.52%,二者均小于工程误差所允许的20%之内。据已有的研究结果[14,16]可知,在计算基准条件下,若脱硫筒烟气出口速度、出口温度或压降的计算值与实测值相吻合时,则可认为模拟计算所得到的烟气流场分布比较可靠,能较真实地反映实际流场流动。因此,本研究所构建模型的仿真结果能够满足工程实际的要求。

  • 图2比较了增加湍流器前后纵向中心截面的气相流线图。增加湍流器前,烟气在脱硫筒内的气相流线并没有受到明显的扰动,烟气高速区域发生在第2层喷淋器与壁面相交的区域,这是由于喷淋管对烟气的遮挡作用而产生了烟气绕流现象;增加湍流器后,可以明显观察到气相流线在筒内的扰动有了明显的增强,喷淋器下方的烟气在湍流器组件的遮挡、导流作用下产生了局部涡旋现象,气相流线在流场中的行程增长,增加了烟气与浆液的接触机会;低速区域的扰动明显提升,增加了烟气与浆液的接触时间与接触面积,提高了传质效率,有利于烟气与浆液更充分的混合。

    同样的结论可以通过对比图3得到。由稳定情况下液相粒子的轨迹图可以发现,不同粒径的浆液都在上升旋转气流的作用下改变了粒子轨迹。其中,以小于平均粒径2.5 mm颗粒的轨迹变化最为明显,当烟气经过一定角度旋流叶片的导流和加速作用后,以一定速度喷射入流场的浆液颗粒除了受到上升的气动力与自身重力的作用外,还受到湍流器对颗粒切向离心力的作用和影响。颗粒受到切向分力的作用后随着旋流烟气由下至上做旋转运动,粒径越小的颗粒越容易受到切向分力的影响,因此可以有效地增加烟气与浆液的接触概率与接触时间。而未添加湍流器的脱硫筒中,粒径较大的浆液颗粒在重力作用下很快离开了脱硫反应区域,浆液颗粒与烟气反应的时间不够充足,进而影响到脱硫筒的脱硫效率。

  • 不同旋流角度下流场的速度云图以及压降损失分别见图4图5。由图4可知:不论湍流器入口喷射角度如何变化,脱硫筒内烟气速度场分布的整体趋势基本相似,即速度沿径向呈“中间低、两侧高”分布;且浆液旋流入射角度越大,作用于烟气的切向加速度就越大,离心力越强,于是对烟气的扰动程度越剧烈,越有利于烟气与浆液的混合。但随着旋流角度的不断增大,近壁面烟气的高速区域也会逐渐变厚,反而导致靠近筒壁的烟气与浆液的反应时间变短。

    进一步分析图5还可发现:系统压降与旋流角度呈正相关关系,系统压降在旋流角度为0°~32°的增长速率较为平缓;当旋流角度超过32°时,曲线斜率陡然增加。这是因为,随着旋流角度的增加,作用于烟气的切向分速度不断提升,涡旋强度不断提高,系统需要克服的气液剪切力也不断增加。若以未添加湍流器的压降损失为基准,入口旋流角为36°的湍流器,其压降增加了38.3%;入口旋流角为50°的湍流器,其压降增加了124.6%,增长率达到了前者的3倍。可见,适当提高旋流角度有助于烟气与喷淋浆液在反应区域内的充分混合,但过高的旋流角度却会导致压降损失大幅增加,进而增加系统运行的能耗和成本。

    为进一步研究湍流器角度对流场的影响,截取1、2层喷淋器下方0.25 m及0.5 m横截面处的液相粒子质量浓度云图,分析浆液在脱硫筒内的分布情况。

    图6是不同旋流角度下浆液质量浓度分布云图。可以看出:不论湍流器入口喷射角度如何变化,脱硫筒内喷淋液质量浓度分布沿径向均呈“中间高、四周低”的趋势,这与速度云图的分布规律正好相反。喷淋浆液主要集中在脱硫筒内烟气流动的低速区域,有利于延长其与烟气的接触时间,使脱硫反应能够充分进行。

    另外,对比图6(a)~图6(d)可知,随着旋流角度的增加,液相粒子在脱硫筒内的分布变得更加均匀。这是因为,随着旋流角度的增加,上升烟气切向分速度也增加,气体穿透喷雾区域的能力变强,气液两相的接触面积增大;同时,对比不同旋流角度条件下第1层喷淋器下方0.5 m处的仿真结果(图6(b)图6(c))可知,随着旋流角度的增大,脱硫筒中心区域液相浓度分布更加均匀,上升气流对喷淋液的旋切程度更强,表明提高旋流角度能够有效提高气液两相的混合程度,也可以改善因喷淋浆液射程过深而伴随出现脱硫筒中心区域喷淋浆液浓度高和烟气少,进而导致喷淋液利用效率降低的问题。此外,对比图6(c)图6(d)还可发现,随着旋流角度的进一步提高,液相颗粒在脱硫筒内的分布情况并没有明显的变化,表明当湍流器的旋流角度大于36°后,进一步提高旋流角度对脱硫筒内液相粒子分布的影响不大。

    湍动能是衡量气液两相流掺混程度的重要参数。图7反映了第1层喷淋器下方0.1~0.6 m横截面处平均湍动能的走势。由图7可知:不同旋流角度下第1层喷淋器下方的湍动能变化趋势大致相似,呈先下降后上升的趋势。当喷淋浆液以射流的形式从喷嘴射入烟气时,其携带的动能可有效掺混射流周围的烟气,所以越靠近喷嘴位置的气液两相流,其掺混程度越大;当喷淋浆液离开喷嘴一定距离后,其轴向速度沿流向逐渐减少,此时气液两相流的掺混程度也随之降低;当喷淋浆液抵达湍流器附近区域时,由于湍流器对烟气的加速导流作用,使经过湍流器的烟气在切向加速度的作用下形成自下而上的螺旋气流,增强了烟气穿透液相粒子的能力,使气液两相流掺混程度提高,湍动能随之增大。

    对于未添加湍流器的脱硫筒,筒内湍动能的变化只经历了单一下降的过程。当喷淋液以一定角度射入反应区域内时,由于没有受到湍流器的影响,一部分液相粒子沿入射角度直射至脱硫筒壁面,被捕捉后形成液膜,在重力作用下沿筒壁下落被收集至废液池,使参与反应的液相粒子的数量减少,造成脱硫浆液的浪费。由图7还可知,当喷淋浆液垂直喷射距离超过0.3 m之后,平均湍动能的下降幅度趋于平缓。这是由于随着脱硫浆液喷射距离的增加,射流扩散角对粒子的影响不断削弱,喷淋液只在气动力与重力的作用下与烟气逆向接触,直至脱离反应区域。

    添加了湍流器后,脱硫筒内气液两相流动的湍动能呈倍数增加,且随着旋流角度的增加,气液两相的掺混程度增强,从而有利于烟气脱硫反应的进行;但过高的湍动能却也从另一个侧面说明气体的切向加速度增加过快,液相粒子在脱硫筒内的停留时间缩短,进而导致液相粒子在脱硫筒内的分布不够均匀。进一步观察图7还可以发现:在36°与40°旋流角下,烟气的湍动能几乎是一致的,说明2个角度下脱硫筒的气液紊动程度相似;但旋流角较小时,系统压降损失小,运行能耗较低。

  • 对湍流器角度为36°时脱硫筒内部流场及气液混合情况做了进一步研究。选取工程实际常用的浆液喷射半角30°、45°、60°、75°与90°,研究喷雾锥角在60°~180°内变化时,脱硫筒内部流场的具体变化情况。

    图8比较了不同喷雾锥角条件下液相粒子的轨迹图。观察喷淋器下方液相粒子的运动轨迹,可以发现:当喷雾锥角小于90°时,下层喷淋区的液相粒子主要集中在脱硫筒的中心区域,与烟气经湍流器加速后呈“中心低、两侧高”的分布规律相悖,所以当气液逆向接触时,烟气对喷雾锥的形态的改变不大,其携带液相粒子的能力被削弱,气液两相间的接触面积减小,接触时间变短;随着喷雾锥角的增加,液相粒子在脱硫筒内的分布均匀性提高,烟气与脱硫浆液的碰撞概率上升,部分液相粒子随烟气自下而上做旋转运动,有效行程延长,有助于传热传质的进行。当喷雾锥角小于90°时,喷淋液在上层喷淋区出现明显的分布不均匀现象,大部分液相粒子集中在筒身左侧,造成局部“烟气多、浆液少”或“浆液多、烟气少”的现象,导致上层喷淋区域气液比远离最佳工况,无法达到设计要求的脱硫效率。当喷雾锥角的取值为120 °~180 °时,脱硫筒上、下喷淋区域的喷淋液分布比较均匀、充满度好,与烟气的混合比较充分,有利于脱硫反应的进行。

    图9图10分别呈现了不同喷雾锥角下脱硫筒速度场、总压降与出口平均温度的变化趋势。由图9可知:随着喷雾锥角的增加,喷淋器下方的低速区域的面积更大,说明喷淋液的均匀分布能够有效降低中心区域烟气的流动速度,延长中心区域烟气在反应区域内的停留时间。由图10(a)可知,当喷雾锥角为90°时,系统压降最小,压降为409 Pa;当喷雾锥角为150°时,系统压降最大,压降为417 Pa,可见不同喷雾锥角条件下系统压降的相对差值小于2%,因此,喷雾锥角对系统能耗的影响可以忽略不计。观察图10(b)发现,当喷雾锥角为60°~180°时,气液混合物出口温度在6 ℃左右波动,说明喷雾锥角对温度的影响可以忽略。综合考察喷雾锥角变化对气液分布均匀性、系统压降、混合物出口温度的影响,得到该结构条件下喷雾锥角的最佳取值为120° ~180°。

  • 1)增设湍流器后,气液两相紊动混合程度得到提升,喷淋器下方的低速区域出现了明显的扰动,有效地延长了烟气在流场中的行程,增加了气液两相的接触时间与接触面积,从而有利于烟气与浆液更充分的混合,提高脱硫反应的传质效率。

    2)仿真分析某工程实际应用案例在不同旋流角度下脱硫筒内部的速度云图、液相浓度质量分布图、以及压力和湍动能变化趋势图发现,旋流角度的增大有利于对烟气的扰动,有利于烟气与浆液的混合与碰撞,但同时也带来系统压降损失增大、运行能耗增加等问题。当湍流器旋流角为30°~36°时,脱硫筒内气液两相流动的混合效果好,同时更有利于系统运行的经济性,这一结论与工程应用实际情况相符。

    3)喷雾锥角变化主要影响气液分布的均匀性,对系统能耗以及混合物出口温度的影响可以忽略不计。当喷淋锥角小于90°时,流场内气液分布不匹配,不利于二者的均匀混合;综合考察喷雾锥角变化对气液分布均匀性、系统压降、混合物出口温度的影响,得到喷雾锥角的最佳取值为120°~180°。

参考文献 (17)

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