脱硫吸收塔深度除尘气液固三相模拟研究

葛春亮，蒋 楠，刘文榉，厉雄峰，李晨朗

（1.浙江天地环保科技股份有限公司，浙江 杭州 311100；2.中国机械设备工程股份有限公司，北京 100055）

近年来我国经济社会快速发展，同时也产生了持续增长的能源消耗，面临着严重的大气环境问题，电力行业燃煤产生的SO2和细颗粒物依然是我国大气环境的主要污染源[1-5]。石灰石-石膏湿法脱硫工艺是目前电力行业运用最为广泛的一种脱硫技术[4]。研究表明[6]，对于粉尘而言，湿法烟气脱硫（WFGD）系统的脱除效率能达到60%~80%，但该系统存在着设备投资高、布置场地受限等不足。在后超低排放时代，还需进一步提高脱硫吸收塔协同除尘能力，挖掘吸收塔深度除尘潜力[7-8]。脱硫吸收塔内部流场较为复杂，涉及到气液固三相介质流动，为了解塔内部流动变化情况、脱硫除尘影响因素及互相之间的关系，需要利用数值模拟技术进行参数分析。

近年来，国内外学者提出的三相流动模型有拟均相模型[9-10]、三流体模型[11]、欧拉-离散相模型[12]等。其中，欧拉-离散相模型针对气液固各相流动的特点，采用Eulerian-Lagrangian方法，在Euler坐标系中描述连续相的运动，在Lagrangian坐标系中描述离散相的运动，同时考虑离散相与连续相之间的耦合作用，这种模型能够较好地模拟多相流动。本文将脱硫吸收塔气相视为连续相，在Euler坐标系下计算流场，将颗粒和液滴视为离散相在Lagrangian坐标系描述其运动轨迹，同时考虑离散相和连续相之间的耦合作用，以及惯性撞击、拦截和热泳捕集作用机制，并在此数值模拟基础上，研究不同运行参数对其脱硫吸收塔的影响，探讨脱硫吸收塔深度除尘技术的可行性。

1 模型建立

1.1 物模建立

本文以喷淋脱硫塔中试装置模型为计算对象，开展脱硫吸收塔除尘系统机理研究，优化吸收塔的协同除尘性能。脱硫塔结构示意如图1所示。

图1 脱硫塔结构示意Fig.1 Schematic diagram of the desulfurization tower structure

烟气携带颗粒物从脱硫塔下方的入口进入脱硫塔，经过入口上方的均流增效板后截面烟气分布更加均匀。烟气经过喷淋区与喷淋而下的浆液滴逆流接触反应，浆液滴最终会落入浆液池中。烟气经过喷淋区除去SO2、颗粒物等污染物后，进入除雾区，将烟气中携带的大部分液滴去除，最后烟气通过出口烟道排出脱硫塔。

在进行数值计算时，需要对气液固三相流动情况进行如下基本假设和简化：1）流动为定常不可压缩流动；2）壁面绝热；3）不考虑内部介质化学反应的影响；4）不考虑液滴的碰撞、破碎、聚并；5）近似认为液滴为圆球体形状，且液滴粒径不发生改变；6）不考虑除雾器对流场和颗粒物捕集的影响，将均流增效板作为porous-jump处理；7）认为颗粒相对气液两相无影响。

1.2 数模建立

对湿法脱硫系统的协同除尘性能进行可靠的数值模拟，必须建立脱硫塔内三相流动的数学模型及其相应的计算方法。首先，建立塔内气液两相流模型，进行两相流动的数值模拟并得到相应的流场信息；然后，加入颗粒物的计算模型进行除尘效率模拟计算。

1.2.1 气液两相流动控制方程

考虑气液两相的流动特征，采用Eulerian-Lagrangian多相流模型。湍流模型则使用Realizablek-ε模型，该模型在标准k-ε模型的基础上对正应力进行了一定的数学约束，已经有效应用于包括旋转均匀剪切流、管道内流动、带有分离的流动等不同类型的流动模拟。

1.2.2 颗粒相控制方程

在喷淋脱硫塔内除尘效率的计算中，假设固相与气相间不存在能量交换，颗粒物质量浓度在塔内是连续分布的，因此可以将颗粒物视作气相的1个组分。考虑对流、扩散等对颗粒的影响，针对计算域内的任意1个控制体，分析颗粒的动态平衡，建立颗粒的输运方程：

1.2.3 协同除尘模型

本文主要考虑惯性撞击、拦截和热泳捕集作用机制对于液滴捕集颗粒物过程的影响，并以此作为湿法脱硫塔内协同除尘效率的计算前提。

根据文献[13-17]得到在惯性、热泳和拦截3种机制单独作用下单液滴对于颗粒的捕集效率公式，计算得到单液滴捕集效率Ein、Eth、Edi。单液滴对于颗粒的总捕集效率E为

将单液滴捕集颗粒物的总效率E通过颗粒汇项引入脱硫塔协同除尘性能的计算中：

根据以上公式建立颗粒物模型，编写用户自定义函数导入Ansys软件，以气液两相的计算结果为基础，进行塔内除尘效率的计算。

2 气液两相温度场分析

烟气以400 K的初始温度从脱硫塔入口进入，在塔内的温度分布如图2所示，气液两相相对温度纵截面分布如图3所示。

图2 气相温度纵截面分布Fig.2 The cloud chart of gas phase temperature distribution on the longitudinal section

由图2可见，纵截面等温线的分布呈现下凹形状，形成不同的颜色分区，有明显的颜色分界。这主要是由于相应位置的液滴体积分数较高，其中凹下去的区域为喷淋层下方的液滴迹线交叉点，而分界线中位置较高的部分处于喷嘴所在的位置，也是液滴的聚集区，因此烟气在这些区域与液滴发生热交换失去较多热量，导致烟气温度明显下降。

由图3可见：液滴在塔内的温度变化小，塔内两相温差的变化主要受到烟气温度变化的影响；喷淋层区域的气液两相温差明显较高。这主要因为该区域的烟气温度高，两相温差峰值（76.2 K）位于入口对侧壁面处，而随着塔内高度增加，气液两相温差不断减小。两相温差大，有利于液滴对颗粒的热泳捕集。

3 运行参数影响分析

模型所采用的颗粒粒径在0.045～10.000 μm范围内，分别选取粒径为0.045、0.085、0.140、0.215、0.330、0.525、0.825、1.300、2.050、3.450、5.600、8.400、10.000 μm的13种不同颗粒。其中，粒径小于1.300 μm的颗粒物统称为亚微米级颗粒物，粒径为1.300~10.000 μm的颗粒物统称为微米级颗粒物。每次模拟计算只有1种粒径的颗粒进入脱硫塔内进行脱除效率计算，选取6种重要运行参数（表1），分析其对脱硫塔除尘性能的影响。得到不同影响参数下脱硫塔除尘效率的变化规律，提出合理的运行参数组合方式，用于指导脱硫塔协同除尘性能的优化工作。

表1 6种重要运行参数Tab.1 Six important operation parameters

3.1 液滴粒径对除尘效率影响

在液滴喷淋量保持不变的情况下，液滴粒径的减少会使塔内液滴数目有所增加，从而能捕集更多颗粒物。不同粒径颗粒除尘效率随液滴粒径的变化如图4所示。由图4可以看出：当颗粒粒径大于0.825 μm时，随着液滴粒径的减小，除尘效率单调递增；粒径小于0.525 μm的颗粒随着液滴直径的减小，除尘效率会先增加后减小。这是由于减小液滴粒径的同时会导致液滴的自由沉降速度下降，即塔内气液两相之间的相对速度减小，绕流液滴的颗粒量就会减小，因此除尘效率会先增加后减小。

可见，液滴粒径的变化可以使脱硫塔的协同除尘性能发生较大的改变，因此在优化其除尘性能时，减小喷淋液滴的粒径可以有效提升粒径在0.825 μm及以上微米颗粒的除尘效率。

图4 不同粒径颗粒除尘效率随液滴粒径的变化Fig.4 The influence of droplet diameter on particle remove efficiency

3.2 烟气流速对除尘效率影响

不同粒径颗粒除尘效率随烟气流速的变化如图5所示。由图5可见，塔内除尘效率随颗粒粒径的变化趋势均相同。亚微米颗粒的除尘效率均低于20%；颗粒粒径从0.825 μm开始增大时，除尘效率开始迅速增加；粒径在3.450 μm以上的颗粒除尘效率都大于95%；颗粒粒径增至10.000 μm时，除尘效率达到最大，接近于100%。

图5 不同粒径颗粒除尘效率随烟气流速的变化Fig.5 The influence of flue gas velocity on particle remove efficiency

由此可见，烟气流速的提升虽然对塔内颗粒物的去除有一定的促进作用，但是对亚微米颗粒物除尘效率提升效果不显著。受惯性捕集机制的影响，气液相对速度升高后，单液滴惯性捕集效率升高，1.300 μm和2.050 μm粒径颗粒的捕集效率得到提升。但烟气流速并不能一味增加，需考虑整体脱硫系统的烟气量及塔径，因此烟气流速变化幅度较小。

3.3 液气比对除尘效率影响

不同粒径颗粒除尘效率随液气比的变化如图6所示。

图6 不同粒径颗粒除尘效率随液气比的变化Fig.6 The influence of liquid-to-gas ratio on particle remove efficiency

由图6可见，粒径范围在0.525 μm及以下颗粒，随着液气比的增加，其除尘效率的变化幅度较小，主要是因为液滴对粉尘的捕集效率较低，所以液滴数目增加对于除尘效率的提升也比较缓慢。在液气比从10.00 L/m3升高到25.00 L/m3时，粒径为0.825、1.300、2.050 μm颗粒的除尘效率增加最多，分别从10.65%、30.84%、73.06%升高到20.95%、57.68%、95.36%，且增加的幅度随着液气比增加而逐渐放缓。对于微米级颗粒，塔内的单液滴捕集效率高，因此液气比增加时，液滴数目增多，塔内颗粒物的累计捕集效果得到明显提升。对于5.000 μm以上的大颗粒，单液滴的捕集效率很高，尽管液气比降低到10.00 L/m3，除尘效率依然高达99.9%以上。

可见，液气比的提升有助于各粒径段在塔内脱除效率的提升，但是液气比增加到一定数值时，继续增加液气比不再有助于除尘效率的继续升高，此时需要从系统的经济性出发优化脱硫塔性能。

3.4 喷淋参数对除尘效率影响

喷淋参数主要包括喷淋速度、喷淋层数及喷淋温度。通过调节各个喷淋参数来探究对脱硫塔内除尘效率的影响。图7为不同粒径颗粒除尘效率随初始喷淋速度的变化。由图7可见，液滴初始速度增加不利于亚微米颗粒物的脱除，且液滴速度的改变对微米级颗粒捕集效率的提升也有限。因此，不建议通过改变初始喷淋速度来优化脱硫塔对颗粒物的捕集作用效果。

图7 不同粒径颗粒除尘效率随初始喷淋速度的变化Fig.7 The influence of initial spray speed on particle remove efficiency

图8 为不同粒径颗粒除尘效率随喷淋层数的变化。由图8可见，在保证液气比不变的前提下，增加喷淋层数，液滴作用的区域体积增加，使得液滴分布更加均匀，扩大了颗粒与液滴接触的区域，使得颗粒有更多的停留时间被液滴捕集，但除尘效率变化并不十分明显。另外，喷淋层数受脱硫塔整体建筑高度所限，以及工程造价的制约，变化幅度有限。

图9 为不同粒径颗粒除尘效率随初始喷淋温度的变化。气液两相温差是决定单液滴对颗粒物热泳捕集作用的主要影响参数，液滴初始温度的变化通过改变气液两相温差从而改变了塔内液滴对颗粒物的热泳捕集作用强弱。由图9可见：初始喷淋温度的变化对亚微米颗粒的脱除影响较大，这是由于亚微米级颗粒物的捕集以热泳捕集机制为主导；但是初始喷淋温度的变化对微米级颗粒的脱除并无显著影响。

图9 不同粒径颗粒除尘效率随初始喷淋温度的变化Fig.9 The influence of initial spray temperature on particle remove efficiency

4 结 论

1）典型工况下，整体脱硫塔对亚微米级颗粒物的捕集效率较低，其效率在10%左右。在气液两相温差和液滴体积分数共同影响下，塔内颗粒物捕集主要依靠热泳机制而被液滴捕集。温差较大的塔体下半部分和喷淋层下方的液滴聚集处是亚微米级颗粒物被捕集的主要区域。

2）喷淋过程对微米级颗粒物的捕集效率更高，其在脱硫塔内的捕集主要受到气液两相温差和液滴体积分数的影响，惯性捕集是液滴捕集微米级颗粒物的最主要机制，全塔的除尘效率达99.98%以上。微米级颗粒被捕集的主要区域为颗粒数浓度下降很快的塔体下半部分、喷淋层下方的液滴聚集处以及吸收塔壁面附近气液两相相对速度较大的区域。

3）在亚微米及微米级过渡区间（粒径1.300~2.050 μm）的颗粒物，同时受到热泳和惯性捕集机制的影响，其运行参数的变动会较为敏感。

4）减小液滴粒径，是提升不同粒径颗粒物除尘效率的最佳方式，液滴直径小于1 mm时除尘效果最佳。塔内烟气流速的增加对微米级颗粒除尘效率的提升效果较为显著，满负荷时除尘性能相对最好。液气比的升高对微米级颗粒的除尘效果有一定的增强作用，但是持续的升高液气比对除尘效率影响不大，建议该塔液气比不超过20.00 L/m3。

5）喷淋参数即喷淋速度、喷淋层数和喷淋温度，对其除尘效率的影响并不十分显著。考虑到工程造价的制约及经济因素，保持在典型工况下的相关参数即可。