船用脱硫塔烟道喷雾脱硫模拟及试验分析

周 密，冯兆缘，毕坚裔，马紫阳，卢 江，陈 宁

(1. 江苏科技大学 能源与工程学院，江苏 镇江 212003；2. 渤海船舶重工有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引 言

湿法烟气脱硫技术（WFGD）是目前去除烟气中SO2的重要技术，在整个烟气脱硫工业中，其使用率超过了80%[1]，烟道喷雾脱硫技术是通过把部分进口烟道作为吸收反应区，在烟道侧面安装高效雾化喷嘴[2]，使喷出的浆液颗粒由传统的2 000 μm 降低到50～80 μm[3]，将浆液充分雾化与烟气预混进入塔内，以增加烟气与脱硫浆液的接触时间，从而达到提高已投运、吸收区域固定脱硫塔脱硫效率的目的。在脱硫塔SO2吸收过程模拟方面，Kiil 等[4]利用双膜理论对格栅填料塔内的SO2吸收过程进行了模拟并提出了加强传质效率的方法。Selene M.A. Guelli U. Souza 等[5]提出石灰石浆液液滴的吸收过程模型，分析了浆液液滴粒径和pH 值之间的关系。L.E. Kallinikos 等[6]分析了塔内的石灰石浆液吸收SO2的过程，得出浆液雾化液滴平均直径将会直接影响脱硫系统的脱硫效率。F.J. Guti érrez Ortiz[7]分析了带有多层喷淋层的吸收塔内浆液对脱硫效果的影响，提出上层喷淋层对下层喷淋层的脱硫效果产生影响且为正向增益效应的结论。Warych 等[8]分析了石灰石浆液的溶解过程和SO2的吸收过程，得出了脱硫效率随pH 值、液气比等运行参数的变化趋势。Brorben等[9]基于渗透理论对脱硫塔内的SO2吸收过程进行了模拟，得出塔内的SO2吸收过程大部分是由液相传质控制的过程，只有在塔顶部SO2浓度极低的环境下是由气相传质控制。李荫堂等[10]研究了塔内液滴的停留时间，得出平均直径小、分布均匀的雾化液滴可以使液滴总的停留时间增长。李仁刚等[11]对液滴直径对气液传质面积的影响进行了研究，指出在烟气速度保持稳定的前提下，传质面积随着液滴直径减小而增大。张晓东等[12]依据传质理论和脱硫相关化学反应，建立了浆液液滴吸收烟气的传质速率模型和反应区的平衡方程。上述研究对于SO2吸收过程主要对象为传统的脱硫塔，而对于采取喷雾脱硫技术后，脱硫塔内SO2吸收过程的模拟方面研究较少。本文将基于双膜理论建立SO2的传质模型，通过用户自定义模块将其嵌入Fluent 软件中，对不开启和开启烟道雾化喷嘴，脱硫塔内SO2吸收过程进行模拟，并通过相关试验对模拟结果进行对比分析，为烟道喷雾技术的脱硫效果提供理论支撑。

1 试验系统

船舶废气脱硫系统流程示意图及脱硫塔试验台架如图1 所示。该试验系统主要分为4 个部分：脱硫塔主体、浆液制备系统、浆液循环及喷淋洗涤（包括烟道喷雾）、脱硫废水处理系统。于脱硫塔进口烟道不同位置增加1～2 个高效雾化喷嘴，其喷射的浆液量为未加雾化喷嘴时整个喷淋层系统所供浆液量的5%，液气比（喷淋浆液与烟气的体积流量之比）为16，脱硫浆液的pH 值为5.5。

试验工况模拟为船舶主机的额定工况，其总排烟量为57 150 Nm3/h，SO2初始质量分数为0.24%，烟气经海水冷却至298.15 K，通过变频风机送入脱硫塔内。烟气先经烟道处雾化喷嘴喷雾混合，再与3 层喷淋层喷射的脱硫浆液反应，经塔顶部除雾器脱除水分后排出塔外。脱硫浆液制备系统分为浆料罐、将料泵、搅拌电机3 部分。脱硫塔底部设有浆液收集槽，用以回收喷淋浆液并通过喷淋泵送至喷淋层循环使用。

出口SO2的质量分数根据ecom-J2KN 烟气分析仪的采样探头测得，脱硫效率由下式计算得出：

图1 船舶废气脱硫系统流程示意图及脱硫塔试验台架图Fig. 1 Schematic diagram of the process of the ship exhaust gas desulfurization system and diagram of desulfurization tower test bench

式中：y 为脱硫效率；cin为进口SO2质量分数；cout为出口SO2质量分数。

2 数学模型及计算参数

2.1 计算区域与网格划分

脱硫塔计算区域的网格划分及所建立A-A 截面如图2所示。其中A-A 截面为距烟气入口0.4 m 的观察截面。

2.2 基本假设

在对脱硫塔塔内流场进行模拟时，遵循以下基本假设[13]：

1）烟气视为不可压缩的理想气体；

2）由于实验和数值模拟均在常温下进行，所以忽略气液两相间、气液与塔壁之间的热量传递；

3）假定液滴分布均匀，忽略其破碎、蒸发、碰撞等情况；

4）忽略喷嘴等细部构件结构本身对流场的扰动。

2.3 数学模型

2.3.1 SO2吸收模型

SO2吸收模型依据双膜理论建立，得到气液界面上SO2的传质通量为：

图2 脱硫塔计算区域与网格划分Fig. 2 Desulfurization tower calculation area and meshing

式中：NSO2为SO2的传质通量，mol/（m2·s）；kg，SO2为SO2的气相传质系数，m/s，由文献[14]中的公式计算得出；R 为理想气体常数；T 为烟气温度，K；PSO2为气相主体中的SO2的分压，Pa，由Fluent 软件的用户自定义宏得出；PSO2*为气液界面上SO2的分压，Pa，由文献[15]中的模型计算得到。利用用户自定义函数来描述这一方程，即可模拟SO2的吸收过程。

2.3.2 气液两相的流场参数和边界条件

气液两相的流场参数和边界条件如表1 所示。

3 模拟结果与分析

3.1 A-A 截面速度云图

图3 为无和有烟道雾化喷嘴时A-A 截面的速度云图和烟道顶面雾化喷嘴的喷射轨迹图。布置烟道雾化喷嘴时，A-A 截面处的速度比没有布置烟道雾化喷嘴时的速度略小，并且速度分布也更加均匀。安装烟道雾化喷嘴，经其喷射进入烟道的雾化液滴对烟气的分布产生了一定的扰动，使得烟气在塔内分布的均匀性增强。

3.2 脱硫塔y=0 截面SO2 质量分数云图

图4 为脱硫塔y=0 截面的SO2质量分数云图。可以看到，没有布置烟道雾化喷嘴时，烟气直接进入塔内与喷淋浆液接触反应；烟道顶面、右侧面、左侧面、左+右、左+顶、右+顶面安装雾化喷嘴时，进口烟气和雾化喷嘴喷射的液滴进行预混，进入塔体内部与喷淋浆液充分反应。通过Fluent 软件检测出口SO2质量分数，由式（1）计算脱硫效率依次为95%，96.32%，96.54%，96.78%，98.40%，97.81% 和97.32%。其中，1 个位置安装高效雾化喷嘴时，安装在左侧面脱硫效果最好；2 个位置安装高效雾化喷嘴时，分别安装在左+右侧面脱硫效果最好，此结果与方磊等[3]研究结果相同。

表1 气液两相的流场参数和边界条件Tab. 1 Parameters and boundary conditionsof gas and liquid flow field

图3 A-A 截面速度云图Fig. 3 A-A section velocity cloud

图4 脱硫塔y=0 截面SO2 质量分数云图Fig. 4 Desulfurization tower y = 0 cross section SO2 mass fraction cloud

4 试验方案与结果分析

4.1 试验方案

1）在试验前，需维持脱硫塔系统运行参数的稳定，即需要保持烟气流量为15.875m3/s，烟气的温度为298.15 K，液气比（喷淋浆液与烟气的体积流量之比）为16，脱硫浆液的pH 值为5.5，在此情况下，ABC 三层喷淋层同时开启，同时保持雾化喷嘴关闭，稳定运行8 h 后，测定其脱硫效率。

2）分别开启烟道顶面、右侧面、左侧面、左+右、左+顶、右+顶面安装的雾化喷嘴，以喷嘴流量为45.72 m3/h 稳定运行8 h 后，测试脱硫效率。

3）保持系统稳定运行，调节烟道雾化喷嘴浆液的流量，以测试左+右侧面开启雾化喷嘴时不同流量（0，9.144，18.288，27.432，36.576，45.72 m3/h）对脱硫效率的影响。

4.2 试验结果与分析

由图5 可知，当喷淋层正常运行，未开启雾化喷嘴时，脱硫系统稳定运行8 h，脱硫塔的脱硫效率的平均值达到了94.80%；运行期间脱硫效率值在其基础上的一定范围内波动。分别开启烟道顶面、右侧面、左侧面、左+右、左+顶、右+顶面的雾化喷嘴，稳定运行期间，脱硫效率得到了明显的提升，脱硫效率的平均值依次为96.21%，96.39%，96.52%，97.80%，97.53%，97.22%，不同情况的脱硫效率试验平均值与模拟值相近。其中，安装1 个雾化喷嘴时，安装在左侧面上，脱硫效率最高达到96.52%；安装2 个雾化喷嘴时，安装在左+右侧面上，脱硫效率最高达到97.8%，与未开启雾化喷嘴时相比，分别提高了1.72%和3%，这表明开启雾化喷嘴能够有效提高原有脱硫系统的脱硫效率。

图5 不同位置是否开启雾化喷嘴对脱硫效率的影响Fig. 5 Effect of opening and closing atomizing nozzle on desulfurization efficiency in different positions

由图6 可知，当喷淋层正常开启，雾化喷嘴流量分别为0，9.1 4 4，1 8.2 8 8，2 7.4 3 2，3 6.5 7 6，45.72 m3/h 时，对应的脱硫效率值依次为94.36%，95.42%，95.96%，96.58%，97.18%，97.76%，此结果表明雾化喷嘴浆液流量由0～45.72 m3/h 的过程中，脱硫系统的脱硫效率由94.36%逐步增大至97.76%，增大趋势基本呈线性，若继续增大雾化喷嘴流量，脱硫效率将继续增大，但是由于脱硫塔进口烟道空间有限，即实际中仅能安装2 个高效雾化喷嘴，而每个喷嘴的最大喷射量有限，所以导致脱硫效率在实际过程中不能无限增大。

图6 雾化喷嘴流量对脱硫效率的影响Fig. 6 Effect of atomizing nozzle flow on desulfurization efficiency

5 结 语

基于SO2传质模型对脱硫塔进口烟道处不开启以及分别开启不同位置的雾化喷嘴时，塔内SO2的吸收情况进行模拟分析，并通过试验对比验证，其结果如下：

1）在脱硫塔进口烟道处布置高效雾化喷嘴，雾化液滴对烟气的流动产生了一定程度的扰动，烟气在塔内的分布更加均匀，液滴能够更加有效地与烟气接触反应。

2）安装雾化喷嘴，雾化的液滴与进口烟气进行预混之后进入塔体，可明显提高脱硫效率。其中，当只在1 个位置安装雾化喷嘴时，在左侧面安装，脱硫效率最大达到了96.78%，当在两两不同组合侧面安装雾化喷嘴时，在左侧面和右侧面安装，脱硫效率最大达到98.40%，分别比没有开启雾化喷嘴时增加了1.78%和3.4%。此模拟脱硫效率的数值相比试验数值，误差较小。

3）在其他运行参数保持稳定的条件下，雾化喷嘴浆液流量由0～45.72 m3/h 的过程中，脱硫效率由94.36%逐步增大至97.76%，基本呈线性增大趋势。