1 前言
一般情況下，鋼鐵企業SO2排放總量的40%～60%來自燒結過程，因此做好燒結過程中SO2的排放控制是鋼鐵企業污染治理的重點。煙氣脫硫國產化是降低工程造價、治理SO2、發展環保產業的需要。
氨法脫硫工藝是國內外煙氣脫硫常用的成熟工藝。氨法煙氣脫硫工藝中脫硫塔主要選用噴淋塔，這是因為相對于其它吸收裝置，噴淋塔除脫硫效率高外，還具有壓降小、內構件相對較少和不易結垢等優點。實際運行表明，噴淋塔的內部流場會直接影響著脫硫塔內的壓降、脫硫效率及除霧效率等關鍵指標。因此，對塔內流場的模擬研究成為設計中的重要手段。
利用計算流體力學軟件FLUENT，本文建立了脫硫塔計算模型，將煙氣作為連續介質，采用Euler方法描述，將噴淋漿滴作為離散顆粒，采用Lagrange顆粒軌道模型描述，研究煙氣入口傾角、煙氣入口距離漿液池液面高度兩個參數對脫硫塔內氣液兩相流場的影響。
2 脫硫塔模型的建立
2.1物理模型
燒結煙氣氨法脫硫工藝如圖1所示。煙氣進入脫硫塔前，先經過噴淋降溫，此后由底部進口進入塔體，在上升過程中依次經過4個噴淋層。脫硫漿液由布置于噴淋層的霧化噴嘴引入，與煙氣形成逆流接觸。經過洗滌之后的煙氣進入除霧段，除去煙氣夾帶的微小液滴，最后煙氣進入煙囪排放，而吸收SO2之后的噴淋液下落至漿液池，循環利用。
圖1 燒結煙氣氨法脫硫工藝
2.2模型簡化
對該脫硫塔內煙氣與漿液滴兩相流動情況作如下假設和簡化：
(1)不考慮塔內噴嘴、噴淋層的幾何尺寸等組件對塔內氣液流場的影響；
(2)噴淋塔模擬區域為漿液池液面以上至除霧器下端，認為漿液為反射面、除霧器出口為等壓面；
(3)燒結煙氣為不含塵的潔凈煙氣；
(4)煙氣視為不可壓縮牛頓流體；
(4)流動為三維、定常，湍流為各向同性；
(5)忽略塔內存在的化學反應；
(6)假設噴淋液滴為球形；
2.3數學模型
對脫硫塔進行物理上的簡化之后，需要從數學的角度建立控制方程組，并將其離散化、線性化以進行迭代求解。
公式一 連續性方程
公式二 動量方程
公式三 能量方程
公式四 標準模型
公式五 顆粒的作用力平衡方程
不考慮液滴顆粒附加質量力、布朗力、升力，考慮流體對顆粒曳力，由于塔內溫度梯度的存在，也考慮熱泳力。
3 邊界條件
(1)煙氣邊界條件
煙氣進口流速12m/s，密度1.03kg/m3，入口溫度60°C，出口壓力200Pa。
(2)噴淋液滴邊界條件
噴淋塔內布置了4層噴嘴，每層53個，噴嘴形式為中空錐形，噴射角度為90°。
噴嘴采用cone射流霧化模型，噴嘴出口液滴速度為5.98m/s，液滴尺寸采用Rosin-Rammler分布描述，中位徑2650μm，分布指數2.99。
(3)壁面邊界條件
壁面采用絕熱邊界，液滴與壁面的接觸為escape逃逸。
4 模擬結果與分析
仿真表明，煙氣入口傾角和煙氣入口距離漿液池液面高度對塔內氣液流動情況有顯著的影響。
4.1不同煙氣入口傾角的仿真結果
選取煙氣入口角度分別為3°、6°、9°、12°、15°條件下，得到的塔內縱截面流場如圖2～圖6所示。
圖2 進口傾角3°縱截面
圖3 進口傾角6°縱截面
圖4 進口傾角9°縱截面
圖5 進口傾角12°縱截面
圖6 進口傾角15°縱截面
對入口角度分別為3°、6°、9°、12°、15°的塔內流場分析發現：隨著煙氣入口角度的增加，塔內左右側壁面附近的垂直方向的氣流速度不斷增加，15°時最為明顯，可以看出15°時已經出現了明顯的氣流短路現象，這對SO2的吸收極為不利，應盡量避免。
塔內中間區域流場變化不明顯，煙氣在進入吸收塔后在漿液上方產生一個巨大的回流低壓區，氣流產生巨大的離心力，對于除塵來說是非常有利的，煙氣在塔前噴淋液作用下，煙氣中的粉塵被打濕，比重增加，部分發生了凝聚，進入塔內之后在這個巨大的離心力作用下甩向入口對面塔壁面以及下部漿液池液面上。但是對于氣流分布來說是一個不利影響，巨大的回流區的存在使得靠近入口對塔內左右側壁面的氣流速度增加，容易造成氣流短路，同時回流區的存在還會伴隨著能量的消耗，增加了噴淋塔的阻力。
入口角度分別為3°、6°、9°、12°、15°時進出口壓力損失如圖7所示，3°時的壓力損失明顯大于6°、9°、12°、15°的壓力損失，原因是入口角度較小，氣流幾乎是對著入口對面的塔壁面沖過去，在這個過程中損失掉很大一部分能量。
圖7 不同入口角度的進出口壓力損失
綜合考慮塔內流場均勻性和壓力損失，最佳的入口煙氣角度應該在9°附近。
4.2煙氣入口距漿池液面不同高度的仿真結果
選取煙氣入口距漿池液面高度分別為0.7m、1.7m、2.7m、3.7m，得到塔內縱界面流場情況如圖8～圖11所示。
圖8 進口高0.7m縱截面
圖9 進口高1.7m縱截面
圖10 進口高2.7m縱截面
圖11 進口高3.7m縱截面
對煙道底面距液面高度分別為0.7m、1.7m、2.7m、3.7m的塔內流場分析發現：煙道底面距液面高度為0.7m時，塔內左右側壁面附近垂直方向的氣流速度最小，整個塔的斷面速度分布非常均勻，有利于對SO2的吸收，而煙道底面距液面高度1.7m時，塔內左右側壁面附近垂直方向的氣流速度最大，可以看出煙道底面距液面高度1.7m時已經出現了明顯的氣流短路現象，這對SO2的吸收極為不利，應盡量避免，隨著高度的增加這種趨勢慢慢的變小，到3.7m時已經沒有明顯的大面積氣流短路。
塔內液面上方區域流場變化明顯，除煙道底面距液面高度為0.7m外，煙氣在進入吸收塔后在漿液上方產生一個巨大的回流低壓區，隨著煙道底面距液面高度增加回流區面積越來越大，在回流區氣流產生巨大的離心力，對于除塵來說是非常有利的，煙氣在塔前噴淋液作用下，煙氣中的粉塵被打濕，比重增加，部分發生了凝聚，進入塔內之后在這個巨大的離心力作用下甩向入口對面塔壁面以及下部漿液池液面上，粉塵隨之而除去。但是對于氣流分布來說是一個不利影響，巨大的回流區的存在使得靠近塔內左右側壁面的氣流速度增加，容易造成氣流短路，同時回流區面積的增加還會伴隨著能量的消耗，增加了吸收塔的阻力。
煙道底面距液面高度分別為0.7m、1.7m、2.7m、3.7m時進出口壓力損失如圖12所示，可見0.7m(830.85Pa)和3.7m(843.21Pa)時的壓力損失明顯大于1.7m、2.7m的壓力損失，造成這兩個差別的原因是不同的，煙道底面距液面高度0.7m時，液面上方的空間不利于形成回流區，氣流幾乎是對著入口對面的塔壁面沖過去，在這個過程中大部分的動能損失掉。而3.7m時這個高度很大，形成的回流漩渦區面積最大，相應損失的能量也大。
圖12 不同入口煙道距離漿液高度的進出口壓力損失
綜合考慮塔內流場均勻性和壓力損失，最佳的入口煙道距離漿液的高度應該在2.7m附近。
結論
(1)為了得到最佳的塔內氣液流場，最佳的煙氣入口傾角在9°附近。
(2)為了得到最佳的塔內氣液流場，最佳的煙氣入口距離漿池液面高度在2.7m附近。
(3)利用計算流體力學軟件FLUENT，模擬脫硫塔塔內氣液流場情況，進而分析塔內脫硫效率是可行的。
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本文標題：燒結煙氣氨法脫硫塔氣液兩相流數值模擬研究
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