吸收塔内环孔管分布器数值仿真及性能分析

陈善友 黄坤荣 吴彬 刘子建

摘      要： 为提高CO₂捕集系统中吸收塔脱碳能力，从气体均匀性和压降损失着手针对孔管分布器进行优化。通过Fluent 15.0对四进气口环孔管分布器进行模拟仿真，结果表明：四进口环孔管分布器使得进口烟气在吸收塔内的不均匀系数M在0.2～0.6之间，分布均匀性较未加分布器明显改善，且烟气在各孔出口速度基本接近，进而使得气体在相对高度截面上对称性良好;在近壁面上烟气速度接近于零，很大程度上避免了反应时对壁面腐蚀;随着烟气进口速度增大，整体均匀性上升，压降随之增高，通过孔管的动能损失增大。

关  键  词：吸收塔;环孔管分布器;均匀度;压降

中图分类号：TQ051.1       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）11-2569-04

Numerical Simulation and Performance Analysis of Ring-Hole

Tube Distributor in Absorption Tower

CHEN Shan-you， HUANGg Kun-rong， WU Bin， LIU Zi-jian

（School of Mechanical Engineering， University of South China， Hunan Hengyang 421001， China）

Abstract： In order to improve the absorption rate of CO₂ in the flue gas in the absorption tower of the CO₂ capture system， the pore tube distributor was studied and optimized from the aspects of uniform gas distribution and pressure drop loss. Fluent15.0 was used to simulate the four-inlet ring-hole tube distributor. The results showed that the four-inlet ring-hole tube distributor made the distribution uniformity of the inlet flue gas in the absorption tower significantly higher than that without the distributor， and the uniformity M was in the range of 0.2～0.6， the velocity of the flue gas at the outlet of each hole was approximately the same， which in turn made the symmetry of the gas in the relative height section good; on the near wall， the velocity of the flue gas was close to zero， and the corrosion of reactions on the wall surface was avoided.As the inlet speed of the flue gas increased， the overall uniformity increased， and the pressure drop also increased， and the kinetic energy loss through the orifice tube increased.

Key words： Absorption tower; Ring-hole tube distributor; Uniformity; Pressure drop

CO₂捕集系統中，烟气吸收是整个系统设计的重点考虑因素，它将直接影响捕集系统的捕集效率和能量损耗。CO₂在吸收塔内分布更均匀，气体与吸收液混合更充分，可提高捕集效率。喷淋塔内部构造简单，喷口管道尺寸较小，散热性和接触充分性都较填料吸收塔效果更佳，相比其它类型吸收塔应用更为广泛，所以即使是高热化学反应，喷淋塔也仍然适用，其缺点是喷淋塔内烟气分布均匀性较差^[1]。陈冠举等^[2]针对阿姆河气田天然气脱硫脱碳问题，将MDEA吸收塔进行优化，增添了反馈调节机制，提高了生产效率，方案切实可行。

孔管分布器通常用来提高流体分布均匀性，尤其在化工、水利等领域应用广泛，其结构简单，制造成本低，实际应用时能量损失小。传统孔管分布器以直孔管分布器最具代表性，在工程应用中也较为常见，其缺陷是孔管出口处存在速度分布不均的现象，烟气在管口处流速过大，且管口处阻力较大^[3]。通过分析上述问题，发现增设环孔管分布器可有效改善管口气流速度分布不均的现象，使喷淋塔内烟气具有较好均匀性，同时降低压力损失，并且制作和安装都较为简单，工艺难度低。

如今数值模拟仿真技术的成熟运用，也推动着化工及机械等领域高速发展。更多的研究人员开始应用CFD进行烟气流动模拟，以更加准确并高效模拟内部流体运动状况。王毅等^[4]针对化学气相沉积反应室，以CFD有限元模拟仿真形式对其内流场进行了分析，并合理布置分布器孔直径及孔间距，使气流通过该分布器后具有更良好均匀性。而陈轶光等^[5]先讲述了几种常见的气体分布器，并对其优缺点进行分析概括，并在此基础上进行优化，设计出一种新型水冷塔用循环气体分布器，通过Fluent对其冷却过程进行仿真，结果表明该新型分布器可有效提高其分配性能并降低压力损失。CX Li等^[6]通過数值模拟仿真探究几种常见分布器，分析对比其气流分配能力，并进行优化设计得到一种新型分配器，使中心集合现象得到改善，在速度分布、压降等方面表现优异，综合性能较原分配器有明显提高。丰存礼^[7]则是针对气体分布器结构参数进行优化分析，采用Fluent模拟气流运动过程，分别研究了不同参数下分布器性能。因此，本文采用流体力学Fluent软件，以环孔管分布器进口数、烟气分布均匀度、进口烟气速度作为主要参数指标，对系统整体性能进行优化研究。

1  分布器模型建立

1.1  物理模型

本文研究对象为CO₂喷淋吸收塔，塔径3 m， 高5.5 m， 并采用四进气管结构，管径0.75 m。该装置中分布器采用多孔环管结构，为降低CO₂进入孔洞时动量损失，孔径与孔数均应在合理范围内。本研究采用三层孔结构，其中孔径0.2 m，孔总数36，环孔管分布器与塔底相对高度1.2 m（图1-2）。

1.2  数学模型建立

本模型雷诺数远大于4 000，可将烟气在吸收塔中流动状态视为充分发展湍流。故采用标准方程，其中湍动能和方程^[8]如下：

湍动能                       （1）

湍动能耗散率               （2）

式中：—湍动能模型参数;

—管道管径，m，

取： =0.005;

 =0.005。

多孔管内流体流动为变质量流动，通过动量方程分析其内部静压变化，可用以下方程^[9]表示：

（3）

式中：—压强，Pa;

—动量交换系数;

—密度，kg/m³;

—摩擦阻力系數;

—管径， m。

1.3  边界条件

管入口烟气由多种气体组成，本文就脱硝、脱硫后烟气进行研究，气体中仅含CO₂、O₂、N₂，分别占比15%、15%、75%，气体密度=1.37 kg/m³。烟气进口速度分别取20、25、30、35 m·s^-1。管出口使用压力出口边界条件。

2  性能指标

烟气通过分布器时分布均匀度和动量损失情况是评价分布器性能的主要标准，用均匀度表征烟气分布情况，压降表征动量损失^[10]。高性能分布器需具备以下特征：烟气阻力小;烟气可快速达到良好均匀度，且大口径喷淋塔烟气吞吐量较大，需用更高进气速度以满足实际工程应用要求^[11]。取进气速度15、20、25、30、35 m·s^-1分析，比较不同烟气进口速度时不均匀度M、压降。

2.1  不均匀度M

气体分布均匀度通过采集样点速度分布方差求得，按照公式（4）计算出气体分布不均匀度。图3为喷淋塔截面速度样点分布情况。

        （4）

式中：—气体平均速度，m/s;

—沿轴方向流速，m/s;

—测量点个数;

M—表示气体分布不均匀程度。

2.2  压降

压差是用来衡量气体分布器的重要指标，为简化分析过程，可以用=^[12]表征，即分布器进出口压力差值，单位为Pa。

3  数值计算分析

3.1  速度云图分布

以15 m·s^-1进口速度作为边界条件，对经过四进口环孔管分布器进入到喷淋吸收塔内烟气流场进行模拟仿真。其YZ、XY截面速度云图分别如图4、图5所示，气流通过环孔通道后，动量损失小，各通道排出烟气出口速度基本相同，且在Y向对称性良好。从YZ、XY截面速度云图可以看出，烟气入口速度在轴向截面分布较均匀，多聚集在中间位置，边界处速度几乎为0。在吸收CO₂过程中，降低了塔壁损伤，可延长其使用寿命。

针对喷淋塔内烟气分布均匀性，取不同高度截面进行研究。距环孔管分布器水平中心高度D分别为0、0.5、1、2、3、4m截面的速度云图依次如图6所示。结果表明，随截面高度增加，烟气速度差值减小，烟气速度分布均匀性提高。其主要原因为孔管分布器孔洞尺寸与烟气进口截面尺寸存在较大差距，当烟气通过孔管中孔洞时，明显高于周围区域流速。喷淋空塔中，烟气通过分布器后，仅受空气阻力作用，自由扩散至出口，直到烟气在喷淋塔中分布呈稳定状态。

3.2  不均匀度M值分析

由于喷淋塔及分布器实际尺寸较大，实验周期

长成本高，故本文仅采用Fluent软件进行数值模拟。为验证模拟结果有效性，以惠宇等^[13]所研究双切环流气体分布器性能实验数据作为实验组进行模型对比验证。以烟气进口速度15、20、25、30、35 m·s^-1作边界条件对分布器性能进行研究。

取距环孔管分布器水平中心截面高度0.5、1、2、3、4 m截面不均匀度M作为依据。各速度下不同截面M值及惠宇实验数据对比如图7所示。

通过图7可知，数值仿真结果与惠宇实验数据结果趋势一致。随着入口速度增加，同一高度截面速度分布不均匀度呈现下降趋势;速度条件不变，随截面高度增加，烟气分布不均匀度亦呈现降低趋势。本文研究对象内部气体分布均匀性较佳，烟气分布不均匀度维持在0.2～0.6之间，相较未加分布器得到很大改善，并且烟气在塔内Z向不同位置分布较均匀，在喷淋塔建造过程中，可节约建造成本。

3.3  压降分析

不同速度下压降情況如图8所示。

数值仿真值满足实验数据结果。进口烟气速度增加会导致压降上升。进口烟气速度较小时，其产生压降相应减小，导致CO₂分布均匀度相对升高，单位时间内所能处理烟气量也会减少，因此进口速度选择应该根据实际情况具体考虑。

4  结 论

（1）喷淋塔内烟气分布均匀度采用四进口环孔管分布器可得到很大程度提高，烟气在高度截面上轴向对称性良好;该分布器使进口烟气在进入吸收塔后，近壁面区域流动速度接近0，可对吸收反应时壁面腐蚀起到良好控制效果;

（2）数值仿真结果与相关实验数据结果趋势一致。随着进口速度增加，同一高度截面速度分布不均匀度呈现降低趋势;同一速度时，随截面高度增加，烟气分布不均匀度亦呈现减小趋势。烟气在喷淋塔内分布不均匀度在0.2～0.6之间，相比未配置分布器，其均匀性得到极大改善。

（3）进口烟气速度增加导致压降上升。进口烟气速度与压降呈正相关，速度较小时，烟气分布均匀度升高，单位时间内烟气处理能力降低，进口速度选取应据实际情况具体考虑。

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