DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.045

湿法脱硫塔内脱硫浆液运动特性

刘嘉宇¹，刘亚明²，郝雅洁¹，袁竹林¹，杨林军¹

(1. 东南大学 能源与环境学院，江苏 南京，210096；

2. 广东电网有限责任公司 电力科学研究院，广东 广州，510080)

摘要：为了分析湿法脱硫塔运行中所存在的问题，以600 MW机组湿法烟气脱硫喷淋塔为研究对象, 使用数值模拟方法对塔内两相流场进行研究，获得湿法脱硫塔内流场分布以及不同粒径液滴的运动轨迹、逃逸率及停留时间。研究结果表明：2 mm以上粒径液滴在塔内分布较均匀，1 mm以下粒径液滴运动受流场影响明显，使其数量分布集中于塔内低速区；当液滴粒径小于0.2 mm时，逃逸率几乎为100%；当液滴粒径大于0.2 mm时，液滴逃逸率曲线随着粒径增大迅速减小，直至当逃逸率为20%时，逃逸率曲线开始缓慢下降；随着粒径的增大，液滴停留时间曲线具有峰值，且该峰值粒径也是在逃逸率曲线中开始缓慢下降处的粒径；流场不均匀性导致0.8 mm以下粒径液滴逃逸率降低，0.8 mm以上粒径液滴逃逸率增大，同时导致下落液滴停留时间减少。

关键词：气液两相流；动量传递；数值模拟；烟气脱硫；石膏雨

中图分类号：TQ021.1       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)01-0330-08

Motion characteristics of gypsum slurry in wet-type desulphurization tower

LIU Jiayu¹, LIU Yaming², HAO Yajie¹, YUAN Zhulin¹, YANG Linjun¹

(1. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China;

2. Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Company, Guangzhou 510080, China)

Abstract: The 600 MW unit desulphurization spray tower was investigated to analyze the problems existing in the wet desulfurization tower. The trajectories, escape rate and residence time of droplets of different diameters in the spray tower were obtained by numerical simulation methods for the gas-solid two-phase flow in the spray tower. The results show that the droplets greater than 2 mm are distributed uniformly in the tower, while the motion of droplets less than 1 mm in diameter is significantly influenced by the flow field and these droplets mainly concentrate on the low velocity zone. The escape rate reaches about 100% for the droplets less than 0.2 mm in diameter, while it sharply decreases with diameter with respect to those greater than 0.2 mm. Nevertheless, the decline speed slows down when the escape rate is less than 20%. With the increase of diameter, there is a peak on the curve of residence time, and the droplet diameter corresponding to the peak value is exactly the point when the decline speed begins to slow down on the curve of escape rate. The inhomogeneity of the flow field leads to the decrease of escape rate for droplets less than 0.8 mm and the increase of escape rate for droplets greater than 0.8 mm. Meanwhile, the residence time is also reduced.

Key words: gas-liquid flow; momentum transfer; numerical simulation; flue gas desulfurization; gypsum rain

石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术如今已应用广泛，但是湿法脱硫系统在运行中的一些问题也日益凸显，石膏雨现象就是其中之一，其产生的原因是脱硫塔内的石膏浆被烟气携带，在烟囱周围飘落含有石膏浆液雨滴，对周围的环境形成污染^[1]。目前在采用湿法脱硫的火力发电厂中，几乎都存在石膏雨现象^[2]。湿法脱硫净烟气中携带的石膏浆液是形成石膏雨现象的根源，如何从源头对石膏雨现象的发生进行控制，需要对脱硫塔内气液两相流场进行深入研究，以便在此基础上寻求有效的解决途径。根据脱硫塔的传热传质分析可知，脱硫塔内液滴粒径、烟气流速都对浆液液滴的夹带与烟气脱硫效率产生重要影响。小液滴脱硫反应比表面积更大，但是也更容易被烟气夹带出去，大液滴比表面积更小，但是更容易沉降，对烟气流场的整流作用也更强。脱硫塔内烟气流场速度分布则直接影响浆液液滴的运动轨迹与停留时间，同时还会影响下游除雾器的除雾效率。目前国内外已有许多研究者在这方面进行研究，具有代表性的报道包括：王颖聪^[3]通过分析湿法脱硫烟气特性及石膏雨现象，指出在烟气流场不均、流速过高或除雾器型式布置不合理时，除雾器效果变差，净烟气中留存的石膏浆液或液滴会更多；郭程程等^[4]针对吸收塔内流场不均匀的现象提出了通过调整除雾器和吸收塔浆液喷嘴布置消除石膏雨的改造方案；MAROCCO等^[5]采用多相流欧拉-拉格朗日方法对湿法脱硫塔进行数值模拟，并与试点电厂的实验结果相对比，验证了该方法的可靠性；XIAO等^[6]对湿法脱硫吸收装置进行数值模拟获得颗粒运动轨迹，并指出液滴分布的均匀性与烟气入口导叶片有密切联系；杨勇平等^[7]对国华定州电厂600 MW机组烟气脱硫系统除雾器前烟道流场进行模拟，给出优化改造方案，运行情况表明改造后除雾器的除雾效率有了较大提高。总的来说，目前对湿法脱硫塔内流场进行实验研究还存在很大难度，所以，现有研究多数是通过分析石膏雨产生原因来对运行参数以及结构参数进行优化，尚停留在工业应用阶段。这种方法在一定程度上减小石膏雨现象，但是由于缺乏对塔内复杂流场信息的掌握，因此，还存在其局限性，虽然已有学者通过采用数值模拟的方法研究其流场分布情况来寻找改善石膏雨现象的途径，但还不够完善^[9-15]。本文作者以典型600 MW发电机组湿法脱硫喷淋塔为研究对象，采用欧拉与拉格朗日相结合的方法，分别描述烟气与液滴在脱硫塔内的三维运动特性，研究烟气流场在塔内的流场分布情况，获得不同粒径液滴在塔内的运动轨迹、逃逸率、停留时间等信息，并分析流场不均匀性对液滴夹带特性的影响。

1  描述石膏浆液在脱硫塔内运动轨迹的数学模型

为了能够观察和统计脱硫浆液液滴的运动轨迹和停留时间等信息，将烟气和液滴分别采用欧拉和拉格朗日方法进行描述。拉格朗日方法可以在计算过程中跟踪每个液滴颗粒的运动轨迹并储存每一时刻颗粒的位置状态信息，更便于获得本文所需要的信息。

1.1  物理模型

烟气脱硫塔结构如图1所示。烟气沿水平下倾烟道进入塔体，在上升过程中依次经过 3个喷淋层，脱硫浆液由均匀布置于喷淋层的雾化喷嘴引入，与烟气形成逆流接触。经过洗涤之后的烟气从出口截面进入除雾区，吸收SO₂之后的喷淋液下落至浆液池。选择浆液池表面以上至出口烟道作为计算区域，计算中不考虑除雾器、喷淋管以及浆液池对流场的影响，将浆液池表面作为壁面边界处理。所需截面a-a′和b-b′如图2所示。

数值模拟的计算建立在离散化的基础上，因此，建立喷淋塔的三维模型，并将其空间离散化。以200 mm网格尺度对脱硫塔进行网格划分，将除雾区及以下区域均选用规则网格划分，塔顶区域计算区域为非规则网格。通过划分更细网格并进行计算比较可知：本文所使用的网格划分细度已经能够完整表现塔内的流场细节。

图1  湿法脱硫塔示意图

Fig. 1  Diagram of wet desulfurization tower

图2  a-a′和b-b′截面示意图

Fig. 2  Diagram of a-a′ and b-b′ section

1.2  连续相数学模型

将烟气视为连续相，采用欧拉法对其进行描述。不可压缩烟气流场的连续性控制方程为

               (1)

动量守恒控制方程为

    (2)

式中：p为静压；τ_ij为应力张量；u_i为i方向上的速度；和F_i分别为i方向上的重力体积力和外部体积力。在本文中，F_i表示浆液滴对烟气流场的反作用力。

采用标准k-e湍流模型来模拟塔内烟气湍流运动，该湍流模型将雷诺应力表示成湍流黏性系数的函数，适用于弱各向异性的湍流充分发展区域，具有简单且计算精度高的特点。

1.3  描述离散液滴运动的数学模型

颗粒的运动方程为

       (3)

式中：为颗粒速度，m/s；u为连续相时均速度，m/s；为颗粒密度，kg/m³；为连续相密度，kg/m³；F为作用于颗粒的其他作用力(除了重力和烟气对其的曳力)。

由于在烟气脱硫塔的应用中典型的液滴平均粒径在1 500~3 000 μm之间^[8]，所以，可忽略主要对微小颗粒产生作用的萨夫曼升力等作用力。本文在液滴运动的计算中，只考虑曳力和重力作用。

1.4  气液两相间相互动量交换的耦合方法

烟气由吸收塔底部进口截面沿下倾烟道进入塔体，在上升过程中依次经过 3个喷淋层。脱硫浆液由均匀布置于喷淋层的雾化喷嘴引入，与烟气形成逆流接触，此过程包含烟气与脱硫浆液间强烈的动量的交换过程。由于液滴和烟气均按照稳定速率喷入，且液滴在塔内所占体积分数为1.4%，所以，可假设塔内流场处于稳定状态，即当脱硫塔运行稳定后，其塔内流场不随时间变化。因此，采用气液双向耦合的稳态流场算法，最终获得加入液滴喷淋后的固定的塔内烟气流动速度分布。

本文采用的气液双向耦合具体计算过程是：先计算连续相流场(此时计算域中不存在离散相)并使其收敛，然后在计算域中引入离散相，计算从每个喷射源开始的颗粒轨道。当颗粒穿过每个空间网格时，通过计算颗粒的动量变化来求解连续相传递给离散相的动量值。这个动量交换作为动量“汇”作用到随后的流体相动量平衡计算中。在经过若干次的连续相流场的迭代计算后，得到一个修正后的连续相流场，然后停止连续相流场的计算，再次引入离散相，计算颗粒轨道并得到一组新的动量交换值，然后进行若干次连续相流场的计算。重复以上步骤，直至连续相与离散相的计算结果都不会因为继续耦合计算而发生改变时视为结果收敛。在具体计算过程中，为避免因离散相对连续相流场影响过大而导致的计算发散情况，一般需要减小由离散相产生的动量源项的影响因子，这样虽然减慢了收敛速度，但保证了计算的稳定性。

2  数值模拟结果及分析

2.1  计算条件

以现有600 MW发电机组的湿法脱塔作为参考^[9]，选用典型结构、运行参数作为本次数值模拟的初始条件，如表1所示。

液滴由喷淋层上均匀分布的89个喷嘴喷出，通过赋予每个液滴的初始位置以及相应的初始速度来模拟中空螺旋喷嘴的喷淋情况。取喷淋角为90°，喷淋初始速度值为10 m/s。在以喷嘴位置为顶点向下扩展的锥形面中随机获取1个位置作为某一液滴的初始位置，假设喷嘴到液滴位置的向量方向为液滴初始速度的方向，从而可以获得该液滴沿3个坐标轴方向的速度分量。

2.2  气相场结果及分析

塔内烟气与液滴形成逆流接触，液滴喷淋会改变塔内烟气流场的分布，同时液滴运动也受到烟气流场的影响。对塔内流场分布特点进行分析可以更好地研究各粒径液滴运动信息。

表1  脱硫塔几何及运行参数

Table 1  Geometrical and operating parameters of wet desulfurization tower

喷淋塔流线图如图3所示。烟气进入吸收塔后，一部分沿入口端近壁面直接流向出口，另一部分由于受到液滴喷淋的影响在吸收塔的下部产生漩涡后沿着入口对面壁面向上流至出口。图4所示为气相场速度矢量图。从图4(a)可知：塔内烟气流速呈现中间低、四周高的整体分布。单侧进气以及单侧出口的布置使一股烟气沿着近壁面由入口快速流向出口，由于近壁面处流场液滴覆盖率较小，这股气流以较大速度通过吸收区到达出口。这一部分烟气与液滴接触不够充分，会降低烟气脱硫效率，并增加该区域液滴夹带率。而在塔中心处，由于受到液滴喷淋的影响，烟气折返向下流动。综合分析图4(b)可知，这股气流折返后小部分沿着入口对面壁面流至出口，大部分分成2股气流分别沿着入口左右两侧壁面向上流至出口，从而在喷淋层下部形成2个气流速度较大的漩涡。

总体来说，入口侧的烟气短路现象、塔下部的高速漩涡以及中心低四周高的速度分布是脱硫塔内流场的明显特征。

图5所示为喷淋层截面速度云图。从图5可知：吸收塔中心稍偏离入口处存在一个低速区，而塔壁周围速度明显偏高，其中入口左右两侧壁面处速度最大，由图3可知这是由折返气流集合沿壁面向上运动所致。随着高度的增加，塔内流场趋于均匀，但是中心的低速区仍然存在。

图3  气相场流线图

Fig.3  Motion patterns of gas field

图4  气相场速度矢量图

Fig.4  Velocity vector diagrams of the gas field

图5  喷淋层截面速度云图

Fig. 5  Velocity cloud picture of spraying layer sections

2.3  不同粒径喷淋液滴轨迹比较

在上述流场中，让喷淋层喷嘴同时喷入同一粒径示踪液滴，然后记录每个液滴的运动轨迹，可以更加直观地观察某一粒径液滴在塔内的数量分布以及分析夹带液滴的特征。本文选取4种典型液滴轨迹图进行分析。

图6所示为喷嘴喷入粒径为2 mm的液滴运动轨迹。从图6可知：粒径在塔内分布较均匀，由于单侧进风的原因，液滴轨迹偏向入口对面壁面，导致入口端液滴数量分布偏低。同时，由于壁面附近烟气速度较高，部分靠近壁面的液滴无法下落而最终撞至壁面。

图7所示为1 mm粒径液滴运动轨迹。从图7可知：与2 mm粒径液滴相比，液滴偏离入口的现象更加明显，液滴轨迹相对集中于中心低速区，并从塔下部2个高速漩涡中间通过最后落入浆液池。

图8所示为0.5 mm粒径液滴轨迹。由图8可知：大量液滴被烟气夹带至除雾区，部分液滴从塔中心处低速区下落。由于塔壁附近烟气流速较大，喷淋层中布置在壁面附近的喷嘴喷淋液滴多数被夹带向上运动，下落液滴的喷淋位置大部分处于低速区上方喷嘴。同时，液滴在下落过程中会不断向低速区集中，在此双重作用的影响下，下落液滴运动轨迹非常集中。而在快落至浆液池时，液滴受到折返烟气沿壁面上升的作用而具有往四周壁面运动的趋势。

图6  2 mm粒径液滴运动轨迹

Fig. 6  Trajectory of droplets with a diameter of 2 mm

图7  1 mm粒径液滴运动轨迹

Fig. 7  Trajectory of droplets with a diameter of 1 mm

图8  0.5 mm粒径液滴运动轨迹

Fig. 8  Trajectory of droplets with a diameter of 0.5 mm

图9所示为0.3 mm粒径液滴轨迹。从图9可知：该粒径液滴由于跟随性较强，几乎全部带至除雾区。只有低速区上方少量液滴能够下落，当落至浆液池附近时，下落液滴又随着烟气从入口对面壁面上升最终撞至壁面。

分析图6~9可知：2 mm以上粒径液滴在塔内运动轨迹稍偏离入口，整体数量分布较均匀；1 mm以下粒径液滴在吸收区的数量分布开始向塔内低速区集中，粒径越小数量分布越不均匀，这样的分布不利于脱硫浆液的有效利用。而液滴夹带则与喷淋位置有关，喷淋位置靠近壁面，夹带率高，喷淋位置靠近塔中心低速区则夹带率低。

图9  0.3 mm粒径液滴数量分布

Fig. 9  Trajectory of droplets with a diameter of 0.3 mm

2.4  各粒径液滴的分层逃逸率

图10所示为各粒径液滴在各喷淋层喷淋时的分级逃逸率。由图10可知：粒径在0.2 mm以下的液滴几乎全部被烟气夹带至除雾区，而1.2 mm粒径以上的液滴几乎不会被夹带；在液滴小于0.8 mm后，液滴的逃逸率迅速上升，直到0.2 mm时逃逸率接近100%。同时，液滴粒径小于0.8 mm后，喷淋层之间的液滴逃逸率差别较大，上层喷淋层逃逸率最大，下层喷淋层逃逸率最小。

图10  模拟流场中分级逃逸率

Fig. 10  Hierarchical escape rate of droplets in simulation flow field

为了研究塔内均匀性对液滴逃逸率的影响，同时计算在同等烟气流量下绝对均匀流场中各粒径液滴的分级逃逸率曲线。图11所示为均匀流场中分级逃逸率。从图11可知：液滴逃逸率发生突变的粒径为0.8 mm，即当液滴粒径大于等于0.8 mm时逃逸率为0，当液滴粒径小于0.7 mm时液滴逃逸率达到70%以上。此后，随着粒径的减小，逃逸率逐渐上升，直至0.2 mm时逃逸率接近1。

图11  均匀流场中分级逃逸率

Fig. 11  Hierarchical escape rate of droplets in assumed uniform flow field

比较图10模拟真实流场与图11假设的均匀流场中液滴逃逸率曲线可知：流场的不均匀性减少了0.7 mm以下粒径液滴的总体夹带，但由于该类液滴下落的运动轨迹被限制在了塔内中心的低速区，导致这部分液滴也不会得到有效利用；流场不均匀性同时导致一部分粒径大于等于0.8 mm的液滴被烟气夹带进入除雾区，这部分液滴会加重除雾系统的负担，加重除雾系统二次夹带以及阻塞问题。

2.5  各粒径液滴的分层停留时间

图12所示为不同粒径液滴在各层喷淋层喷淋时的停留时间曲线，该时间是指某一粒径下所有液滴在浆液池表面至除雾区下部范围内运动的平均时间。由图12可知：每层喷淋层停留时间曲线都有1个峰值，而随着喷淋高度的增加，其峰值对应的粒径也随之增大，下、中、上3层喷淋时对应的峰值粒径分别为0.4 mm，0.6 mm和0.7 mm。综合分析逃逸率曲线图可知：停留时间曲线峰值粒径对应的液滴逃逸率均为20%，由于该粒径液滴所受的重力和曳力相平衡，所以，其运动速度极其缓慢。而随着粒径的增大，逃逸率降低，且下降速度逐渐变大，所以，停留时间变小。随着粒径的减小，逃逸率增大，上升速度逐渐变大，从而停留时间也逐渐变小。

与逃逸率信息相同，本文同时计算假设绝对均匀流场下液滴停留时间曲线，如图13所示，为了保持时间坐标一致性，由于0.8 mm粒径过大(保持时间大于40 s)而在曲线中舍弃。从均匀流场与不均匀流场液滴停留时间的对比中可以看出，流场不均匀性导致大粒径(1 mm以上)液滴的停留时间都有所减少，这部分粒径液滴逃逸率较小，多数属于下落液滴。停留时间减少是因为流场低速区使下落液滴下降速度更快。

分析图12和图13可知：不同喷淋层喷淋液滴停留时间峰值对应的液滴粒径都不相同，该峰值粒径对应于各喷淋层逃逸率曲线开始迅速升高处的液滴粒径。同时，流场不均匀性减少下落液滴的停留时间，不利于湿法脱硫塔脱硫效率的提高。

图12  模拟流场中各粒径液滴平均停留时间

Fig. 12  Residence time of droplets in simulation flow field

图13  均匀流场中各粒径液滴平均停留时间

Fig. 13  Residence time of droplets in assumed uniform flow field

2.6  结果验证

通过参考湿法烟气脱硫实际情况，对计算结果进行验证。采用文献[16]中与实验值对比良好的Rosin- Rammler拟合曲线获得从喷嘴喷出的各粒径范围内液滴的质量流量，再使用本文计算所得各粒径液滴逃逸率结果计算得到除雾器前烟气中液滴质量流量。将总的逃逸液滴质量除以烟气量可得除雾器前净烟气中液滴质量流量为117 g/m³，这比实际生产中80 g/m³稍大^[9]的原因可能是本文暂未考虑液滴的受热蒸发而引起误差。

3  结论

1) 液滴喷淋使烟气折返在塔下部产生2个高速漩涡，并在脱硫塔中心稍偏离入口端处产生低速区。而随着高度的升高，塔内流场趋于均匀。

2) 在本文计算条件下，2 mm以上粒径的液滴能够均匀分布于塔内。而1 mm以下液滴由于受到流场的影响，液滴数量分布集中于塔内烟气低速区。

3) 液滴夹带与喷淋位置有关，喷淋位置靠近壁面，其夹带率高，喷淋位置靠近塔中心低速区则夹带率低。

4) 在本文计算条件下，当粒径小于0.8 mm时，液滴的逃逸率随着粒径的减小而迅速上升。

5) 液滴停留时间曲线具有峰值，且该峰值粒径对应的液滴逃逸率均为20%。

6) 流场不均匀性不利于湿法脱硫塔的脱硫效率的提高。

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(编辑  罗金花)

收稿日期：2015-01-10；修回日期：2015-03-10

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2013CB228505) (Project(2013CB228505) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China)

通信作者：袁竹林，博士，教授，从事气固两相流动与数值模拟、制取流体冰新方法、强化传热与热管技术等研究；E-mail: 101004322@seu.edu.cn