張洪祥，黃重國，袁清華，龐建平

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院,北京 100084;2.北京國華新興節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰荆本?100070)

0 引 言

燒結(jié)是鋼鐵工業(yè)中一個高污染、高排放的環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)鋼鐵廠燒結(jié)煙氣中SO2占鋼鐵企業(yè)SO2排放的40%～60%，造成嚴重的大氣污染，燒結(jié)脫硫已經(jīng)成為我國大氣污染控制領域最為緊迫的任務[1].燒結(jié)煙氣具有流量大、煙氣中SO2濃度低、煙氣溫度高等特點，鋼廠一般又沒有預留足夠的空間安裝濕法脫硫裝置，而干法、半干法脫硫效果不理想，因而燒結(jié)煙氣凈化很困難.漩渦撞擊法脫硫改進了普通的濕法脫硫技術，設置了冷卻預處理器，降低了煙氣溫度，提高了脫硫效率，成功的應用在燒結(jié)脫硫項目中[2].筆者采用Fluent模擬仿真了增設冷卻預處理器的運行機理，研究噴水速度與煙氣溫度之間的關系，為控制煙氣溫度，提高脫硫效率提供理論基礎和設計依據(jù).

1 研究內(nèi)容與方案

從燒結(jié)爐里出來的燒結(jié)煙氣溫度比較高，嚴重影響了脫硫效率，實驗表明當溫度從38℃上升到149℃時，脫硫效率從88.5%下降到了60.2%，下降了28.3%[3].為了降低溫度的影響，提高脫硫效率，必須對高溫燒結(jié)煙氣進行預處理.本文采用某公司脫硫塔的基本幾何參數(shù)及運行參數(shù)建立仿真模型，然后針對仿真模型通過改變噴淋速度改變噴水量，研究溫度的變化情況，最終得出煙氣溫度變化與噴淋速度的關系，從而達到通過控制噴淋速度控制煙氣溫度，提高脫硫效率的目的，脫硫塔基本參數(shù)如表1所示.

表1 噴淋吸收塔及均氣環(huán)基本參數(shù)

冷卻預處理器噴射層噴出冷卻水對煙氣進行處理，煙氣在這階段得到冷卻降溫，同時具有使粉塵初步凝聚，二氧化硫得到部分凈化[4].冷卻預處理器通過控制噴水速度控制噴水量，從而控制液氣比，調(diào)節(jié)煙氣溫度，使其處于最佳溫度范圍303～333 K[5].仿真中噴水速度分別取10、15、20、25、30、35、40 m/s幾組數(shù)值.

仿真結(jié)果中關于溫度的取值，為了準確描述煙氣冷卻的效果，本文采用均值溫度和溫度方差來比較不同噴水速度的冷卻效果.我們在主脫硫區(qū)域取一氣體參考面，沿表面直徑方向均勻連續(xù)取值(塔壁處不取)，然后求溫度均值和方差，通過溫度均值和標準差S*的大小反應氣體均布情況.煙氣脫硫本身要求足夠的反應時間，為了提高脫硫效率，要求溫度處最佳脫硫溫度范圍，溫度波動越小越好.

仿真過程中假設：

a.不考慮輻射散熱；假設塔壁為絕熱壁，不傳遞熱量，即散熱量設置為0；并且采用了無速度滑移和無質(zhì)量滲透條件；b.漿液池液面簡化為固體壁面處理，忽略漿液池液面波動對煙氣的影響，不考慮脫硫漿液的冷卻作用；c.不考慮化學反應放出的熱量.

2 研究結(jié)果分析

實驗表明脫硫效率隨溫度升高而下降的速率較快，隨著煙氣溫度的增加，脫硫效率逐漸降低.但是，溫度過低，則影響反應速度，同樣降低脫硫效率.在煙氣脫硫塔中，最佳脫硫溫度范圍為30～60 ℃(303～333 K).本研究對不同噴水速度進行模擬仿真效果如圖1所示.

由圖1可以看出當噴水速度達到25 m/s時，在脫硫塔中間(脫硫反應大部分在這部分進行)大部分已經(jīng)在最佳溫度范圍，冷卻效果顯著.即噴水速度為25 m/s時，冷卻效果已經(jīng)達到要求.我們在主脫硫區(qū)域取距液面9 m處橫截面為參考面，對溫度均勻取值，然后求均值建立溫度隨噴水速度變化曲線圖如圖2所示，從圖上可以清晰地看出噴水速度在30 m/s以后，隨著噴水速度的增加，溫度下降緩慢.由此得出最佳噴水速度為25～30 m/s.噴水速度過高，造成水的浪費并增加了能耗；噴水速度過低則達不到最佳脫硫溫度范圍，影響脫硫效率.

圖1 不同噴水速度溫度場示意圖(單位：K)

根據(jù)圖2噴水速度與溫度的關系曲線以及仿真數(shù)據(jù)，采用MATLAB對噴水速度與平均溫度進行三次擬合，可得到如下關系式：

f(v)=-0.0006v3+0.095v2-

4.513v+399.8v≥5

(1)

圖3為噴水速度與溫度關系的擬合曲線，從擬合曲線上可以看出該公式與仿真數(shù)據(jù)誤差很小，擬合度很高，公式(1)可以用于計算噴水量與溫度的關系，從而精確控制煙氣溫度，節(jié)約能耗和水資源，提高脫硫效率.

圖2 噴水速度與溫度關系

圖3 噴水速度與溫度擬合曲線

3 結(jié) 語

提出了冷卻預處理器噴水量與溫度的關系，噴水速度在低于30 m/s時，隨著噴水速度的增加，溫度下降很快；大于30 m/s后，隨著噴水速度增加，冷卻效果不明顯.由此得出最佳噴水速度為25～30 m/s.

參考文獻：

[1]王曉泳．我國燒結(jié)脫硫現(xiàn)狀分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2007(12)：25-27.

[2]李先春,謝安國．爐內(nèi)噴鈣脫硫過程中爐膛溫度及脫硫劑混合的數(shù)值模擬[J].冶金能源，2005(3)：23-26.

[3]Fang L J, Song H P, Zhou Q L, et al. Experimental study on the performance of heat transfer of a novel liquid-gas two-phase flow scrubber for flue gas desulphurization Proceedings[C]//the ASME Power Conference 2005, Pts A and B, 2005：775-778.

[4]周玉新, 劉碧．撞擊流燃煤煙氣濕法脫硫吸收劑的選擇[J].武漢工程大學學報，2007,29(5)：8-10.

[5]Zhang J, You C F, Qi H Y, et al. Effect of operating parameters and reactor structure on moderate temperature dry desulphurization[J].Environmental Science & Technology,2006,40:4300-4305.