蒋 楠，厉雄峰，葛春亮，刘文榉，李晨朗，王先董

（1.浙江天地环保科技股份有限公司，杭州 311100；2.中国机械设备工程股份有限公司，北京 100055）

0 引言

近年来我国经济社会快速发展，同时也产生了持续增长的能源消耗，引发了严重的大气环境问题。颗粒物是我国城市大气空气中最主要的污染物之一，其中细颗粒物的污染尤为严重[1-4]。细颗粒物PM2.5 是指空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒物，很容易悬浮在大气中。由于其粒径小，排放到大气后随气流的传输距离更远，在空气中的停留时间也更长，所以其产生的污染影响范围更广、影响时间更长。

根据生成机理，大气中颗粒物的来源主要可以分为一次颗粒物排放和二次颗粒物排放，其中，工业烟（粉）尘排放量为1 232.6 万t，占全国排放总量的80.1%，工业是一次颗粒物最主要的排放源。而在工业行业中，电力、热力生产和供应业是烟尘排放量的前3 位。因此，必须从源头开始采取一系列手段，控制工业行业的颗粒物排放，以改善大气环境质量。

石灰石-石膏湿法脱硫工艺是目前电力行业运用最为广泛的一种脱硫技术[5]。研究表明[6-7]：对于粉尘而言，WFGD（湿法烟气脱硫）系统的除尘效率能达到60%～80%，但该系统存在设备投资高、布置场地受限等不足[8]。在后超低排放时代，提高脱硫吸收塔协同除尘能力，挖掘吸收塔深度除尘潜力还需进一步研究[9-10]。脱硫吸收塔内部流场较为复杂，涉及到气液固三相介质流动，为了解脱硫吸收塔对颗粒物的脱除机制，利用数值模拟技术进行分析是十分必要的。

1 模型建立

1.1 物模建立

喷淋脱硫吸收塔深度除尘过程包括气液两相耦合、气液固三相流动以及液滴捕集细微颗粒物等复杂过程，本文基于Fluent 软件先对脱硫塔内的气液两相流动进行数值模拟计算，分析塔内气液两相流动的分布情况，以便后续探究脱硫吸收塔协同除尘的捕集机制。

以某中试装置中的喷淋脱硫塔为计算对象，开展气液两相流动模拟分析。中试脱硫塔的结构如图1 所示。

图1 脱硫塔结构示意

脱硫塔塔高29 m，除浆液池部分之外的塔径为3 m，以浆液池底部平面的圆心作为坐标轴的原点；入口管道方向与水平面呈20°，入口中轴线的高度为6.46 m；均流板的设置高度为9.26 m，开孔率为0.40。塔内共设置5 个喷淋层，喷淋层截面布置如图1 所示，8 个喷嘴均匀布置在截面的同一个圆周上，喷淋层编号为1—5 号，高度分别为11.26 m，13.26 m，15.26 m，17.26 m，19.26 m。

1.2 数模建立

1.2.1 基本假设

根据气液两相的流动特征和液相的体积分数，塔内气液两相模拟以气相为连续相，脱硫液滴为离散相，即采用Eulerian-Lagrangian 多相流模型[11-14]。烟气的流动视为定常不可压缩粘性流动，以下为对气相控制方程的描述。

质量守恒方程（连续性方程）：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρg为气相密度；ug为气相速度矢量；μg为烟气的动力粘性系数；p 为气相压力；g 为重力加速度矢量；Fd为喷淋液滴对单位体积流体的作用力；e 为单位质量烟气的内能；λ 为气相导热系数；Tg为烟气的温度；为烟气与外界的能量交换。

喷淋塔内，浆液液滴主要受到重力、曳力、浮力、Basset 力、Saffman 力等作用力，相对于曳力和重力，其他力都很小，可以忽略[15]。液滴运动方程采用牛顿第二定律表示，气流中单个液滴的平衡方程[16]为：

式中：md为浆液滴质量；ud为液滴速度矢量；FD为单个液滴受到的曳力；ρd为液滴密度；dd为液滴直径；Red为液滴雷诺数；CD为曳力系数。

对式（4）进行时间积分就能得到离散液滴颗粒的速度，进而得到液滴颗粒的运动轨迹。

1.2.2 网格划分

对吸收塔进行网格划分，采用了非结构化网格和结构化网格相结合的方式。喷淋区由于考虑了喷淋管道的影响，结构比较复杂，故采用非结构化网格绘制，同时针对重要观察区进行局部加密处理，其余部分均生成结构化网格。研究前期，针对该模型进行了网格无关性验证，在本模型的网格数量下，网格的疏密程度对其模拟结果影响不大。网格划分如图2 所示。

图2 网格划分示意

1.2.3 边界条件

表1 给出了典型工况下数值模拟计算的边界条件和相关参数设置。

表1 气液两相流场边界条件与参数设置

1.2.4 数值计算方法

本文的数值模拟计算基于Ansys Fluent 软件进行求解。本文中，液滴的体积分数视为10%以下，可采用DPM（离散相模型）离散轨道模型在Lagrange 坐标系下计算液滴运动轨迹[17]。采用Realizable k-ε 模型在Euler 坐标系中进行计算，采用稳态计算，使用分离式求解器Pressure-Based Solver，差分方程的求解采用SIMPLEC 算法，动量、能量、湍动能等的离散方法均采用二阶迎风格式[18-20]。

2 脱硫塔内气液两相流场分析

2.1 脱硫塔内液滴分布

图3 给出塔内纵截面液滴体积分数分布，有助于更好地理解塔内液滴对颗粒物的捕集情况。

如图3 所示，液滴分布在喷淋层及其下方的空间，入口附近以及出口区均不存在喷淋液滴。塔内共设置5 个喷淋层，可以看出液滴浓度的变化趋势在高度上会呈现一定的周期性，该周期性会影响气液两相速度场、温度场的分布。

图3 液滴体积分数纵截面分布云图

从图4 可以看出每个分喷淋区内横截面上液滴体积浓度分布会随着高度不同而不断变化。图4（a）所示的平面紧挨喷嘴下方，可以看到8 个明显的液滴密集圈，分别对应8 个喷嘴，平面中心较大一部分区域液滴体积分数较小或几乎为0，说明在每个喷淋层所对应的分喷淋区内，该层的液滴基本被壁面或管道捕集。图4（b）所示的平面，之前的浓度聚集点已扩张成较大的圆，而平面中点由于各喷嘴喷出的液滴迹线在这里有交叉，形成了局部液滴高浓度区。图4（c）所示的平面，液滴的体积分数分布呈现错落规则的花瓣状，但是平面内的体积分数较小，最高只有0.23%。图4（d）所示的平面，只有壁面附近有部分液滴。根据液滴的运动方向，该平面内液滴大部分都将要撞击到壁面而被塔壁捕集，难以继续对颗粒物数量的减少做出贡献。

图4 液滴体积分数横截面分布云图

在高度7～20 m 选取30 个平面，计算液滴的面平均体积分数，得到随高度的变化曲线如图5所示。

图5 液滴横截面平均体积分数随高度的变化

液滴体积分数的变化曲线一共出现5 个峰，峰值所在的塔内高度与喷淋层的位置相对应。液滴体积分数高，才能有更多的液滴对颗粒物进行捕集，故脱硫塔除尘效率的提升需要更高的液滴体积分数。

2.2 气液两相速度场

烟气从塔底部的入口进入喷淋脱硫塔后，气相主流从下至上流动，流动过程中经过均流板。均流板可以让烟气分布趋于均匀，保证液滴与气相很好地混合，有利于脱硫塔中脱硫浆液对SO2的吸收，同时也有利于液滴对颗粒物的捕集。

从图6 可以看到，液滴在竖直方向上的运动距离较短，上层喷淋出的液滴几乎无法运动到下层喷淋以下；所有的液滴迹线未到达烟气入口处就已终止，液滴未能运动到塔底部的入口附近并继续起到捕集颗粒或吸收其他污染物的作用。

图6 液相速度分布

从图7、图8 来看，在每个分喷淋区的中间高度附近，近壁处区域的相对速度数值会高于其余区域的值，而两相相对速度最大值出现在入口附近的对侧壁面，此处对应的惯性捕集效率应该最高，有利于颗粒物的脱除。但是入口对侧的壁面附近，液滴均集中在塔壁附近且体积分数很低，没有足够的液滴参与颗粒物捕集。

图7 气液两相相对速度纵截面分布云图

图8 气液两相相对速度横截面分布云图

2.3 气液两相温度场

烟气以400 K 的初始温度从脱硫塔入口进入，在塔内的温度分布如图9 所示。

图9 气相温度纵截面分布云图

可以看出，纵截面等温线的分布呈现下凹形状，尤其是在1—3 号喷淋层下方形成不同的分区，有明显的分界主要是由于相应位置的液滴体积分数较高。其中，凹下去的区域为前文所述的喷淋层下方的液滴迹线交叉点，而分界线中位置较高的部分处于喷嘴所在的位置，也是液滴的聚集区，因此烟气在这些区域与液滴发生热交换失去较多热量，使得烟气温度明显下降。

气液两相温度差在塔内的分布如图10 和图11 所示，塔内没有液滴的区域两相相对温度设为0。

图10 气液两相相对温度纵截面分布云图

图11 气液两相相对温度横截面分布云图

液滴在塔内的温度变化小，塔内两相温度差的变化主要受到烟气温度变化的影响。由图11 可以看到，在1 号喷淋层以下气液两相温差明显较高，主要因为该区域的烟气温度高，两相温差最高处位于入口对侧壁面处，达到76.2 K。固体颗粒在有温度梯度的流场中，由于其两侧的高温区和低温区给予的压力不同，会使其向低温区迁移，有利于液滴对颗粒的热泳捕集。而随着塔内高度增加，气液两相温差不断减小，捕集效率也不断减弱。

3 结语

气液两相相对速度越大，则液滴对颗粒物的惯性捕集效率就越高，有利于微米颗粒物在塔内的捕集。入口高度对侧壁面附近，虽然气液相对速度较大，但是液滴数目较少，体积分数较低；而壁面附近有更多相对速度较大的区域，则液滴的惯性效率较高，这些区域中脱硫塔对微米级颗粒的脱除作用更强，颗粒数浓度的减小应该更加明显。

气液两相温差越大，则液滴对颗粒物的热泳捕集效率就越高，有利于亚微米颗粒物在塔内的捕集。但是塔内温差最大的区域，液滴体积分数很低，故温差较大区域内的除尘效果还要将各影响因素结合起来进行分析。