黄孟旗

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

流程工业中经常涉及到2种或多种流体的混合，根据流体相态的不同可以分为均相混合和非均相混合。均相混合是指需混合的各流体均为同相，如气气混合、液液混合；非均相混合是指混合前的流体为不同相，如气液混合、气固混合、液固及气液固混合。混合器根据混合动力的不同，可以分为静态混合器和动态混合器。静态混合器由于结构简单、无机械转动件、可靠性高而得到广泛应用。不同应用场合下混合器的压降、流速等参数可能有所差别，但其基本要求是相同的，即各流体的压降和混合距离尽量短、经过混合器后各流体尽量混合均匀。

为了确保流体的高效均匀混合，在不同的应用场合下需要根据相应要求设计合适的混合器。如对于高压气气混合，由于压力较高、气体密度较大、同等质量的气体高压与低压相比，使气体管径较小，可以有较长的混合距离，容易混合均匀，且允许有一定的压降，该场合混合器结构较为简单，通常采用三通管道型混合器即可以满足要求。对于石油化工行业中常用的液液混合，其要求与高压气气混合接近，通常也采用管道混合器，有10～20 倍管道直径的混合距离即可满足要求。但对于大流量、低压气气混合，由于压力较低、 气体密度较小， 因而气体实际体积流量和管径均较大， 难以实现较长的混合距离， 且允许压降较低， 因此均匀混合的难度较大。本文主要对大流量、低压气气静态混合器的设计和应用进行讨论和分析。

1 烟气混合器要求

通常，烟气脱硫技术可分为湿法、干法和半干法等。由于多方面原因，湿法工艺一直占据主导地位，其市场占比超过90%。近年来，随着环保标准的持续提高，湿法工艺技术所带来的腐蚀、废水处理、蓝烟拖尾和白色烟羽等问题也日益突出。与此同时，半干法和干法工艺技术可从根本上避免湿法工艺技术存在的上述问题。其中，干法工艺主要以活性焦干法脱硫技术为主，由于其具有不耗水、不产生脱硫废水、硫资源可回收利用、无二次污染等突出优势而备受关注。

在活性焦干法脱硫工艺技术开发中，需要将温度较高的原烟气和温度较低的净烟气进行混合，以降低混合后烟气的温度，满足下游吸附塔入口温度的要求【1-2】。以某炼厂催化裂化装置的再生烟气净化为例，其原烟气和净烟气的组成及性质见表1。

根据工艺要求，原烟气和净烟气混合后温度需降至约150 ℃。由于原烟气和净烟气的温差达160 ℃，如果混合器内的混合不均匀，可能会导致原烟气被局部过冷。根据表1中原烟气的H2O、SOx浓度可以得出其露点温度为135～140 ℃。虽然混合后的温度高于其露点温度，但混合过程中如果原烟气被局部过冷，可能会使该区域内温度低于露点温度，从而带来露点腐蚀等相关问题，影响装置的长周期稳定运行。因此，需要开发高效的混合器，确保混合器内原烟气温度逐渐降低，且混合过程不存在局部过冷区，以避免露点腐蚀。同时，由于烟气压力接近常压，体积流量和烟道直径均较大，考虑到投资和现场占地等因素的限制，烟气混合器在保证混合均匀的前提下应尽量缩小尺寸，减小压降。

表1 某炼厂原烟气和净烟气的组成及性质

2 新型高效烟气混合器的开发

高、低温气体的混合通常采用三通管道型混合器(如图1所示)。这种结构的混合器内气体容易偏流，需经过较长的直管段才能保证混合均匀。如采用该型式的混合器对原烟气和净烟气进行混合，温度较低的净烟气与温度较高的原烟气直接接触，混合过程中，偏流会导致部分原烟气局部过冷，使得局部区域的温度低于其露点温度，从而带来露点腐蚀问题，影响装置的长周期稳定运行。

为了满足烟气混合的工艺要求，经过详细分析、研究和计算，提出了一种新型高效烟气混合器，其结构示意见图2。该烟气混合器采用近似于套管的结构，内部设有锥形气体分布器，在锥体周向上均匀开孔。原烟气从侧面进入混合室，净烟气通过锥形分布器进入混合室。由于净烟气体积流量较小， 而且是逐渐从锥段分布器向原烟气中扩散， 混合时净烟气的流量远远小于原烟气的流量， 因此可以有效避免原烟气被局部骤冷， 实现原烟气均匀、 平缓地降温，降低酸露点腐蚀的风险。

图1 三通管道型混合器

图2 新型高效烟气混合器结构示意

3 烟气混合器的模拟计算及应用

为了验证新型的烟气混合器的流体混合效果，针对表1中两流体组成和性质，采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对图1和图2所示的2种结构的烟气混合器进行了数值模拟计算，其速度分布计算结果分别见图3和图4，温度分布结果分别见图5和图6，下面分别予以讨论。

3.1 速度分布分析

从图3可以看出，三通结构横向进口的烟气速度较大，直接冲入对面烟道内壁，并且在靠近横向进口的下部区域出现体积较大的速度较小区域， 同时在90°弯头上部区域出现速度较大的区域。而由图4可知， 由于设置了净烟气锥段分布器，其对入口的原烟气具有阻挡作用， 使得横向进口下部速度较小区域的体积减小， 90°弯头上部区域的速度降低， 有利于原烟气和净烟气的有效混合。

图3 三通结构速度分布云图

图4 新型结构速度分布云图

图5 三通结构计算得出的两流体混合的温度分布云图

3.2 温度分布分析

由图5可知，由于净烟气直接与原烟气混合，混合器内的较大范围内存在明显的高温-低温分界面，混合器内靠近原烟气入口侧的高温区温度为200～220 ℃，而远离原烟气入口侧的低温区温度仅85～110 ℃，表明混合器内的混合并不均匀，在较长的接触范围内的混合效果较差。在混合界面上，温度较高、含SO2和SO3的原烟气能够在较大范围内接触到温度较低的净烟气区域，这部分原烟气的温度可能会快速降低至露点温度以下。同时，混合器内远离原烟气入口侧的内壁温度较低，容易导致管内壁结酸结露，带来露点腐蚀等问题，影响装置的长周期稳定运行。经过计算，该结构混合器原烟气侧的压降为50 Pa，净烟气侧为130 Pa，压降较低。

图6 新型结构计算得出的两流体混合的温度分布云图

由图6可知， 由于在混合室内部设置了锥形流体分布器， 净烟气是通过锥形分布器逐步扩散到原烟气中的， 混和室内四周温度高， 中心锥形分布器附近温度低，温度界面仅存在于锥形分布器附近的一小部分区域内， 在较短的距离内即可实现两股流体的充分混合。在整个混合器内， 温度较高、含SO2和SO3的原烟气没有被骤然冷却， 原烟气侧温度分布也比较均匀， 混合室壁面无明显低温区， 从而降低了混合室内出现露点腐蚀的风险。此外， 通过计算， 该烟气混合器原烟气侧压降约为60 Pa， 净烟气侧压降约为420 Pa， 与现有三通结构相比，原烟气侧压降仅增加10 Pa， 净烟气侧增加了290 Pa。由于净烟气侧设有单独的引风机， 且烟气量相对较小， 其所增加的压降对于电耗的增加幅度很小，可以满足工艺要求。

该新型烟气混合器已经申请国家专利，并在北京燕山石化催化烟气干法脱硫装置上获得了工业应用。目前该项目正在建设中，实际应用效果

需待装置投产后进一步验证。同时，对该烟气混合器设置了保温和伴热设施，避免由于散热导致混合器壁温降低所带来的露点腐蚀等问题，确保该混合器的长周期稳定运行。

4 结语

在活性焦干法脱硫工艺技术开发过程中， 根据原烟气和净烟气的混合要求， 经过对原烟气和净烟气组成性质的差异进行分析， 研究开发了新型烟气混合器。由于新型烟气混合器设置了锥形分布器， 使得净烟气能够逐渐向原烟气中扩散， 混合器内速度和温度分布更加均匀， 可有效防止气体混合过程中出现低温区。与现有三通型混合器相比， 可有效避免露点腐蚀， 同时提高混合效率； 虽然净烟气侧压降有所增加， 但其增加幅度有限， 所带来的电耗增加量很小， 可以满足工艺要求。