D0I:10.13374/j.issnl(00103x.2010.10.016 第32卷第10期 北京科技大学学报 Vo132N910 2010年10月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng 0ct2010 漩涡撞击法烧结脱硫烟气流场仿真研究 张洪祥)黄重国” 袁清华)庞建平) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 3)北京国华新兴节能环保科技有限公司，北京10000 摘要采用Fum嗽件对均气环，冷却预处理器和漩涡撞击元件三项关键技术进行模拟仿真，并用MATLAB拟合其对烟气 流场的影响规律.结果表明：烟气分布最优时，均气环安装位置与宽度呈线性关系时：冷却预处理器喷水速度越大，烟气温度 越低，当喷水速度大于30m时，随着喷水量增大，温度变化不明显，最佳喷水速度范围为25~30m:压力损失随漩涡撞 击元件切向速度的增大而增大，当切向速度大于20m时，压力损失急剧上升，漩涡撞击元件最大切向速度应该控制在 20m左右，即托盘转速应该为85mr左右. 关键词烧结：烟气：脱硫：设备：数值模拟 分类号TF80267 Smu lation stud ies on the fbw field of sntering flue gas during vortex collision desulfuriza tion ZHANG Hong_xiang HJANG Zhong_guo)YUAN Qing_huae/PANG JianPing) 1)School ofCivil and Env iormental Engneerng Universit of Science and Technopgy Beijing Beijng 100083 China 2)School ofMa terak Science and Engineering University of Science and Technokgy Beijng Beijing 100083 Chna 3)Beijing Xnxing IndustriesCo Ld.Beijng 100070 China ABSTRACT Fluent sofware was used to numerically smulate he imctians of three key compaents gas distrbuted ring coolng prepocessor and vorex collision com ponent durng vorex collision desulfrizaton The influence ru les of the three components on he fow field of sn terng fue gaswere fitwithMATlAB softare It is shown that under the optin al distribution of fue gas he installa tion pcation of he gas distrbu ted ring is lnear with the ring width The greater the watr jet vepcity fron the cooling preprocessor he pwer he temperature of fue gas is W hen the water jet velocity exceeds 30m s the temperature of fue gas does not change sig nificanty w ith increasing waer jet vepcity as a result the best range of water jet vepcity is25 to30m s.The pressure pss of fue gas ncreasesw ih he tangen tial vepcity of the vortex collison con ponent increasng W hen he angen tial vepcity is over20m s he pressure pss rises sharply The angen tal velocity of the vorkex collision con ponent shou l be controled at about20ms indica ting that the rouatonal speed of the tray is aboutg5 r m KEY WORDS snterng fue gas desulfrizaton equim ets numerical smulation 烧结是钢铁工业中一个高污染、高排放的环节. 不理想，因而烧结烟气的净化很困难.漩涡撞击法 据统计，目前国内钢铁厂烧结烟气中的S)占钢铁 脱硫改进了普通的湿法脱硫技术，成功地应用在烧 企业S排放量的409%~60%，造成严重的大气污 结脱硫项目中，运行效果显著，脱硫率高，投资运行 染，烧结脱硫已成为我国大气污染控制领域最为紧 费用低，同时节省了大量安装面积.本文比较了漩 迫的任务1.烧结烟气具有流量大、含量低、含 涡撞击法脱硫技术与普通湿法脱硫技术的区别，采 尘高和温度高等特点，钢厂一般没有预留足够的空 用Fum模拟仿真了均气环、冷却预处理器和漩涡 间安装湿法脱硫装置，而干法和半干法脱硫效果又 撞击元件的运行状况，分析了漩涡撞击法脱硫装置 收稿日期：2009-12-09 作者简介：张洪样(1985)，男，硕士研究生：黄重国(1965)，男，副教授，博士，Ema!garyhuan@163cm
第 32卷 第 10期 2010年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.10 Oct.2010 漩涡撞击法烧结脱硫烟气流场仿真研究 张洪祥 1 ) 黄重国 1) 袁清华 2) 庞建平 3 ) 1 ) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2 ) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 3 ) 北京国华新兴节能环保科技有限公司, 北京 100070 摘 要 采用 Fluent软件对均气环、冷却预处理器和漩涡撞击元件三项关键技术进行模拟仿真, 并用 MATLAB拟合其对烟气 流场的影响规律.结果表明 :烟气分布最优时, 均气环安装位置与宽度呈线性关系时;冷却预处理器喷水速度越大, 烟气温度 越低, 当喷水速度大于 30m·s-1时, 随着喷水量增大, 温度变化不明显, 最佳喷水速度范围为 25 ～ 30m·s-1;压力损失随漩涡撞 击元件切向速度的增大而增大, 当切向速度大于 20 m·s-1时, 压力损失急剧上升, 漩涡撞击元件最大切向速度应该控制在 20m·s-1左右, 即托盘转速应该为 85r·min-1左右. 关键词 烧结;烟气;脱硫;设备;数值模拟 分类号 TF802.67 Simulationstudiesontheflowfieldofsinteringfluegasduringvortexcollision desulfurization ZHANGHong-xiang1) , HUANGZhong-guo1) , YUANQing-hua2) , PANGJian-ping3) 1 ) SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2 ) SchoolofMaterialsScienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 3 ) BeijingXinxingIndustriesCo.Ltd., Beijing100070, China ABSTRACT Fluentsoftwarewasusedtonumericallysimulatethefunctionsofthreekeycomponents( gasdistributedring, cooling pre-processor, andvortexcollisioncomponent) duringvortexcollisiondesulfurization.Theinfluencerulesofthethreecomponentson theflowfieldofsinteringfluegaswerefitwithMATLABsoftware.Itisshownthatundertheoptimaldistributionoffluegastheinstallationlocationofthegasdistributedringislinearwiththeringwidth.Thegreaterthewater-jetvelocityfromthecoolingpre-processor, thelowerthetemperatureoffluegasis.Whenthewater-jetvelocityexceeds30m·s-1 , thetemperatureoffluegasdoesnotchangesignificantlywithincreasingwater-jetvelocity;asaresult, thebestrangeofwater-jetvelocityis25 to30m·s-1.Thepressurelossofflue gasincreaseswiththetangentialvelocityofthevortexcollisioncomponentincreasing.Whenthetangentialvelocityisover20 m·s-1 , thepressurelossrisessharply.Thetangentialvelocityofthevortexcollisioncomponentshouldbecontrolledatabout20m·s-1 , indicatingthattherotationalspeedofthetrayisabout85r·min-1. KEYWORDS sintering;fluegas;desulfurization;equipments;numericalsimulation 收稿日期:2009-12-09 作者简介:张洪祥 ( 1985— ), 男, 硕士研究生;黄重国 ( 1965— ), 男, 副教授, 博士, E-mail:garyhuang@163.com 烧结是钢铁工业中一个高污染 、高排放的环节. 据统计, 目前国内钢铁厂烧结烟气中的 SO2占钢铁 企业 SO2排放量的 40% ～ 60%, 造成严重的大气污 染, 烧结脱硫已成为我国大气污染控制领域最为紧 迫的任务 [ 1] .烧结烟气具有流量大、SO2含量低、含 尘高和温度高等特点, 钢厂一般没有预留足够的空 间安装湿法脱硫装置, 而干法和半干法脱硫效果又 不理想, 因而烧结烟气的净化很困难.漩涡撞击法 脱硫改进了普通的湿法脱硫技术, 成功地应用在烧 结脱硫项目中, 运行效果显著, 脱硫率高, 投资运行 费用低, 同时节省了大量安装面积.本文比较了漩 涡撞击法脱硫技术与普通湿法脱硫技术的区别, 采 用 Fluent模拟仿真了均气环 、冷却预处理器和漩涡 撞击元件的运行状况, 分析了漩涡撞击法脱硫装置 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.10.016
。1334 北京科技大学学报 第32卷 的工艺机理 匀连续取值（塔壁处不取），然后求均值和方差，通 过均值和标准差S得大小反应气体均布情况. 1研究内容与方案 烟气脱硫本身要求足够的反应时间，基于脱硫率，要 漩涡撞击法在脱硫塔底部设有一均气环，均气 求速度越小越好，速度波动越小越好，即v和S越 环上部设有一层冷却预处理喷射层，在脱硫塔中部 小越好 设有一托盘，托盘上布有漩涡撞击元件，在托盘上方 1.2冷却预处理器研究方案与仿真运行 设有一层浆液喷射层，浆液喷射层上方设有两级除 从烧结炉里出来的烧结烟气温度比较高，严重 雾器.某公司采用的脱硫塔几何参数和运行基本参 影响了脱硫效率.实验表明，当温度从38℃上升到 数如表1所示.本文主要研究均气环、冷却预处理 149℃时，脱硫效率从88.5%下降到了60.2%，下降 器和漩涡撞击元件的作用机理，研究分为三步：首 了28%5-6.为了降低温度的影响，提高脱硫效 先，研究均气环安装位置和宽度设计的影响机理：其 率，必须对高温烧结烟气进行预处理.二级冷却预 次，在均气环合理设计的基础上，研究冷却预处理器 处理器喷射层喷出浆液对烟气进行处理，烟气在这 的冷却效果，探讨喷水量与烟气温度的关系；最后， 一阶段得到冷却降温，同时使粉尘初步凝聚，二氧化 研究漩涡撞击元件的作用机理，总结漩涡撞击法主 硫得到部分净化”.通过控制速度来控制喷水量， 要技术元件的设计方法. 从而控制液气比，调节烟气温度，使其处于最佳温度 表1喷淋吸收塔基本参数 范围内.喷水速度取5、101520和25ms几组 Table1 Basic parame ters of he spmy absotber 数值. 参量 数值 仿真过程中作如下假设：(1)不考虑辐射散热： 处理烟气量/（万m.厂1） 87.5 假设塔壁为绝热壁，不传递热量，即散热量设置为 RGD入口SO,质量浓度/(m8m-3) 1500 零：采用了无速度滑移和无质量渗透条件.(2)浆液 FD入口烟气温度C 135 池液面简化为固体壁面处理，忽略浆液池液面波动 入口直径m 1.5 对烟气的影响，不考虑脱硫浆液的冷却作用.(3)不 出口直径m 1.5 考虑化学反应放出的热量， 吸收塔本体 ◆9m以31.6m 1.3漩涡撞击元件研究方案与仿真运行 烟气进入漩涡撞击流元件(orex collision com- 1.1均气环研究方案 ponent VCC,利用撞击元件产生的漩涡，增加了掺 均气环影响气体分布均匀效果的因素有均气环 混强度和浆液停留时间，进一步强化了传质过程. 的安装位置和均气环宽度两个因素.在该项目运行 在此元件内，二氧化硫与脱硫剂充分混合，然后反应 参数的基础上针对均气环安装位置与宽度两个因素 净化后，经除雾器除去雾滴，由吸收塔出口排出 展开研究.在国内某工程项目数据的基础上，以 撞击元件几何模型基本数据（图1）为：撞击元 05为单位上、下各取两组数据.均气环位置取距 件筒体直径120四高120m)总高200四出口 液面3.0.3.54.04.5和5.0m五组数据，宽度取 直径60四假设一导流管，气流沿导流管高速进入 1.01.52.02.5和3.0m五组数据进行模拟仿真 浆液人口 研究. 烟气出口 作如下假设：()从烧结炉出来的烟气流速、处 理烟气量一定，暂不考虑烟气入口倾角；(2)流动为 定常流动中的湍流，气体近似为理想气体，忽略温度 对烟气分布的影响：(3)不考虑漩涡撞击装置，以及 冷却预处理层对烟气分布的影响：(4)由于均气环 很薄，不考虑厚度对烟气分布的影响. B C> 目前有关烟气分布的研究，仅仅从仿真流场分 布上形象地说明分布效果，并没有量化☒.为了准 烟气入口 确描述均气环的烟气分布效果，本文建立了一个评 价模型来分析均气环与烟气分布效果之间的关系. 图1漩涡撞击元件几何模型 在脱疏区域取气体分布参考面，沿表面直径方向均 F1 Geame tricmodel of he vortex collision component
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 的工艺机理. 1 研究内容与方案 漩涡撞击法在脱硫塔底部设有一均气环, 均气 环上部设有一层冷却预处理喷射层, 在脱硫塔中部 设有一托盘, 托盘上布有漩涡撞击元件, 在托盘上方 设有一层浆液喷射层, 浆液喷射层上方设有两级除 雾器 .某公司采用的脱硫塔几何参数和运行基本参 数如表 1所示 .本文主要研究均气环、冷却预处理 器和漩涡撞击元件的作用机理, 研究分为三步 :首 先, 研究均气环安装位置和宽度设计的影响机理 ;其 次, 在均气环合理设计的基础上, 研究冷却预处理器 的冷却效果, 探讨喷水量与烟气温度的关系;最后, 研究漩涡撞击元件的作用机理, 总结漩涡撞击法主 要技术元件的设计方法 . 表 1 喷淋吸收塔基本参数 Table1 Basicparametersofthesprayabsorber 参量 数值 处理烟气量 / (万 m3·h-1 ) 87.5 FGD入口 SO2质量浓度 / ( mg·m-3 ) 1 500 FGD入口烟气温度 /℃ 135 入口直径 /m 1.5 出口直径 /m 1.5 吸收塔本体 9m×31.6m 1.1 均气环研究方案 均气环影响气体分布均匀效果的因素有均气环 的安装位置和均气环宽度两个因素.在该项目运行 参数的基础上针对均气环安装位置与宽度两个因素 展开研究.在国内某工程项目数据的基础上, 以 0.5 m为单位上 、下各取两组数据.均气环位置取距 液面 3.0、3.5、4.0、4.5和 5.0 m五组数据, 宽度取 1.0、1.5、2.0、2.5和 3.0 m五组数据进行模拟仿真 研究 . 作如下假设:( 1)从烧结炉出来的烟气流速、处 理烟气量一定, 暂不考虑烟气入口倾角;( 2)流动为 定常流动中的湍流, 气体近似为理想气体, 忽略温度 对烟气分布的影响 ;( 3)不考虑漩涡撞击装置, 以及 冷却预处理层对烟气分布的影响 ;( 4) 由于均气环 很薄, 不考虑厚度对烟气分布的影响. 目前有关烟气分布的研究, 仅仅从仿真流场分 布上形象地说明分布效果, 并没有量化 [ 2] .为了准 确描述均气环的烟气分布效果, 本文建立了一个评 价模型来分析均气环与烟气分布效果之间的关系. 在脱硫区域取气体分布参考面, 沿表面直径方向均 匀连续取值 (塔壁处不取 ), 然后求均值和方差, 通 过均值 ν和标准差 S ＊得大小反应气体均布情况 . 烟气脱硫本身要求足够的反应时间, 基于脱硫率, 要 求速度越小越好, 速度波动越小越好, 即 ν和 S ＊越 小越好 [ 3--4] . 1.2 冷却预处理器研究方案与仿真运行 从烧结炉里出来的烧结烟气温度比较高, 严重 影响了脱硫效率 .实验表明, 当温度从 38 ℃上升到 149℃时, 脱硫效率从 88.5%下降到了 60.2%, 下降 了 28.3% [ 5--6] .为了降低温度的影响, 提高脱硫效 率, 必须对高温烧结烟气进行预处理.二级冷却预 处理器喷射层喷出浆液对烟气进行处理, 烟气在这 一阶段得到冷却降温, 同时使粉尘初步凝聚, 二氧化 硫得到部分净化 [ 7] .通过控制速度来控制喷水量, 从而控制液气比, 调节烟气温度, 使其处于最佳温度 范围内 .喷水速度取 5、10、15、20和 25 m·s -1几组 数值. 仿真过程中作如下假设:( 1)不考虑辐射散热 ; 假设塔壁为绝热壁, 不传递热量, 即散热量设置为 零 ;采用了无速度滑移和无质量渗透条件 .( 2)浆液 池液面简化为固体壁面处理, 忽略浆液池液面波动 对烟气的影响, 不考虑脱硫浆液的冷却作用.( 3)不 考虑化学反应放出的热量 . 图 1 漩涡撞击元件几何模型 Fig.1 Geometricmodelofthevortexcollisioncomponent 1.3 漩涡撞击元件研究方案与仿真运行 烟气进入漩涡撞击流元件 ( vortexcollisioncomponent, VCC), 利用撞击元件产生的漩涡, 增加了掺 混强度和浆液停留时间, 进一步强化了传质过程 . 在此元件内, 二氧化硫与脱硫剂充分混合, 然后反应 净化后, 经除雾器除去雾滴, 由吸收塔出口排出 . 撞击元件几何模型基本数据 (图 1)为 :撞击元 件筒体直径 120 mm, 高 120 mm, 总高 200 mm, 出口 直径 60 mm.假设一导流管, 气流沿导流管高速进入 · 1334·
第10期 张洪祥等：漩涡撞击法烧结脱硫烟气流场仿真研究 。1335 撞击元件中心，与浆液撞击混合形成高度湍动的撞 要足够的反应时间，合理的CyS温度和H值等. 击区，初步净化的气流通过上出口流出，进入深度脱 均气环的目的在于使烟气分布均匀，从而缩短反应 硫区.导流管直径60m长120m四a、B分别是 时间，提高脱硫烟气流速，缩小脱硫塔直径，减少占 浆液下降速度和烟气上升速度Y与托盘切向速 地面积，降低脱硫费用等9-0.实验数据显示，设置 度形成的角 均气环前后脱硫效率约从90.189%提高到93.2%， a=arctn 在脱硫塔结构和负荷一定的情况下，气流初始分布 (1) 越均匀，吸收效果越好” B=arctan 图2为均气环不同安装位置烟气流场分布图. (2) 从图上可以看出：不同的安装位置，气流分布变化明 2研究结果分析 显；当安装位置为4时，烟气速度得到了有效降 低，并且分布均匀. 21均气环安装位置与宽度对烟气分布的影响 图3为均气环不同安装位置烟气分布曲线.由 由烟气脱硫的基本原理可知，提高脱硫效率需 图3可以看出，均气环存在一个最佳安装位置，偏高 45m +s 4 42 39 63 396300724 613 07418 027 24 8 12 1181512 6 a 图2均气环不同安装位置时烟气速度场分布图.（号3甲(4四(95m Fg 2 F pw velocity distribution of fue gas n he desulurization ower with a gas distrbuted rng at different insn llation pcations (两3四(4m(95m 或者偏低都会影响烟气的分布效果，使烟气分布均 (均气环安装位置须高于进气烟道，低于冷却喷水 匀度下降.在4m处，烟气平均流速较低，并且烟气 层)：〔为烟气平均速度与均气环安装位置的函 速度分布比较均匀，烟气流速的标准差最小.对仿 数关系.拟合曲线如图4所示.由图可以看出，用二 真数据用MATLAB进行二次拟合，得出烟气平均速 次拟合误差较小，并且与实际情况比较符合， 度与均气环安装位置的规律为 图5为均气环不同宽度烟气流场分布图.从图 fh=0.922-7.75+17.6173x5 上可以看出：宽度同样对气体分布影响很大，均气环 (3) 宽度为1.5时烟气分布均匀，宽度过大或者过小 式中，为均气环安装位置，即均气环到液面的距离 。平均烟气流速 点为计算值，线为拟合曲线 ·一州气流速标准差 30 35 4.04.55.0 30 354.0455.0 均气环安装位置m 均气环安装位置m 图3均气环不同安装位置时烟气的平均速度 图4均气环不同安装位置时烟气速度分布拟合曲线 Fg 3 Mean fow ve bcity of flue gas in the desulfurization Fg4 Fitting curve of the mean flv vebcity of flue gas in the ower with a gas distrbuted ring at different instalatin bca desulfurizaton owerwith a gas distrbuted ring at di fferent insta ll tons tin bcati知s
第 10期 张洪祥等:漩涡撞击法烧结脱硫烟气流场仿真研究 撞击元件中心, 与浆液撞击混合形成高度湍动的撞 击区, 初步净化的气流通过上出口流出, 进入深度脱 硫区 [ 8] .导流管直径 60 mm、长 120mm.α、β分别是 浆液下降速度 vs和烟气上升速度 vf与托盘切向速 度 v形成的角 . α=arctan vs v ( 1) β =arctan vf v ( 2) 2 研究结果分析 2.1 均气环安装位置与宽度对烟气分布的影响 由烟气脱硫的基本原理可知, 提高脱硫效率需 要足够的反应时间, 合理的 Ca/S、温度和 pH值等 . 均气环的目的在于使烟气分布均匀, 从而缩短反应 时间, 提高脱硫烟气流速, 缩小脱硫塔直径, 减少占 地面积, 降低脱硫费用等 [ 9--10] .实验数据显示, 设置 均气环前后脱硫效率约从 90.18%提高到 93.2%, 在脱硫塔结构和负荷一定的情况下, 气流初始分布 越均匀, 吸收效果越好 [ 11] . 图 2为均气环不同安装位置烟气流场分布图 . 从图上可以看出 :不同的安装位置, 气流分布变化明 显 ;当安装位置为 4 m时, 烟气速度得到了有效降 低, 并且分布均匀 . 图 3为均气环不同安装位置烟气分布曲线.由 图 3可以看出, 均气环存在一个最佳安装位置, 偏高 图 2 均气环不同安装位置时烟气速度场分布图.( a) 3m;( b) 4m;(c) 5m Fig.2 Flowvelocitydistributionoffluegasinthedesulfurizationtowerwithagasdistributedringatdifferentinstallationlocations: ( a) 3m;(b) 4m;( c) 5m 图 3 均气环不同安装位置时烟气的平均速度 Fig.3 Meanflowvelocityoffluegasinthedesulfurization towerwithagasdistributedringatdifferentinstallationlocations 或者偏低都会影响烟气的分布效果, 使烟气分布均 匀度下降 .在 4m处, 烟气平均流速较低, 并且烟气 速度分布比较均匀, 烟气流速的标准差最小 .对仿 真数据用 MATLAB进行二次拟合, 得出烟气平均速 度与均气环安装位置的规律为 f( h) =0.922h 2 -7.75h+17.617, 3≤h<5 ( 3) 式中, h为均气环安装位置, 即均气环到液面的距离 (均气环安装位置须高于进气烟道, 低于冷却喷水 层 ) ;f( h)为烟气平均速度与均气环安装位置的函 数关系 .拟合曲线如图 4所示 .由图可以看出, 用二 次拟合误差较小, 并且与实际情况比较符合. 图 4 均气环不同安装位置时烟气速度分布拟合曲线 Fig.4 Fittingcurveofthemeanflowvelocityoffluegasinthe desulfurizationtowerwithagasdistributedringatdifferentinstallationlocations 图 5为均气环不同宽度烟气流场分布图 .从图 上可以看出 :宽度同样对气体分布影响很大, 均气环 宽度为 1.5 m时烟气分布均匀, 宽度过大或者过小 · 1335·
。1336 北京科技大学学报 第32卷 45s 45ms 42 9 63307418 613 02724 29613074 18 52 15 1815 12 图5均气环不同宽度时烟气速度分布图.（号1四(15四(92m F5 Fbw velocity distrilution of fue gas n the desulfurization owerwith a gas distrbuted rng atdiffe ent rirgwh (1m (b 15m(92m 都严重影响烟气分布效果，降低脱硫效率. 考虑经济性，从而要求均气环宽度越小越好.用一 图6为不同宽度时烟气分布效果的变化情况. 次函数拟合均气环宽度和安装位置可以得出如下 根据实验数据采用分段函数法拟合均气环宽度与烟 规律： 气平均速度的关系d山为： d-h-2.53hk5 (5) -1.644d+3.468 1.5 13 -0.641d+3.769-3.1821.5<k3 (4) 式中，为均气环宽度，琴为烟气平均速度与均气 1.5 环宽度的函数关系 3r 家10 ◆平均速率 点为计算值，线为拟合曲线 。-速度标准差 2 030 152.023 3.0 均气环宽度m 1 最 图7平均烟气速度与均气环宽度关系的拟合曲线 Fg 7 Fitting curve of the relationsh p beweenmean fl vebcity 10 1.5 2.02530 均气环宽度加 and ringwdt 图6均气环不同宽度时烟气的平均速度 2.2冷却预处理器冷却效果分析 Fg6 Mean fow vebcity of flue gas n the desulfurization pw. 实验表明，随着烟气温度的增加，脱硫效率逐 er with a gas distrbuwed ring at diffe rentring w dths 渐降低.在烟气脱硫塔中，最佳脱硫温度范围为 图7为均气环宽度与平均烟气速度关系拟合曲 30~60℃(303~333.通过控制喷水速度来控 线.从图上可以看出，采用分段函数拟合，准确性很 制温度范围，模拟仿真效果如图8所示.由图8可 高，误差很小.通过仿真发现，确定宽度优化安装位 以看出，在脱硫塔中间（脱硫反应大都在此区域进 置和确定安装位置优化宽度所得到的优化效果是一 行)大部分烟气己经在最佳温度范围，冷却效果 致的，当d=1m时h=3.5m当d=1.5m时= 显著， 4四当d=2m时h=4.5?分布最优时，两者值的 由图8可以看到，当喷水速度为25ms时，冷 变化呈线性关系.由于均气环安装位置不能低于烟 却效果已经达到要求.喷水速度在大于30ms 气入口（入口上端距液面2.5m,不能高于冷却预 后，随着喷水速度的增加，温度下降缓慢，冷却效果 处理器喷淋层（距液面5m),并且为了便于工程安 变化不明显.由此得出最佳喷水速度为25~30m 装调试.需留出0.5~1m的安装空间，因此均气环 s喷水速度过高，造成水的浪费并增加了能耗； 安装位置需控制在3~5m的范围内.在工程上需 喷水速度过低，则达不到最佳脱硫温度范围，影响脱
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 5 均气环不同宽度时烟气速度分布图.( a) 1m;( b) 1.5m;(c) 2m Fig.5 Flowvelocitydistributionoffluegasinthedesulfurizationtowerwithagasdistributedringatdifferentringwidths:( a) 1m;( b) 1.5m;( c) 2m 都严重影响烟气分布效果, 降低脱硫效率. 图 6为不同宽度时烟气分布效果的变化情况. 根据实验数据采用分段函数法拟合均气环宽度与烟 气平均速度的关系 g( d)为: g(d) = -1.644d+3.468 1≤d≤1.5 -0.641d 2 +3.769d-3.182 1.5 <d<3 ( 4) 式中, d为均气环宽度, g( d)为烟气平均速度与均气 环宽度的函数关系 . 图 6 均气环不同宽度时烟气的平均速度 Fig.6 Meanflowvelocityoffluegasinthedesulfurizationtowerwithagasdistributedringatdifferentringwidths 图 7为均气环宽度与平均烟气速度关系拟合曲 线.从图上可以看出, 采用分段函数拟合, 准确性很 高, 误差很小.通过仿真发现, 确定宽度优化安装位 置和确定安装位置优化宽度所得到的优化效果是一 致的, 当 d=1 m时 h=3.5 m, 当 d=1.5 m时 h= 4 m, 当 d=2 m时 h=4.5 m;分布最优时, 两者值的 变化呈线性关系.由于均气环安装位置不能低于烟 气入口 (入口上端距液面 2.5 m), 不能高于冷却预 处理器喷淋层 (距液面 5 m), 并且为了便于工程安 装调试, 需留出 0.5 ～ 1 m的安装空间, 因此均气环 安装位置需控制在 3 ～ 5 m的范围内 .在工程上需 考虑经济性, 从而要求均气环宽度越小越好.用一 次函数拟合均气环宽度和安装位置可以得出如下 规律: d=h-2.5, 3≤h<5 ( 5) 图 7 平均烟气速度与均气环宽度关系的拟合曲线 Fig.7 Fittingcurveoftherelationshipbetweenmeanflowvelocity andringwidth 2.2 冷却预处理器冷却效果分析 实验表明, 随着烟气温度的增加, 脱硫效率逐 渐降低 .在烟气脱硫塔中, 最佳脱硫温度范围为 30 ～ 60 ℃( 303 ～ 333 K) .通过控制喷水速度来控 制温度范围, 模拟仿真效果如图 8所示 .由图 8可 以看出, 在脱硫塔中间 (脱硫反应大都在此区域进 行 )大部分烟气已经在最佳温度范围, 冷却效果 显著 . 由图 8可以看到, 当喷水速度为 25 m·s -1时, 冷 却效果已经达到要求 .喷水速度在大于 30 m·s -1 后, 随着喷水速度的增加, 温度下降缓慢, 冷却效果 变化不明显.由此得出最佳喷水速度为 25 ～ 30 m· s -1.喷水速度过高, 造成水的浪费并增加了能耗 ; 喷水速度过低, 则达不到最佳脱硫温度范围, 影响脱 · 1336·
第10期 张洪祥等：漩涡撞击法烧结脱硫烟气流场仿真研究 。1337 425℃ 425 425 415 160609·8146044410404110092 273 273 a 425 425℃ 425℃ 283 273 273 273 (d) (e) 图8不同喷水速度时温度场分布图.（两10m÷5(15m-片(920m÷5(山5m÷1:(930m+1:(手40m1 Fg8 Temperaure distrilutin of flue gas at different water jet vepcities a)10m (b)15 m (9 20m d)25 m s:(930m:(与40ms1 硫效率.采用MATLABI拟合喷水速度，与平均温 2.3漩涡撞击元件作用机理分析 度的关系为： 在Fuen中进行撞击流流体动力特性的模拟计 4)=-0.0006高+0.095品- 算，气流速度场的模拟计算结果如图10所示. 由图10可以看出，整个流场可以分为四个区 4.513+399.85ms1 (6) 域：入口区、撞击区、漩涡区和出口区.在入口区， 图9为喷水速度与温度的计算值以及拟合曲 两股流体向撞击面方向流动，轴向速度和径向速度 线.由此可以看出，曲线拟合度很高，式(6)可以用 均减小：在漩涡区，远离撞击面的流体形成漩涡，向 于计算喷水量与温度的关系，从而精确控制烟气温 入口方向流动，而靠近撞击面处的流体则向出口区 度，提高脱硫效率 流动：在出口区，流体的轴向速度逐渐趋于零，径向 速度趋于均匀.同时还发现，流体的速度分布比较 370 集中，远离撞击面左、右两侧区域的混合物速度很 360 点为计算值，线为拟合曲线 小，撞击区域具有比较集中的特点. 350 图11为漩涡撞击元件不同切向速度时Y= 0m面的压力流场分布图.由此发现，托盘的切向 340 速度与压力损失有密切的关系，切向速度较低时，压 330 力损失很小，随着切向速度的升高，压力损失迅速增 10 20304050 大，根据仿真数据采用MATLAB拟合出两者的关 喷水速度m) 系为： 图9温度与喷水速度关系的拟合曲线 8y=-0.0001+0704- Fg 9 Fitting curve of the rela tionshp beween mperature 0.082242667Y (7) and water jet vebocity 式中，为烟气流速，为切向速度
第 10期 张洪祥等:漩涡撞击法烧结脱硫烟气流场仿真研究 图 8 不同喷水速度时温度场分布图.(a) 10m·s-1;( b) 15m·s-1;( c) 20m·s-1;( d) 25m·s-1 ;( e) 30m·s-1 ;( f) 40m·s-1 Fig.8 Temperaturedistributionoffluegasatdifferentwater-jetvelocities:( a) 10m·s-1;( b) 15m·s-1 ;( c) 20m· s-1;( d) 25m· s-1 ;( e) 30m·s-1 ;( f) 40m·s-1 硫效率.采用 MATLAB拟合喷水速度 vw 与平均温 度的关系为: g(vw) =-0.000 6v 3 w +0.095v 2 w - 4.513vw +399.8, vw≥5 m·s -1 ( 6) 图 9 温度与喷水速度关系的拟合曲线 Fig.9 Fittingcurveoftherelationshipbetweentemperature andwater-jetvelocity 图 9 为喷水速度与温度的计算值以及拟合曲 线.由此可以看出, 曲线拟合度很高, 式 ( 6)可以用 于计算喷水量与温度的关系, 从而精确控制烟气温 度, 提高脱硫效率. 2.3 漩涡撞击元件作用机理分析 在 Fluent中进行撞击流流体动力特性的模拟计 算, 气流速度场的模拟计算结果如图 10所示. 由图 10可以看出, 整个流场可以分为四个区 域 :入口区、撞击区、漩涡区和出口区 [ 4] .在入口区, 两股流体向撞击面方向流动, 轴向速度和径向速度 均减小 ;在漩涡区, 远离撞击面的流体形成漩涡, 向 入口方向流动, 而靠近撞击面处的流体则向出口区 流动;在出口区, 流体的轴向速度逐渐趋于零, 径向 速度趋于均匀.同时还发现, 流体的速度分布比较 集中, 远离撞击面左 、右两侧区域的混合物速度很 小, 撞击区域具有比较集中的特点. 图 11 为漩涡撞击元件不同切向速度时 Y= 0 mm面的压力流场分布图.由此发现, 托盘的切向 速度与压力损失有密切的关系, 切向速度较低时, 压 力损失很小, 随着切向速度的升高, 压力损失迅速增 大, 根据仿真数据采用 MATLAB拟合出两者的关 系为: g( v) =-0.000 1v 3 +0.704v 2 - 0.082 2v+2.667, v≥vf ( 7) 式中, vf为烟气流速, v为切向速度. · 1337·
。1338 北京科技大学学报 第32卷 425m 425m+s 415 415 405 303 293 1 9 283 283 273 273 ⊙ b) 图10漩涡撞击元件烟气速度流场分布图.(=0四(bZ=120mm F琴10 Fpw vekci0 distbut知of fue gs in he vorrex coll is知component(号=0m四(b,Z=l2Dmm 8.00x10Pa 8.00x10Pa 8.00x10PPa 7.47×10 7.47×0 7.47x10 6.93×10 6.92×10 693×1P 6.40x10 6.40x10 6.40x10 5.87x10 5.87×10 587×10 5.33x10 5.33x10 5.33×10° 4.80x10° 4.80x10 4.80x10 4.27x10 427×10 427×10 3.73×10 3.73×10 3.73x10 320x10P 3.20x10 320x0P 2.67x10 2.67×10 2.67×10 2.13x10 2.13x10 2.I3x10 1.60x102 160I0F 1.60x10 1.07x10 1.07x109 1.07×10 533×10 533×10 5.33x10 0.00x10 0.00x10 0.00x10 8.00x10PPa 8.00x102Pa 8.00x10 7.47×103 7.47x10 7.47×10 6.93x10 6.93×10 6.93×10° 6.40x10 6.40x10 6.40x102 5.87×10 5.87x10 587×10P 5.33×10 533x10 533x10 4.80x10 4.80x10 4.80x102 427x10 4.27×10 427×10 3.73×10 3.73x10 3.73x10 3.20x10P 3.20x102 3.20x10P 2.67×10 2.67×10 2.67×10 2.13×10 2.13×10 2.13x10 1.60x10P 1.60x10 1.60x10P 1.07x10 1.07×10 1.07x10 5.33x10 533x10 5.33x101 0.00x10 0.00X10 0.00x10 ( e ) 图11漩涡撞击元件不同切向速度时二0mm面的压力流场分布图.（号5m*;(10m*1:(915m*4(20m广头(9 25m~号（∮30ms1 F11 Pressure distrilution of flue gas on the omm plane at diferent ringential ve pcities of the vorsex collision conponent (a)5m (10m4(915m}(420m:(925ms:(手30m1 图12为仿真得到的托盘转速与压力损失的关 系，漩涡撞击元件最大切向速度应该控制在20m 系曲线.由此可以看出：托盘处于低转速时，压力损 s'左右，即托盘转速应该为85m的左右. 失很小，烟气与浆液的混合效果不理想：随着托盘转 3结论 速的升高，混合效果越来越好：但当转速达到一定数 值之后，随着转速的进一步提高，混合效果增加不明 (1)均气环确定宽度优化安装位置或者确定安 显，反而增加了压力损失和能耗.综合考虑两者关 装位置优化宽度所得到的优化效果是一致的，并且
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 10 漩涡撞击元件烟气速度流场分布图.( a) Y=0mm;( b) Z=120mm Fig.10 Flowvelocitydistributionoffluegasinthevortexcollisioncomponent:( a) Y=0mm;( b) Z=120mm 图 11 漩涡撞击元件不同切向速度时 Y=0mm面的压力流场分布图.( a) 5m·s-1 ;(b) 10m·s-1 ;(c) 15m·s-1;( d) 20m·s-1;( e) 25m·s-1;(f) 30m·s-1 Fig.11 PressuredistributionoffluegasontheY=0mmplaneatdifferenttangentialvelocitiesofthevortexcollisioncomponent:(a) 5m·s-1; ( b) 10m·s-1;( c) 15m·s-1;( d) 20m·s-1 ;( e) 25m·s-1 ;( f) 30m·s-1 图 12为仿真得到的托盘转速与压力损失的关 系曲线.由此可以看出 :托盘处于低转速时, 压力损 失很小, 烟气与浆液的混合效果不理想 ;随着托盘转 速的升高, 混合效果越来越好 ;但当转速达到一定数 值之后, 随着转速的进一步提高, 混合效果增加不明 显, 反而增加了压力损失和能耗 .综合考虑两者关 系, 漩涡撞击元件最大切向速度应该控制在 20 m· s -1左右, 即托盘转速应该为 85 r·min -1左右 . 3 结论 ( 1)均气环确定宽度优化安装位置或者确定安 装位置优化宽度所得到的优化效果是一致的, 并且 · 1338·
第10期 张洪祥等：漩涡撞击法烧结脱硫烟气流场仿真研究 。1339· and desu phurizer mixing n the pxocess of lim esmne njec tion de 1200- suPhurization Enegy Met ll hd 2005 24(3):23 1000 (李先春，谢安国.炉内喷钙脱硫过程中炉膛温度及脱硫剂混 800 点为计算值，线为拟合曲线 合的数值模拟.冶金能源，200524(3)：23) [3 Yuan X J Liw.The infhuence of various gas nkets on gas distri bution n packed columns/nstruction ofChem ical Eng neers Sym. 600 posim SeriesN91421997931-938 400 [4 Mengl,YangCP Gan HM etal Pieroed cylindrical gas nket device or sulur dox de removal fiom waste gas streams Sp Purif 200 Technol 2008.63(1)86 00 10 20 30 [习 Sun PC Sudy ofGasDistributor Used in Lage scleD esuPhuri 漩涡撞击元件切向速度(m·) 系tion Packed Cokmns Dissermation.Timjin Tinj加Un iersi 200555 图12压力损失与漩涡撞击元件切向速度关系的拟合曲线 (孙程.大型脱硫填料吸收塔气体分布器的研究【学位论 Fg 12 Fitting curve of he re ltinshp be ween pressure ss and 文1.天津：天津大学，20055) the tangential vebcity of the vortex collision conponent I6 Fang L I SongH P ZhouQ I,et al Expermnenmal study on the perfom ance of heat transfer of a novel lfu i gas wo phase flov 达到最优效果时，安装位置与宽度两者之间呈线性 scrubber for flue gas desu phuriza tion//Poceedings of the ASME 关系，即d=h-25(3k5). power Conference Chicgo 2005 775 (2)提出了冷却预处理器喷水量与温度的关 【刀Haner】BaverC Raynal L,et al Fbw distributin sudies a® 系.喷水速度在小于30ms'时，随着喷水速度的 Plied p deep hydradesuphuriation nd Eng Chem Res 2001. 增加，温度下降很快；大于30ms后，随着喷水速 40(23):5262 度增加冷却效果变化不明显.最佳喷水速度范围 I8 Lil The3D Numerical Smul tion Research on heF bw Chanc 为25-30ms1. teristics of Two mping ing Streams Aboer Diser tion.Charg h Changsha Unive sity of Science&Technopgy 2008 31 (3)提出了漩涡撞击元件与压力损失的关系. (李立.撞击流吸收器流动特性的三维数值模拟研究[学位论 托盘处于低转速时，压力损失很小：随着托盘转速的 文1.长沙：长沙理工大学，200831) 升高，压力损失迅速增大.漩涡撞击元件最大切向 【身Zhang J YouC F QiHY etal Effectof operating parme ers 速度应该控制在20ms左右，即托盘转速应该为 and reac or struc tre on moderate tmperature dry desu phuri 85mr左右. tin Envirn SciTechno]2006.40 4300 10]Zeng E Yin LQ Chen I,Numerical smuktion and optiized 参考文献 design of the wet flue gas desu phuria tion spray rwey/Cha llen [I]Wang X Y Ana psis of sinterng desuphurization snus n our ges of Power Engineering and Ervirorm ent Hanghoy Zhe jing county nd SafEnviron Prot 2007.33(12):25 Un iversity Press 2007:783 (王晓泳.我国烧结脱硫现状分析.工业安全与环保.200733 11]RenedoM J Gona kz E Pesquem C et al Sudy of sobents Prepared from cs and Ca orC H)2 pr removalat lov (12片25) [2 LiX C Xie A G Numerical smuhtion of he tmperature fiek tmpemure nd Eng Che Res 2006 45 3752
第 10期 张洪祥等:漩涡撞击法烧结脱硫烟气流场仿真研究 图 12 压力损失与漩涡撞击元件切向速度关系的拟合曲线 Fig.12 Fittingcurveoftherelationshipbetweenpressurelossand thetangentialvelocityofthevortexcollisioncomponent 达到最优效果时, 安装位置与宽度两者之间呈线性 关系, 即 d=h-2.5 ( 3≤h<5) . ( 2)提出了冷却预处理器喷水量与温度的关 系.喷水速度在小于 30 m·s -1时, 随着喷水速度的 增加, 温度下降很快 ;大于 30 m·s -1后, 随着喷水速 度增加, 冷却效果变化不明显 .最佳喷水速度范围 为 25 ～ 30 m·s -1 . ( 3)提出了漩涡撞击元件与压力损失的关系. 托盘处于低转速时, 压力损失很小 ;随着托盘转速的 升高, 压力损失迅速增大 .漩涡撞击元件最大切向 速度应该控制在 20 m·s -1左右, 即托盘转速应该为 85 r·min -1左右. 参 考 文 献 [ 1] WangXY.Analysisofsinteringdesulphurizationstatusinour country.IndSafEnvironProt, 2007, 33( 12 ):25 (王晓泳.我国烧结脱硫现状分析.工业安全与环保, 2007, 33 ( 12 ):25) [ 2] LiXC, XieAG.Numericalsimulationofthetemperaturefield anddesulphurizermixingintheprocessoflimestoneinjectiondesulphurization.EnergyMetallInd, 2005, 24 ( 3) :23 (李先春, 谢安国.炉内喷钙脱硫过程中炉膛温度及脱硫剂混 合的数值模拟.冶金能源, 2005, 24 ( 3) :23 ) [ 3] YuanXJ, LiW.Theinfluenceofvariousgasinletsongasdistributioninpackedcolumns∥InstructionofChemicalEngineersSymposiumSeriesNo.142, 1997:931 -938 [ 4] MengL, YangCP, GanHM, etal.Piercedcylindricalgasinlet deviceforsulfurdioxideremovalfromwastegasstreams.SepPurif Technol, 2008, 63( 1 ):86 [ 5] SunPC.StudyofGasDistributorUsedinLarge-scaleDesulphurizationPackedColumns[ Dissertation] .Tianjin:TianjinUniversity, 2005:55 (孙鹏程.大型脱硫填料吸收塔气体分布器的研究[ 学位论 文] .天津:天津大学, 2005:55 ) [ 6] FangLJ, SongHP, ZhouQL, etal.Experimentalstudyonthe performanceofheattransferofanovelliquid-gastwo-phaseflow scrubberforfluegasdesulphurization∥ProceedingsoftheASME PowerConference.Chicago, 2005:775 [ 7] HarterI, BoyerC, RaynalL, etal.Flowdistributionstudiesappliedtodeephydro-desulphurization.IndEngChemRes, 2001, 40( 23 ) :5262 [ 8] LiL.The3DNumericalSimulationResearchontheFlowCharacteristicsofTwo-Impinging-StreamsAbsorber[ Dissertation] .Changsha:ChangshaUniversityofScience＆ Technology, 2008:31 (李立.撞击流吸收器流动特性的三维数值模拟研究[ 学位论 文] .长沙:长沙理工大学, 2008:31) [ 9] ZhangJ, YouCF, QiHY, etal.Effectofoperatingparameters andreactorstructureonmoderatetemperaturedrydesulphurization.EnvironSciTechnol, 2006, 40:4300 [ 10] ZengF, YinLQ, ChenL.Numericalsimulationandoptimized designofthewetfluegasdesulphurizationspraytower∥ChallengesofPowerEngineeringandEnvironment.Hangzhou:Zhejiang UniversityPress, 2007:783 [ 11] RenedoMJ, GonzalezF, PesqueraC, etal.Studyofsorbents preparedfromclaysandCaOorCa( OH) 2 forSO2 removalatlow temperature.IndEngChemRes, 2006, 45:3752 · 1339·
