吸收塔导流环均流作用分析
2018-07-17 10:38:51
吸收塔导流环均流作用分析
雷胜楠1，蒋成军1
（1．浙江BWIN必赢·(中国)官方网站，浙江省 绍兴市 312000；）
摘要：本文设计一种吸收塔导流环，通过应用于吸收塔喷淋层，改善烟气分布，使进入吸收塔内的烟气分布均匀，避免偏流，同时能防止烟气爬壁短路，并可将吸收塔壁上浆液再次引入喷淋区，提高脱硫效率；设计导流环为截面是等边三角形的圆环，其边长取100mm~500mm不等，结果表明，覆盖率约为10%~15%，烟气在整个喷淋区域内爬壁现象得到改善效果较好。
关键词：吸收塔；导流环；烟气均布；
0引言
在吸收塔内增加均流构件能有效改善吸收塔内烟气分布，烟气和浆液的流场分布影响吸收塔内传质、传热和反应进行的程度。在吸收塔喷淋管层设置烟气导流环，有利于改善烟气分布，使进入吸收塔内的烟气分布均匀，避免偏流，同时能防止烟气爬壁短路，并可将吸收塔壁上浆液再次引入喷淋区，提高脱硫效率。
郭瑞堂[1] 通过安装气液传质强化构件，对湿法烟气脱硫喷淋塔内的气液传质进行了优化试验研究及模拟。结果表明，气液传质强化构件能够防止烟气沿塔壁逃逸，整流气相流场，强化气液两相在吸收区的混合，有利于SO2吸收，通流截面一定时，喷淋区压降和脱硫效率随构件与水平面夹角的增大而增大，构件与水平面夹角一定时，喷淋区压降和脱硫效率随通流截面的增大而减小；徐敬[2]在工艺计算基础上实现了石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统设计的图形化、可视化，使设计者能够在良好的操作界面引导下，完成系统配置、参数输入、工艺计算、设备选型及经济分析等操作，提高了工作效率、缩短了设计周期和决策时间；孟宪禹[3] 模拟研究了除雾器、喷淋浆液、喷淋方向、塔高以及出口方式等对脱硫塔内部流场的影响，研究结果表明：除雾器对脱硫塔的流场有较大影响，在模拟过程中不能忽略；浆液的喷淋对烟气流动有整合作用，且向上喷淋更有利于流场的均匀整合，更有利于除雾器除雾，且改变喷淋方向对流场阻力的影响较小；加高塔体有利于除雾器区域流场的均匀性，有利于除雾器除雾，但不利于脱硫反应区域流场的均匀性；改变脱硫塔出口方式为顶出对脱硫塔流场的影响不大，不能起到均匀流场的作用，反而提高了脱硫塔阻力，不利于脱硫塔运行。
目前，在设计工作中，改善气体流场的措施主要通过三维模拟，直观了解整个脱硫系统的气流分布，并重点分析局部流动的涡流区、高压区等，针对性的改善烟道结构形式、吸收塔的外形设计、托盘的优化等。改善烟气流场的同时，应优化系统内部液体分布，通过合理布置喷淋层、优化喷嘴形式等措施，使得烟气和液体流场相互作用，达到最佳的接触、吸收和反应效果。对于无均流提效构件塔，增加均流提效构件，有利于改善烟气分布，使进入吸收塔内的烟气分布均匀，避免偏流。如在吸收塔内设置烟气导流环，能防止烟气爬壁短路，并可将吸收塔壁上浆液再次引入喷淋区，提高脱硫效率。对于已有均流提效构件的吸收塔，可以通过调节均流提效构件开孔率、加装第二层均流提效构件等达到提效效果。
1物理模型
1.1几何模型及简化
本研究对象为吸收塔喷淋层烟气导流环，模拟吸收塔塔径为10m，将截面如图1的导流环结构引入吸收塔喷淋层，导流环为截面是等边三角形的圆环，其边长取100mm~500mm不等，研究导流环的覆盖面积与导流效果的影响规律。该模型的设计优势是当烟气从导流环下方流入时，导流板可使烟气沿导流板流动，防止烟气沿吸收塔产生爬壁现象，能更好的导入喷淋区，提高烟气和浆液的有效接触，另一方面，导流环汇流板能使吸收塔塔壁上浆液再次汇入喷淋区，提高浆液利用率。
图1吸收塔导流环结构示意图
1.2数值模拟及边界条件
整个吸收塔及导流环模型的数值模拟通过SolidWorks Flow Simulation软件完成，吸收塔模拟边界条件为：入口烟气流量330000 Am3/h，温度130℃。
2结果与分析
本文分别模拟了烟气导流环边长为100mm、200mm、300mm、400mm、500mm时，其对吸收塔内烟气的影响，覆盖率的计算方法为，导流环水平截面积占塔内径截面积的百分比，导流环边长为100mm时，其覆盖率3.4%，模拟均设置了四层导流环
2.1速度分布
图2导流环边长100mm（覆盖率3.4%）
图2为导流环边长100mm时吸收塔内烟气速度分布，由于导流环水平截面积较小，导流板边长为100mm，其导流效果不明显，当烟气流过吸收塔右侧时，烟气方向改变较小，烟气爬壁现象虽有改善，但壁面烟气流速仍然较大。
图3 导流环边长200mm（覆盖率6.8%）
图3为导流环边长200mm时吸收塔内速度分布。当增加导流板边长为200mm，覆盖率为6.8%，此时由于吸收塔左侧导流环结构对烟气产生的影响不可忽视，使得虽然右侧导流环改善了爬壁现象，但随着左侧结构影响的加剧，爬壁现象仍不能较好的改善。
图4 导流环边长300mm（覆盖率10.1%）
图4为导流环边长300mm时吸收塔内烟气速度分布。增加导流板边长为300mm，覆盖率为10.1%，此时由于导流环尺寸的继续加大，导流环的导流作用成为主要影响因素。
图5 导流环边长400mm（覆盖率13.4%）
图5为导流环边长400mm时吸收塔内烟气速度分布。增加导流板边长为400mm，覆盖率为13.4%，此时导流环的导流作用显著，壁面烟气流速较低，烟气爬壁现象明显得到改善。
图6 导流环边长500mm（覆盖率16.6%）
图6为导流环边长500mm时吸收塔内烟气速度分布。增加导流板边长为500mm，覆盖率为16.6%，此时烟气在喷淋区域内爬壁现象的改善效果明显。
2.2流线分布
图7 导流环边长100mm（覆盖率3.4%）
图7为导流环边长100mm时吸收塔内烟气流线分布，由于导流环覆盖率3.4%，其导流效果不明显，壁面烟气流速仍然较大，流线分布明显，因此导流环边长较小时，无法起到较好的导流效果。
图8 导流环边长200mm（覆盖率6.8%）
图8为导流环边长200mm时吸收塔内流线分布。当导流板覆盖率为6.8%时，导流板的扰流效果已经较覆盖率为3.4%时明显，贴壁面流线速度较低。
图9为导流环边长300mm时吸收塔内流线分布。当导流板覆盖率为10.1%时，导流板的扰流效果明显，贴壁面流线速度接近为零。
图9 导流环边长300mm（覆盖率10.1%）
图10 导流环边长400mm（覆盖率13.4%）
图10为导流环边长400mm时吸收塔内流线分布。当导流板覆盖率为13.4%时，可见图中导流环处，贴壁面流线分布较少，说明此时烟气已较少聚集在此，有效防止烟气爬壁。
图11为导流环边长500mm时吸收塔内流线分布。当导流板覆盖率为16.6%时，与覆盖率为13.4%时均能达到设计导流环的目的，但在吸收塔径不变的前提下，导流环覆盖率越大，喷淋管喷淋区面积越小，因此在达到改善烟气分布，避免偏流的目的同时，不易设计覆盖率较大的导流装置。
图11 导流环边长500mm（覆盖率16.6%）
3结论
在吸收塔内增加均流构件能有效改善吸收塔内烟气分布，烟气和浆液的流场分布影响吸收塔内传质、传热和反应进行的程度。
1）在吸收塔喷淋管层设置烟气导流环，有利于改善烟气分布，使进入吸收塔内的烟气分布均匀，避免偏流，同时能防止烟气爬壁短路，并可将吸收塔壁上浆液再次引入喷淋区，提高脱硫效率。
2）增加导流环覆盖率，可加强吸收塔内烟气的扰动，提高气体湍流程度，但塔径不变的前提下，增加导流环覆盖率的同时，减小了喷淋区面积，因此导流环覆盖率并非越大越好。
3）综合考虑，当导流板边长为300~450mm时，覆盖率约为10%~15%，烟气在整个喷淋区域内爬壁现象得到改善，且其结构尺寸较为合理，同时对其他设备设计安装影响较小。
参考文献
[1] 郭瑞堂．石灰石活性和塔内流场对湿法烟气脱硫效率的影响研究[D]．杭州：浙江大学，2008．
[2] 徐敬．石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统模拟计算软件的开发及应用[J]．工程科技，2011，S1：396．
[3] 孟宪禹．湿法烟气脱硫系统喷淋塔流场均匀性研究[D]．北京：北京交通大学，2015．