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 FG D 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 stigat2 ed at laboratory scale te st facility.An aerodynamic model ha s been developed for FG D spray scrubber,and a discussion on drop re sistant time,ga s pre ssure drop and ma ss transfer area wa s carried out ba sed on the model.K ey words:FG D 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S O2浓度较低,体积分数通常<3000×10-6,且S O2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44.5m/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 1.25～2.3m2.3～3.25m4.01217615214714216190168162961901894.5122641621581431220018016352267253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5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:ΔP =3L ρg 4D ∫λu 2dt(1)液滴在塔内的运动速度由方程(2)确定。

43(ρ1-ρg )ρgg -λu2=43D ρL ρg×d (u +v )dt (2)式中τ为液滴在吸收塔内的停留时间,s ;D 为液滴直径,m ;ρg 为气相密度,kg/m 3;ρL 为液相密度,kg/m 3;λ为曳力系数;L 为吸收液喷淋密度,m 3/m 2・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=u 0h |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 =1ΔP -ΔP ′ΔP (5)式中ΔP 为实测吸收区阻力,Pa ;ΔP ′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λ、D 值,优化方法为单纯形法。

计算结果为:λ=0.51;D =0.0023m根据Lihou 的研究结果,雷诺数在400～2500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 (m 2/m 3)根据下式计算:M =L ×τ43π(D 2)3×4π(D2)2h=6LτDh(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0.063m 3/m 2・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 。

6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 =0.063m 3/m 2・s )烟气流速/m ・s -1D =0.0020mD =0.0023mD =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/m 2・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/m 2・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/m 2・m -33.000.5968334.30.5460827.30.5054922.44.000.7384542.40.6373731.90.5765725.54.500.8596049.40.7082035.40.6272427.75.00 1.07113462.20.8192741.00.6880330.45.50 1.56147990.7 1.00108550.60.7890434.95.80 2.361992137.2 1.20123760.70.8798538.96.00 3.792890220.41.43139472.30.95105342.56.20 1.83165892.5 1.06113947.46.40 2.712217137.0 1.22125854.66.503.672818185.61.34134060.66.802.09183393.56.90 2.732231122.17.004.063064181.6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。