急冷塔传热过程模拟及结构优化

2020-11-09毛宇黄卫星

化工设备与管道 2020年4期

毛宇，黄卫星

（四川大学化学工程学院，成都 610065）

目前对于高温烟气急冷塔的设计思路有较为系统的阐述[1]，同时对于急冷塔中的核心部件——双流体喷枪，也有较为详细的描述[2]；但模拟方面的研究还不够深入，不仅需要了解操作参数对于急冷塔运行的影响[3-4]，还应当对结构参数进行优化。本文从顺逆流喷射方式的优缺点出发，根据温度场分布进行区域划分，并说明结构参数可进一步优化的可能性，最后给出特定工况下结构参数优化计算的方法，为大范围操作工况下的急冷塔结构优化设计提供参考。

1 喷射方式的选择

烟气与喷雾液滴之间有顺流喷射和逆流喷射之分，两种喷射方式的简化物理模型如图1 所示，表1 是急冷塔相关参数，烟气主要成分CO2、O2、N2，H2O 摩尔分率占比分别为11.2 %、5.2 %、70.5 %、13.1 %，喷雾参数为50 μm、35 m/s、27.5°（半角）。

图1 顺流喷射(左)和逆流喷射(右)Fig.1 Co-current injection (left) and countercurrent injection (right)

表1 急冷塔相关参数Table 1 Relevant parameters of quench tower

图2 为两种喷射方式下X=0 截面的温度云图，顺流喷射时的蒸发区域较为狭长，而逆流喷射的蒸发区集中在喷嘴附近，且塔内最低温度更小。图3 为塔内平均温度变化，顺流喷射时，塔内平均温度下降较为平缓，而逆流喷射时，温度在喷嘴附近区域急剧下降而后缓慢变化。

为了定量描述塔内温度的均匀性，定义温度均匀性指标Tu= 1-r（r为塔截面温差绝对值与其平均温度的比值）对温度场进行分析。图4 为塔内温度均匀性变化，虽然顺流喷射在出口处的温度均匀性略优于逆流喷射，但出口前温度均匀性较差，也就是说，顺流喷射适用于塔体较高的情况，只有在到达一定的高度后，才能体现出温度均匀性更好的特点。

同时二噁英的最佳温度生成区间是300 ～ 450 ℃，此区间所占体积分率大小将直接影响对二噁英的抑制效果。图5 是二噁英生成区间体积分率随时间变化特性，两种喷射方式都能在1.1 s 内达到稳定，且两条曲线的趋势都是先上升至峰值再下降一段高度并维持稳定，这是因为烟气是从500 ℃开始下降，所以体积分率从0 开始。顺流喷射时的稳定值最终维持在9.8%左右，而逆流喷射则为3.4%左右，显然，逆流喷射对于二噁英的抑制效果更优。

综上，高温烟气与喷雾液滴之间为顺流时，整体温度下降较为平缓，塔体较高时，出口温度均匀性较好；逆流喷雾时，喷嘴附近区域温度急剧下降而后缓慢变化，所需塔高较小且对二噁英的抑制效果更佳。下文采用逆流喷射方式进一步研究。

图2 X=0 截面温度云图Fig.2 Temperature cloud of X=0 cross-section

图3 塔内平均温度变化Fig.3 The average temperature change in the tower

图4 塔内温度均匀性变化Fig.4 The temperature uniformity change in the tower

图5 二噁英生成区间体积分率随时间变化特性Fig.5 Variation characteristics of the volume fraction of dioxin generation interval with time

2 温度场区域划分

图6 是逆流型急冷塔内区域划分示意图，将其分为进口段(773 K， 0 ～ 0.6 m)，蒸发段(452.5 ～ 773 K， 0.6 ～ 1.9 m)，混合段(452.5 K ， 1.9 ～ 3.3 m)三个部分，其中混合段中，截面平均温度几乎不发生变化，但截面温度范围是有差异的，随着高度增加，截面温度范围的上下限在不断收缩靠拢。Z=1.9m，截面温差为48 个温度单位，与该截面平均温度的比值是10.61%；Z=3.3m，截面温差为21 个温度单位，与该截面平均温度的比值是4.64%，这也进一步说明了混合段虽然截面平均温度不发生改变，但随着高度增加，温度均匀程度是不断改善的。同时由图4 可知，随着高度增加，温度均匀性变化速率越来越小，但没有趋于稳定，也就是说，只要有足够的高度，温度会越来越均匀。

图6 逆流型急冷塔内区域划分示意图Fig.6 Schematic diagram of the division of the counterflow quenching tower

3 三种塔径下温度场比较

为了研究塔径变化对温度场的影响，取塔径0.48 m，0.54 m，0.60 m 进行研究，图7 是三种塔径下截面平均温度沿轴向变化，在Z=1.5 m 后，三者出口温度稳定且一致。三种塔径下塔内温度均匀性变化如图8 所示，取温度均匀性90%的直线与三条曲线相交，三种塔径对应的塔高分别为1.9 m，2.0 m，1.8 m。三条曲线变化趋势一致，进入蒸发段后Tu首先急剧下降再快速上升，但上升速率逐渐变缓；增大塔径，蒸发区域下移，整个上升段温度均匀性明显提升，但Tu指标的变化速率与原塔差异不大；减小塔径，蒸发区域上移，在上升前半段温度均匀性略有减小，但后半段提高，说明减小塔径可以提高Tu的上升速率，同时又能减小内壁表面积，由此表明了结构参数可进一步优化。

4 特定工况下塔体结构优化

为了大范围操作工况下的优化设计，现对特定工况下（进口烟气温度600℃，流量14 058 kg/h，出口烟气温度220℃，出水量2 240 kg/h，喷雾粒径125 μm，喷雾角55°）进行结构优化计算。取多组塔径进行建模，优化计算时认为塔体截面温度范围处于0.95T～1.05T区间时（T为热平衡出口温度）已基本实现冷却目的，取满足该温度均匀性要求的最小塔高为有效高度，并以内壁表面积最小为最优解，相关参数如表2 所示。

图7 三种塔径下沿轴向截面平均温度变化Fig.7 The average temperature change along the axial section of the three tower diameters

图8 三种塔径下塔内温度均匀性变化Fig.8 Temperature uniformity change in the tower under three tower diameters

当塔径增加，Z1呈递减趋势，但这个高度并不一定是有效高度，还需要检查此截面温度范围是否在指定区间（468 ～ 517 K）内，图9 为该工况下有效高度H和塔内壁表面积S的变化图，H随D增大呈递减趋势，S先减小后增大，最小内壁表面积对应的塔径D为1.4 m，有效高度为2.55 m，为该工况下的最优解。这里需要说明的是最优塔径并不是精确等于1.4 m，而是在1.3 ～ 1.5 m 之间。