本文采用多相流CFD仿真技术,考虑烧结烟气与雾滴的热交换,相变对温度的影响,假设烟气和雾滴接触立即反应,即忽略化学反应时间,建立三维几何模型,对烟气在设备中运行的速度、浓度、温度等进行数值模拟计算。根据实际运行情况对比研究系统的适应性,同时为优化参数、改良运行方式提供依据。
烟气分布器适用性分析
烟气分布器的主要作用:①使烟气能够均匀分布到脱硫塔内,使烟气与浆液雾滴进行充分接触、反应。由于脱硫的酸碱中和反应大部分是在湿态下进行的,必须使大部分烟气在脱硫塔上部就能够和浆液雾滴(液态)充分接触;②用于调整进入烟气的初速度,保证烟气在塔内的停留时间。本项目采用的烟气分布器为螺旋渐变式结构。本烟气分布器进口尺寸为4500mm×4500mm,分布器进口风速为25m/s,经烟气分布器扩散后,进入塔内的入口初风速为12m/s。其气流分布情况数值模拟见图2(略)。从图2可以看出,模拟数值与设计计算值吻合,气流经分布器后分布均匀,速度由分布器入塔处的12~14m/s迅速降低至塔内的2~3m/s。气流流线沿切线方向旋转向下,在塔内停留路径最长,保证烟气停留时间。
旋转喷雾器适应性分析
旋转喷雾器是SDA系统最为核心的部件,设备精密性和稳定性要求严格。旋转喷雾器选型既要保证浆液输送量、喷雾雾径[5],又要控制塔壁处浆液浓度分布适中,使烟气不遗漏,塔壁不粘结。喷雾半径理论计算公式为(略)，式中,d为雾化器转轮直径,m;ML为进料速率,kg/h;N为转速,r/min;(R99)0.9为雾化器下0.9m处雾滴占全喷雾量99%时的雾滴飞行距离,m。本项目旋转喷雾器转轮直径为350mm,运行进料速率为35~45t/h,最大量可以达到90t/h,转速为9000~12000r/min。带入式(1)可以得出喷雾半径范围为8.0~8.6m。相对于塔半径9.4m来说显得略小,本项目增加了中心烟气通道,使形成的伞雾向上托起,达到增大雾径的效果。从图3可以看出增加中心烟气通道可以使喷雾器形成的伞形雾滴向上托起,覆盖住塔的横断面,使烟气不遗漏。当进料量在35~45t/h范围时,浆液雾滴在塔内的整体分布均匀,进料量达45t/h时,塔壁面的浆液浓度偏高,容易产生粘壁。从现场运行情况来看,在保证烟气排放达标的情况下,浆液进料量在30~45t/h范围波动,瞬时会达到50t/h,塔壁面并未产生副产物挂壁现象。但从其他行业类似系统运行经验来看,一旦发生脱硫副产物挂壁,脱硫塔内可用直径减小,浆液喷雾未干燥就会到达壁面,挂壁现象逐渐严重,最终导致运行不利。因此,避免浆液挂壁对运行稳定非常重要,建议实际操作时不能一味增加喷浆量进行SO2排放浓度控制,当烟气SO2浓度偏高时应通过调节浆液浓度来保证排放达标。
脱硫塔适用性分析
脱硫塔是SDA系统的主要脱硫设备,塔设计取值直接关系到脱硫效果的好坏。SDA系统完成SO2烟气与石灰浆液雾滴的反应速率可看成浆液雾滴与烟气一接触即发生反应,即99%的雾滴和烟气发生的反应在0.5~1.0s之内可以完成。因此,塔高的设计应主要从保证雾滴干燥方面考虑,应保证浆液在塔内停留时间大于5~7s。鉴于烧结机烟气特性,尤其是烟气温度的波动性,为保证雾滴的充分干燥,建议浆液雾滴在塔内停留时间大于10s。设定浆液进料量为40t/h,烟气量为1800000m3/h,烟气入口温度为414K,通过模拟观察脱硫塔内流场和温度场分布。从图4可以看出,脱硫塔内流场分布较为均匀,气流湍流段分布在塔体上半部分、塔体灰斗以及脱硫塔壁面处。塔体段的湍流有助于烟气和浆液雾滴的充分接触与反应,保证SO2的充分去除。但是塔体灰斗部分的湍流会造成沉积在塔底的脱硫副产物二次飞扬,随气流进入除尘器,使除尘器负荷增加。从实际脱硫塔出口烟道粉尘浓度检测结果来看,粉尘质量浓度在15~50g/m3范围波动,大部分的时候在30g/m3以下,这个浓度对布袋除尘器来说是适用的,但是从节能和除尘器使用寿命角度来讲,建议在灰斗设置导流装置来进一步改善灰斗处气流分布,控制二次扬尘,降低粉尘浓度,减小除尘负荷。从图5(略)可以看出脱硫塔内温度分布均匀,说明浆液雾滴分散较好,塔内烟气降温匀称有序,塔体出口温度在350K左右,该温度范围对后期除尘有利,塔体和旋转喷雾器设计拟合程度较高,设计合理。
布袋除尘器适用性分析
在SDA系统中,烧结烟气经过脱硫塔处理后烟气温度可以降低到80~90℃,这为布袋除尘器的使用提供了基础条件,但是烧结烟气成分复杂,烟气量大,易腐蚀[6],再加上经过脱硫塔后烟气中粉尘浓度较大,如何使布袋除尘器最好地发挥其高效收尘的优势,设备选型是关键。SDA系统建议采用长袋低压中箱体进风结构的布袋除尘器,以减小除尘器占地和钢材用量达到降低造价的目的[7]。同时,布袋防腐蚀、防水也是布袋除尘应用能够成功的重要因素,因此,可以通过两种方式共同作用达到该目的。①选用防腐蚀、防水滤料,为节省投资,建议采用PTFE覆膜或浸渍处理,袋笼考虑不锈钢材质或者有机硅喷涂处理;②对前期系统进行合理控制,保证烟气性质稳定,从而为布袋除尘提供较好的收尘环境。温度是运行控制中的最主要参数,通常通过脱硫塔内浆液的喷入量控制脱硫塔出口烟气温度在80~90℃,不高于120℃防止布袋烧损(PTFE覆膜或浸渍滤料瞬时耐温为130℃,耐温120℃);不低于70℃,保证烟气温度高于水露点温度15~20℃范围,使烟气一直处于干燥状态。从目前在线监测系统检测数据来看,粉尘排放质量浓度小于30mg/m3,布袋除尘器运行良好,布袋除尘器压力损失控制在1100Pa左右,布袋未出现腐蚀、水浸渍情况。从节能角度,建议控制布袋运行压力损失在1200~1500Pa。
结论
(1)SDA法适用于烧结烟气脱硫,工艺设计及设备选型要充分考虑烧结烟气特性。(2)设置烟气分布装置,可保证烟气在塔内均衡;脱硫塔内可增设中心烟气通道,对控制脱硫剂用量、降低脱硫塔高度有帮助。(3)要充分考虑喷雾半径与脱硫塔半径的契合程度,当脱硫塔设置有中心烟气通道时,建议喷雾半径低于脱硫塔半径的10%~12%,防止粘壁,可调节浆液浓度来保证脱硫效果。(4)脱硫塔设计需保证烟气在脱硫塔内停留时间大于10s,脱硫塔底部应设置烟气导流装置,防止二次扬尘。(5)建议采用长袋低压脉冲式中箱体进风结构布袋除尘器,滤袋应达到防腐耐温要求。
