烟气脱硫喷淋塔流体力学特性研究

烟 气 脱 硫 喷 淋 塔 流 体 力 学 特 性 研 究Study on aerodynamic characteristics of FGD spray scrubber李 仁 刚 ,管 一 明 ,周 启 宏 ,孙 大 伟 ,孙 祥 志(国 家 电 力 公 司 电 力 环 保 研 究 所 ,江 苏 南 京 210031)摘 要 :研 究 了 喷 淋 空 塔 内 烟 气 流 速 、 液 气 比 和 吸 收 区 高 度 等 因 素 对 气 相 阻 力 的 影 响 ,并 在 实 验 室 研 究 的 基 础 上 建 立了 喷 淋 塔 流 体 力 学 数 学 模 型 ,讨 论 了 烟 气 流 速 、 液 滴 直 径 等 工 艺 参 数 对 液 滴 停 留 时 间 、 吸 收 区 阻 力 和 塔 内 传 质 面 积的 影 响 。关 键 词 :脱 硫 喷 淋 塔 ;流 体 力 学 ;数 学 模 型Abstract :The effect of flue ga s velocity ,ration of liquid to ga s and absorbing height on ga s pre ssure drop wa s inve stigat2ed at laboratory scale te st facility. An aerodynamic model ha s been developed for FGD spray scrubber ,and a discussionon drop re sistant time ,ga s pre ssure drop and ma ss transfer area wa s carried out ba sed on the model.Key words : FGD spray scrubber ;fluid dynamics ;mathematical model中 图 分 类 号 :X701. 3 文 献 标 识 码 :B 文 章 编 号 :1009 - 4032 (2001) 04 - 0004 - 05 湿 法 烟 气 脱 硫 工 艺 中 常 用 的 吸 收 塔 塔 型 主 要 有3 种 :喷 淋 空 塔 、 填 料 塔 和 喷 射 鼓 泡 塔 。 由 于 火 电 厂烟 气 中 SO2 浓 度 较 低 ,体 积 分 数 通 常 3 000 10 - 6 ,且 SO2 易 溶 于 水 ,达 到 90 %以 上 脱 硫 效 率 仅 需 2 3个 传 质 单 元 数 ,适 合 选 用 喷 淋 空 塔 。 此 外 ,喷 淋 空 塔具 有 阻 力 小 ,内 构 件 少 ,不 易 结 垢 等 优 点 。 以 上 2 方面 因 素 ,使 喷 淋 空 塔 成 为 湿 式 石 灰 石 烟 气 脱 硫 工 艺中 的 主 导 塔 型 。喷 淋 空 塔 内 的 流 动 较 为 复 杂 ,对 于 吸 收 塔 压 降 、液 滴 停 留 时 间 、 塔 内 持 液 量 等 内 部 流 动 规 律 ,目 前 尚无 成 熟 的 计 算 方 法 。 然 而 ,吸 收 塔 压 降 在 整 个 脱 硫系 统 能 耗 中 占 有 较 大 的 比 例 ,直 接 影 响 脱 硫 装 置 运行 的 经 济 性 ,是 脱 硫 系 统 设 计 中 的 一 个 重 要 经 济 、 技术 指 标 ;液 滴 停 留 时 间 和 塔 内 持 液 量 与 传 质 面 积 有关 ,是 决 定 脱 硫 效 率 的 主 要 因 素 。 因 此 ,有 必 要 对 喷淋 空 塔 进 行 冷 态 试 验 研 究 ,探 索 流 体 力 学 规 律 ,优 化吸 收 塔 设 计 。1 试 验 装 置试 验 装 置 及 流 程 见 图 1。 吸 收 塔 直 径 0. 4m ,高6m ,塔 内 设 2 个 喷 淋 层 ,每 层 装 3 个 喷 嘴 ,喷 嘴 为 旋流 型 。 2 个 喷 淋 层 共 用 1 台 清 水 泵 ,泵 入 口 与 吸 收 塔底 部 循 环 槽 连 接 ,喷 淋 液 循 环 使 用 ,泵 出 口 管 道 上 装设 电 磁 流 量 计 ,测 定 喷 淋 液 流 量 。 吸 收 塔 入 口 处 装有 1 块 气 流 分 布 板 ,均 布 塔 内 气 流 。 塔 内 风 速 通 过调 整 引 风 机 门 开 度 控 制 ,为 防 止 引 风 机 带 水 ,在 吸 收塔 出 口 处 装 设 2 级 除 雾 器 。图 1 系 统 流 程沿 塔 高 方 向 共 设 4 个 压 力 测 点 ,分 别 位 于 喷 淋层 上 和 吸 收 区 高 度 为 1. 25、 2. 3、 3. 25m 处 。2 试 验 结 果 与 分 析试 验 研 究 了 不 同 烟 气 流 速 、 液 气 比 和 吸 收 区 高度 条 件 下 的 吸 收 区 阻 力 。2. 1 烟 气 流 速 对 吸 收 区 阻 力 的 影 响吸 收 区 高 度 为 2. 3m ,液 气 比 (L/ m3) 分 别 为 12、14 和 16 的 条 件 下 ,吸 收 区 阻 力 随 烟 气 流 速 的 变 化 见图 2。烟 气 流 速 较 低 时 ,压 降 随 着 流 速 增 加 而 递 增 的速 度 相 对 比 较 平 缓 。 当 烟 气 流 速 从 3. 0m/ s 提 高 至42001 年 12 月 电 力 环 境 保 护 第 17 卷 第 4 期4. 5m/ s 时 ,烟 气 流 速 增 加 了 50 % ,吸 收 区 阻 力 损 失由 260Pa 增 至 660Pa ,增 加 了 154 % ,阻 力 增 加 幅 度 约为 流 速 增 加 幅 度 的 3 倍 ;当 烟 气 流 速 4. 5m/ s 时 ,压 降 与 流 速 的 关 系 曲 线 变 陡 ,吸 收 区 压 降 随 流 速 的增 加 而 急 剧 增 大 ,流 速 由 4. 5m/ s 提 高 至 5. 0m/ s 时 ,流 速 增 加 11 % ,吸 收 区 阻 力 损 失 增 至 880Pa ,增 加 了47 % ,约 为 流 速 增 加 幅 度 的 4 倍 。 产 生 此 现 象 的 主要 原 因 是 由 于 在 相 同 液 气 比 条 件 下 ,流 速 的 增 加 ,不仅 提 高 了 吸 收 液 的 喷 淋 高 度 ,而 且 也 减 小 了 液 滴 在塔 内 的 下 降 速 度 ,尤 其 在 高 流 速 条 件 下 ,液 滴 下 降 速度 较 小 ,塔 内 持 液 量 急 剧 增 加 ,压 降 也 随 之 迅 速 增大 。图 2 烟 气 流 速 对 吸 收 区 阻 力 的 影 响2. 2 液 气 比 对 吸 收 区 阻 力 的 影 响图 3 液 气 比 对 吸 收 区 压 降 的 影 响吸 收 区 高 度 为 2. 3m ,烟 气 流 速 分 别 为 3、 4、 4. 5、5m/ s 的 条 件 下 ,吸 收 区 阻 力 随 液 气 比 的 变 化 见 图 3。压 降 与 液 气 比 的 关 系 近 似 呈 线 性 ,压 降 随 液 气比 (喷 淋 密 度 ) 的 增 大 而 增 加 。 高 烟 气 流 速 时 ,压 降与 液 气 比 的 关 系 偏 离 线 性 ,其 原 因 可 能 是 高 流 速 时喷 淋 液 量 增 大 ,而 喷 嘴 数 不 变 ,导 致 吸 收 液 滴 的 初 始速 度 增 大 ,使 压 降 与 液 气 比 呈 现 不 完 全 线 性 关 系 。2. 3 吸 收 区 高 度 对 吸 收 区 阻 力 的 影 响吸 收 区 高 度 对 吸 收 区 阻 力 的 影 响 见 表 1、 图 4。表 1 不 同 吸 收 区 高 度 范 围 内 的 平 均 阻 力烟 气 流 速/ m s - 1 液 气 比阻 力 / Pa m - 10 1. 25m 1. 25 2. 3m 2. 3 3. 25m4. 012 176 152 14714 216 190 16816 296 190 1894. 512 264 162 15814 312 200 18016 352 267 253从 表 1 可 以 看 出 ,离 喷 嘴 距 离 较 近 时 ,单 位 吸 收区 高 度 的 压 降 最 大 ,随 后 逐 渐 减 小 。 这 主 要 是 由 于液 滴 离 开 喷 嘴 后 ,受 到 表 面 曳 力 的 作 用 ,作 减 速 运动 。 离 喷 嘴 较 近 时 ,液 滴 运 动 速 度 较 快 ,气 相 作 用 于液 滴 的 表 面 曳 力 较 大 ,气 相 受 到 液 滴 的 反 作 用 也 较强 ,故 单 位 吸 收 区 高 度 的 阻 力 较 大 。 此 后 ,随 液 滴 与烟 气 间 相 对 速 度 的 减 小 ,单 位 吸 收 区 高 度 的 压 降 也逐 渭 减 小 ,最 终 液 滴 与 烟 气 的 相 对 速 度 将 趋 于 恒 定 ,液 滴 作 匀 速 运 动 ,单 位 吸 收 区 高 度 的 压 降 也 将 趋 向恒 定 。图 4 烟 气 流 速 4. 5m/ s 时 吸 收 区 高 度 对 吸 收 区 阻 力 的 影 响由 图 4 可 见 ,吸 收 区 阻 力 随 吸 收 区 高 度 的 增 加而 增 大 ,且 液 气 比 越 小 ,线 性 越 好 。 这 主 要 是 由 于 液气 比 较 小 时 ,液 滴 的 初 始 速 度 较 小 ,在 经 历 较 短 的 减52001 年 李 仁 刚 等 :烟 气 脱 硫 喷 淋 塔 流 体 力 学 特 性 研 究 第 4 期速 运 动 阶 段 后 ,很 快 进 入 匀 速 运 动 阶 段 ,表 现 为 压 降与 吸 收 区 高 度 呈 线 性 关 系 。 此 外 ,随 液 气 比 增 大 ,直线 斜 率 增 大 ,即 单 位 吸 收 区 高 度 的 压 降 增 大 。3 数 学 模 型3. 1 模 型 建 立吸 收 区 气 相 阻 力 主 要 来 自 2 方 面 : (1) 塔 壁 阻力 。 实 验 数 据 表 明 其 值 仅 为 10 30Pa ,与 吸 收 区 总阻 力 相 比 ,所 占 比 例 极 小 ,可 不 予 考 虑 ; (2) 分 散 相 阻力 。 即 吸 收 液 液 滴 作 用 于 气 相 所 产 生 的 阻 力 。 计 算吸 收 区 阻 力 损 失 时 仅 考 虑 分 散 相 阻 力 。忽 略 液 滴 与 塔 壁 的 碰 撞 而 产 生 凝 并 和 分 裂 ,对液 滴 进 行 受 力 分 析 ,液 滴 在 塔 内 受 到 表 面 曳 力 、 形 体曳 力 和 重 力 作 用 ,其 中 ,表 面 曳 力 的 反 作 用 力 即 为 分散 相 (液 相 )对 气 相 的 作 用 力 。 由 此 可 推 导 出 烟 气 压降 计 算 公 式 : P = 3L g4 D0 u2 dt (1)液 滴 在 塔 内 的 运 动 速 度 由 方 程 (2)确 定 。43( 1 - g) g g - u2= 43 D Lg d ( u + v)dt (2)式 中 为 液 滴 在 吸 收 塔 内 的 停 留 时 间 ,s ; D 为 液 滴直 径 ,m ; g 为 气 相 密 度 ,kg/ m3 ; L 为 液 相 密 度 , kg/m3 ; 为 曳 力 系 数 ; L 为 吸 收 液 喷 淋 密 度 ,m3/ m2 s ; u为 液 滴 相 对 于 烟 气 的 流 速 ,m/ s ; v 为 烟 气 相 对 于 塔壁 的 运 动 速 度 ,m/ s。吸 收 剂 液 滴 的 初 始 运 行 条 件 :u | t = 0 = u0h | t = 0 = 03. 2 模 型 参 数 估 算建 立 分 吸 收 区 阻 力 寻 优 目 标 函 数 :Obj = ni = 1 P - P P (5)式 中 P 为 实 测 吸 收 区 阻 力 ,Pa ; P 为 模 型 计 算 吸收 区 阻 力 ,Pa。选 用 24 组 试 验 数 据 进 行 参 数 估 算 ,求 取 目 标 函数 为 最 小 值 时 的 、 D 值 ,优 化 方 法 为 单 纯 形 法 。 计算 结 果 为 : = 0. 51 ; D = 0. 0023m根 据 Lihou 的 研 究 结 果 ,雷 诺 数 在 400 2 500范 围 内 ,液 滴 在 空 气 中 的 曳 力 系 数 为 0. 54 ,误 差 10 %。 对 本 次 实 验 数 据 进 行 参 数 估 算 所 得 液 滴 的 曳力 系 数 为 0. 51 ,其 值 非 常 接 近 Lihou 等 人 的 研 究 结果 。 此 外 ,由 于 缺 乏 液 滴 直 径 的 测 试 手 段 ,未 能 获 得吸 收 液 液 滴 直 径 数 据 ,在 模 型 计 算 时 把 液 滴 直 径 作为 参 数 来 处 理 ,假 定 不 同 试 验 条 件 下 的 液 滴 直 径 相同 ,计 算 所 得 液 滴 直 径 为 0. 0023m。3. 3 模 型 检 验模 型 的 相 对 平 均 偏 差 为 6. 9 % ,能 符 合 工 程 计 算的 要 求 。 其 中 ,在 吸 收 区 高 度 h = 1. 25m 时 ,模 型 计算 结 果 误 差 较 大 ,主 要 原 因 是 离 喷 嘴 较 近 处 ,气 液 两相 的 实 际 流 动 状 况 较 复 杂 ,模 型 难 于 正 确 描 述 液 滴的 实 际 运 动 状 况 。4 讨 论根 据 上 述 模 型 ,计 算 了 不 同 液 滴 直 径 条 件 下 吸收 区 特 性 参 数 随 烟 气 流 速 的 变 化 及 液 滴 与 烟 气 的 相对 速 度 u 沿 吸 收 区 高 度 的 变 化 ,计 算 结 果 分 别 列 于表 2、 图 5、 图 6 和 表 3、 图 7 中 。单 位 吸 收 区 体 积 内 的 传 质 面 积 M (m2/ m3) 根 据下 式 计 算 :M =L 43 (D2 )3 4 ( D2 ) 2h =6LDh (6)4. 1 不 同 液 滴 直 径 下 流 速 与 压 降 的 关 系由 表 2 和 图 5 可 以 看 出 ,在 喷 淋 塔 内 ,烟 气 流 速较 低 时 压 降 曲 线 较 平 坦 ,压 降 的 上 升 幅 度 小 于 烟 气流 速 的 上 升 幅 度 。 随 着 烟 气 流 速 的 提 高 ,压 力 曲 线逐 渐 变 陡 ,直 至 液 泛 。 液 泛 气 速 接 近 液 滴 自 由 沉 降的 终 端 速 度 ,并 随 吸 收 液 滴 直 径 的 增 大 而 提 高 。 在吸 收 区 高 度 为 3. 25m ,液 滴 相 对 于 塔 壁 的 初 始 速 度为 9m/ s ,喷 淋 密 度 为 0. 063m3/ m2 s 的 条 件 下 ,液 滴直 径 在 0. 0020m 时 液 泛 气 速 为 6. 00m/ s ;当 直 径 增 至0. 0026m 时 ,液 泛 气 速 为 7. 00m/ s。 故 喷 雾 塔 设 计时 ,烟 气 流 速 的 选 取 应 与 吸 收 液 液 滴 直 径 相 匹 配 ,按常 规 ,设 计 气 速 应 为 泛 点 气 速 的 50 % 80 %。 例 如 ,当 液 滴 直 径 为 0. 0020m 时 ,适 宜 的 烟 气 流 速 为 3. 00 4. 80m/ s ,而 当 液 滴 直 径 增 大 至 0. 0024m 时 ,适 宜的 烟 气 流 速 应 提 至 3. 5 5. 6m/ s。62001 年 12 月 电 力 环 境 保 护 第 17 卷 第 4 期表 2 不 同 液 滴 直 径 条 件 下 烟 气 流 速 对 吸 收 区 特 性 参 数 的 影 响( h = 3. 25m , L = 0. 063m3/ m2 s)烟 气流 速/ m s - 1D = 0. 0020m D = 0. 0023m D = 0. 0026m液 滴停 留时 间/ s吸 收区 压降/ Pa单 位 吸 收区 体 积 内传 质 面 积/ m2 m - 3液 滴停 留时 间/ s吸 收区 压降/ Pa单 位 吸 收区 体 积 内传 质 面 积/ m2 m - 3液 滴停 留时 间/ s吸 收区 压降/ Pa单 位 吸 收区 体 积 内传 质 面 积/ m2 m - 33. 00 0. 59 683 34. 3 0. 54 608 27. 3 0. 50 549 22. 44. 00 0. 73 845 42. 4 0. 63 737 31. 9 0. 57 657 25. 54. 50 0. 85 960 49. 4 0. 70 820 35. 4 0. 62 724 27. 75. 00 1. 07 1134 62. 2 0. 81 927 41. 0 0. 68 803 30. 45. 50 1. 56 1479 90. 7 1. 00 1085 50. 6 0. 78 904 34. 95. 80 2. 36 1992 137. 2 1. 20 1237 60. 7 0. 87 985 38. 96. 00 3. 79 2890 220. 4 1. 43 1394 72. 3 0. 95 1053 42. 56. 20 1. 83 1658 92. 5 1. 06 1139 47. 46. 40 2. 71 2217 137. 0 1. 22 1258 54. 66. 50 3. 67 2818 185. 6 1. 34 1340 60. 66. 80 2. 09 1833 93. 56. 90 2. 73 2231 122. 17. 00 4. 06 3064 181. 6图 5 模 型 计 算 压 降 随 烟 气 流 速 的 变 化 图 6 模 型 计 算 单 位 吸 收 区 体 积 内 传 质 面 积 随 烟 气 流 速 的 变 化4. 2 不 同 液 滴 直 径 下 烟 气 流 速 与 传 质 面 积 的 关 系以 模 型 计 算 的 单 位 吸 收 区 体 积 内 的 传 质 面 积 随烟 气 流 速 的 变 化 见 图 6。从 图 6 可 以 看 出 ,随 着 烟 气 流 速 的 提 高 ,塔 内 持液 量 增 大 ,单 位 吸 收 区 体 积 内 的 传 质 面 积 增 大 ;且 在相 同 烟 气 流 速 条 件 下 ,液 滴 直 径 越 小 ,单 位 吸 收 区 体积 内 的 传 质 面 积 越 大 。 比 较 图 5 和 图 6 可 以 看 出 ,随 烟 气 流 速 的 提 高 ,压 降 和 单 位 吸 收 区 体 积 内 的 传质 面 积 皆 增 大 ,但 低 烟 气 流 速 时 ,压 降 的 增 加 幅 度 大于 传 质 面 积 ,而 高 烟 气 流 速 时 ,则 结 果 相 反 ,传 质 面积 的 增 加 幅 度 大 于 压 降 。 在 液 滴 直 径 为 0. 0023m ,吸 收 区 高 度 3. 25m ,液 滴 相 对 于 塔 壁 的 初 始 速 度 为9m/ s 的 条 件 下 ,烟 气 流 速 从 3. 0m/ s 增 至 4. 5m/ s时 ,压 降 由 608Pa 增 至 820Pa ,增 加 了 34. 9 % ,而 单 位体 积 内 的 传 质 面 积 从 27. 3m2/ m3 增 至 35. 4m2/ m3 ,增加 了 29. 7 % ;当 流 速 进 一 步 提 高 ,达 到 5. 5m/ s 时 ,压 降 增 至 1 085Pa ,增 加 了 78. 5 % ,传 质 面 积 增 至50. 57m2/ m3 ,增 加 了 85. 2 %。4. 3 液 滴 运 动 速 度 沿 塔 高 的 变 化液 滴 运 动 速 度 沿 塔 高 的 变 化 见 表 3。 从 表 3 可看 出 ,在 吸 收 区 高 度 为 5m 的 条 件 下 ,仅 当 小 液 滴 、高 流 速 时 (液 滴 直 径 0. 0020m ,烟 气 流 速 4. 5m/ s) ,塔内 液 滴 先 作 减 速 运 动 ,再 作 匀 速 运 动 。 当 液 滴 直 径较 大 时 ,在 5m 的 吸 收 区 高 度 范 围 内 皆 作 减 速 运 动 ,无 匀 速 运 动 阶 段 。 图 7 是 液 滴 直 径 为 0. 0023m、 烟气 流 速 分 别 为 3. 0、 4. 5m/ s 时 ,液 滴 与 烟 气 的 相 对 速72001 年 李 仁 刚 等 :烟 气 脱 硫 喷 淋 塔 流 体 力 学 特 性 研 究 第 4 期度 沿 吸 收 区 高 度 的 变 化 。 在 0 2. 0m 吸 收 区 高 度范 围 内 ,烟 气 流 速 为 4. 5m/ s 条 件 下 的 u 相 对 较 大 。而 在 2. 0 5. 0m 吸 收 区 高 度 范 围 内 ,烟 气 流 速 为 3.10m/ s 时 的 u 值 略 大 ;若 进 一 步 延 伸 吸 收 区 高 度 ,2种 烟 气 流 速 的 u 值 逐 渐 趋 向 一 致 。表 3 液 滴 与 烟 气 的 相 对 速 度 沿 塔 高 的 变 化 ( L = 0. 063m3/ m2 s , u0 = 9m/ s)液 滴直 径/ m烟 气流 速/ m s - 1吸 收 区 高 度 / m0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4. 0 4. 5 5. 00. 0020 3. 0 10. 63 9. 56 8. 68 8. 00 7. 48 7. 09 6. 82 6. 64 6. 52 6. 444. 5 11. 62 10. 12 8. 87 7. 90 7. 21 6. 77 6. 52 6. 40 6. 34 6. 320. 0023 3. 0 10. 88 9. 96 9. 21 8. 59 8. 12 7. 74 7. 46 7. 26 7. 11 7. 004. 5 11. 94 10. 64 9. 56 8. 68 8. 02 7. 54 7. 22 7. 02 6. 90 6. 840. 0026 3. 0 11. 06 10. 27 9. 63 9. 10 8. 65 8. 31 8. 03 7. 82 7. 65 7. 534. 5 12. 15 11. 05 10. 11 9. 34 8. 71 8. 23 7. 88 7. 63 7. 47 7. 36L = 0. 063m3/ m2 s ; u0 = 9m/ s图 7 液 滴 与 烟 气 的 相 对 速 度 沿 塔 高 的 变 化5 小 结(1)脱 硫 塔 吸 收 区 阻 力 主 要 取 决 于 烟 气 流 速 、 喷淋 密 度 和 液 滴 直 径 ;(2)喷 淋 塔 的 液 泛 速 度 主 要 取 决 于 液 滴 直 径 。液 滴 直 径 在 0. 0026m 时 的 液 泛 速 度 为 7. 0m/ s ,适 宜的 烟 气 流 速 为 3. 5 5. 6m/ s ;(3)在 喷 淋 塔 内 ,随 烟 气 流 速 提 高 ,阻 力 和 传 质面 积 皆 增 大 。 高 流 速 时 ,传 质 面 积 的 增 加 幅 度 大 于阻 力 的 增 加 幅 度 ;(4)液 滴 在 吸 收 塔 内 的 运 动 先 为 减 速 运 动 ,而 后作 匀 速 运 动 。参 考 文 献 : 1 管 一 明 ,李 仁 刚 1 湿 式 石 灰