夏建芳, 苑景洲, 張紅波, 趙先瓊
(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長沙 410083)
活性炭脫硫吸附塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
夏建芳, 苑景洲, 張紅波, 趙先瓊
(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長沙 410083)
針對某鋼鐵廠活性炭脫硫吸附塔內(nèi)渦流降低脫硫效率的問題,文章提出了一種在活性炭脫硫吸附塔入口域設(shè)置柵板的優(yōu)化設(shè)計方案。借助Fluent軟件,采用湍流、多孔介質(zhì)、離散相以及組分運(yùn)輸?shù)确椒?建立活性碳脫硫吸附塔脫硫效率仿真模型,分別對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的活性炭脫硫吸附塔的脫硫效率和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明,活性炭脫硫吸附塔內(nèi)無大渦流產(chǎn)生,脫硫效率提升了3.36%;得出了脫硫效率與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)成線性正比關(guān)系,為不同型號活性炭脫硫吸附塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。
活性炭脫硫吸附塔;脫硫效率;優(yōu)化設(shè)計;柵板;結(jié)構(gòu)參數(shù)
隨著環(huán)境污染問題日益突出,我國對鋼鐵企業(yè)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求越來越高。2007年1月頒布的《國家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”規(guī)劃》和2008年7月發(fā)布的《鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)(球團(tuán))》(征求意見稿)對鋼鐵行業(yè)燒結(jié)煙氣SO2從濃度和總量2個方面進(jìn)行了限制,規(guī)定鋼鐵廠排放的燒結(jié)煙氣中SO2的量不高于100 mg/Nm3(Nm3指標(biāo)況體積,即標(biāo)況立方米),燒結(jié)機(jī)SO2產(chǎn)生量一級標(biāo)準(zhǔn)不高于0.9 kg/t[1]。因?yàn)闊Y(jié)工藝作為鋼鐵生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié),其SO2排放量占鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)總排放量的70%左右[2],鋼鐵企業(yè)主要是對燒結(jié)煙氣進(jìn)行脫硫,所以活性炭脫硫吸附塔的煙氣脫硫研究意義重大。
本文以攀鋼集團(tuán)某鋼鐵廠活性炭脫硫吸附塔為模型,在不能調(diào)節(jié)燒結(jié)煙氣工藝參數(shù)(即工藝參數(shù)一定)來提高脫硫效率的情況下,通過采用在入口域內(nèi)設(shè)置柵板和改變活性炭脫硫吸附塔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,達(dá)到提高活性炭脫硫吸附塔脫硫效率的目的。由于燒結(jié)煙氣工藝參數(shù)不同,不同鋼鐵廠的活性炭脫硫吸附塔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)也應(yīng)不同,依據(jù)燒結(jié)煙氣工藝參數(shù)確定活性炭脫硫吸附塔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法,可以為吸附塔的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供一定的依據(jù)。
1.1 物理模型
某鋼鐵廠所提供的活性炭脫硫吸附塔結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。
圖1 活性炭脫硫吸附塔結(jié)構(gòu)
該活性炭脫硫吸附塔主要由3個區(qū)域組成,分別為燒結(jié)煙氣進(jìn)入?yún)^(qū)域(入口域)、活性炭燒結(jié)煙氣反應(yīng)區(qū)域(活性炭域)以及反應(yīng)后燒結(jié)煙氣流出的區(qū)域(出口域),其中活性炭域由8個分割開來的活性炭區(qū)域(活性炭室)組成。燒結(jié)煙氣經(jīng)管道運(yùn)輸后從入口進(jìn)入入口域,在脫硫吸附塔結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)下,燒結(jié)煙氣由豎直方向變?yōu)樗椒较?再由水平流向兩側(cè)水平分布的活性炭室,流向經(jīng)過2次改變。燒結(jié)煙氣進(jìn)入活性炭室后,在活性炭的作用下,煙氣中SO2與O2發(fā)生表面催化反應(yīng),經(jīng)過一系列反應(yīng)后生成硫酸水合物,從而達(dá)到脫硫的目的[3-6]。反應(yīng)后的燒結(jié)煙氣在出口域兩側(cè)匯集后從右側(cè)煙氣出口向下流出。
1.2 網(wǎng)格劃分
由于活性炭脫硫吸附塔模型結(jié)構(gòu)尺寸大,形狀較為復(fù)雜,為了兼顧計算分析的速度與準(zhǔn)確性,采用不同的單元形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分[7],活性炭域選用六面體單元,其他區(qū)域選用四面體單元,尺寸精度控制選擇最高?;钚蕴棵摿蛭剿W(wǎng)格劃分效果圖如圖2所示。其中,網(wǎng)格模型中有293 126個節(jié)點(diǎn)、955 068個單元。
圖2 網(wǎng)格劃分效果圖
1.3 邊界條件
根據(jù)某鋼鐵廠測試數(shù)據(jù)得到相關(guān)參數(shù)如下:
煙氣入口速度v=10.11 m/s,溫度為395 K,處理量(標(biāo)況流量)為 225 000 Nm3/h;煙氣組分為SO2(體積分?jǐn)?shù)0.021%)、O2(體積分?jǐn)?shù)15.6%)、H2O(體積分?jǐn)?shù)10.5%)、CO2(體積分?jǐn)?shù)4.3%)以及N2。
活性炭脫硫吸附塔水平橫向尺寸L1=9.28 m,縱向尺寸L2=2.10 m。活性炭脫硫吸附塔脫硫效率為81.12%。
活性炭脫硫吸附塔脫硫效率受燒結(jié)煙氣分布特性的影響,而吸附塔物理模型又影響燒結(jié)煙氣的分布[8],因此吸附塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。以某鋼鐵廠活性炭脫硫吸附塔為例,借助Fluent軟件[9],采用湍流、多孔介質(zhì)、傳熱、離散相以及組分運(yùn)輸?shù)确椒?建立活性脫硫吸附塔脫硫效率仿真模型,取Z=0截面燒結(jié)煙氣流場進(jìn)行仿真分析,得到的煙氣流場云圖如圖3所示。
由圖3a可以看出,燒結(jié)煙氣在活性炭脫硫吸附塔內(nèi)流動時,從入口流入入口域,流動截面逐漸變大使得燒結(jié)煙氣流速逐漸減小,在活性炭脫硫吸附塔右側(cè)頂部,由于渦流的影響,燒結(jié)煙氣流速小于1 m/s。
由圖3b可以看出,燒結(jié)煙氣流動方向由豎直方向變?yōu)樗椒较?由于活性炭脫硫吸附塔結(jié)構(gòu)尺寸大,結(jié)構(gòu)上沒有直角轉(zhuǎn)彎,燒結(jié)煙氣流線改變較為平緩,在入口域頂部擋板的作用下,燒結(jié)煙氣自頂部向下流動,在中央偏下區(qū)域形成渦流,渦流中心區(qū)域燒結(jié)煙氣流速低于1 m/s。
圖3 Z=0截面燒結(jié)煙氣流場云圖
仿真結(jié)果表明,優(yōu)化后活性炭脫硫吸附塔出口SO2體積分?jǐn)?shù)為0.003 26%,小于國家燒結(jié)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)0.003 5%,滿足國家廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。計算可得此時脫硫效率為84.48%,比改進(jìn)前活性炭脫硫吸附塔脫硫效率提高了3.36%(84.48%-81.12%=3.36%)。
針對活性炭脫硫吸附塔內(nèi)燒結(jié)煙氣產(chǎn)生渦流的問題,本文提出一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,如圖4所示,在活性炭脫硫吸附塔入口域內(nèi)設(shè)置柵板。
圖4 活性炭脫硫吸附塔燒結(jié)柵板位置示意圖
對優(yōu)化后活性炭脫硫吸附塔取不同尺寸柵板進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,當(dāng)柵板尺寸為0.5 m時,柵板所在直線上燒結(jié)煙氣速度分布均衡,入口域內(nèi)沒有明顯可見的渦流,活性炭脫硫吸附塔內(nèi)燒結(jié)煙氣分布明顯改善,如圖5所示。
圖5 Z=0截面優(yōu)化后燒結(jié)煙氣流場云圖
3.1 基本假設(shè)
活性炭脫硫吸附塔結(jié)構(gòu)參數(shù)和燒結(jié)煙氣工藝參數(shù)是影響脫硫效率的主要因素[10-14],為得出優(yōu)化后活性炭脫硫吸附塔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法,對脫硫效率與活性炭脫硫吸附塔結(jié)構(gòu)參數(shù)、燒結(jié)煙氣工藝參數(shù)之間的計算方法作出假設(shè),即
(1)
其中,L、A分別為活性炭脫硫吸附塔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)、燒結(jié)煙氣工藝參數(shù),參數(shù)數(shù)量待定。
因?yàn)榛钚蕴棵摿蛭剿Y(jié)構(gòu)參數(shù)對其流場分布無影響,所以吸附塔結(jié)構(gòu)參數(shù)與燒結(jié)煙氣工藝參數(shù)之間是相對獨(dú)立的,(1)式可以表達(dá)為:
(2)
3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算方法
活性炭脫硫吸附塔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(即活性炭空間尺寸)是影響其脫硫效率的主要因素之一,它涉及到3個方向的尺寸,但由于場地限制,高度改變量有限,且仿真結(jié)果顯示高度對脫硫效率的影響較小,所以本文主要研究活性炭脫硫吸附塔水平面內(nèi)活性炭室的尺寸對脫硫效率的影響?;钚蕴棵摿蛭剿P(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示,分別定義L1為橫向尺寸,L2為縱向尺寸,則(2)式可變?yōu)?
(3)
由結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真結(jié)果可知,脫硫效率與活性炭脫硫吸附塔的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)L1、L2均為線性關(guān)系,當(dāng)脫硫效率小于95%時,對于任意的L1、L2,有
(4)
即活性炭脫硫吸附塔脫硫效率與其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)均為正比關(guān)系,從而由(3)式可得:
(5)
其中,C1為定常量。
由此可以得出結(jié)構(gòu)參數(shù)計算公式為:
(6)
(7)
(6)式為結(jié)構(gòu)參數(shù)與脫硫效率、燒結(jié)煙氣工藝參數(shù)之間的關(guān)系,(7)式為調(diào)整后的結(jié)構(gòu)參數(shù)與原有結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。
圖6 活性炭脫硫吸附塔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)
3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對脫硫效率的影響規(guī)律
3.3.1 橫向尺寸L1對脫硫效率的影響
基于控制變量法,保持L2不變,取不同橫向尺寸L1,對活性炭脫硫吸附塔脫硫效率進(jìn)行仿真,得到不同橫向尺寸L1下出口的SO2體積分?jǐn)?shù)及脫硫效率變化趨勢如圖7所示。
由圖7可知,隨著橫向尺寸L1不斷增大,出口SO2體積分?jǐn)?shù)不斷減小,脫硫效率不斷提高,脫硫效率與L1接近正比關(guān)系;當(dāng)脫硫效率達(dá)到95%左右時,隨著橫向尺寸L1的增大,脫硫效率提高速度變慢,并逐漸趨近100%。
圖7 不同橫向尺寸下出口SO2體積分?jǐn)?shù)及脫硫效率
3.3.2 縱向尺寸L2對脫硫效率的影響
保持L1不變,取不同縱向尺寸L2,對活性炭脫硫吸附塔脫硫效率進(jìn)行仿真,得到不同縱向尺寸L2下出口SO2體積分?jǐn)?shù)及脫硫效率變化趨勢,如圖8所示。
圖8 不同縱向尺寸下出口SO2體積分?jǐn)?shù)及脫硫效率
由圖8可知,隨著縱向尺寸L2不斷增大,出口SO2體積分?jǐn)?shù)不斷減小,脫硫效率不斷提高,脫硫效率與L2接近正比關(guān)系。當(dāng)脫硫效率達(dá)到95%左右時,隨著橫向尺寸L2的增大,脫硫效率提高速度變慢,并逐漸趨近100%。
(1) 為改善入口域內(nèi)燒結(jié)煙氣流場分布,提高活性炭脫硫吸附塔脫硫效率,在入口域內(nèi)設(shè)置柵板,取不同尺寸的柵板進(jìn)行仿真,得到當(dāng)柵板尺寸為0.5 m時,在入口域內(nèi)沒有明顯可見的渦流,燒結(jié)煙氣流場分布明顯改善,活性炭脫硫吸附塔脫硫效率達(dá)到84.48%,提高了3.36%。
(2) 基于控制變量法,分別取不同的橫向尺寸L1和縱向尺寸L2,對活性炭脫硫吸附塔脫硫效率進(jìn)行仿真,得出當(dāng)脫硫效率小于95%時,脫硫效率與L1、L2均為正比關(guān)系。
(3) 根據(jù)活性炭脫硫吸附塔脫硫效率計算公式及仿真結(jié)果,可得關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與脫硫效率成正比,與燒結(jié)煙氣工藝參數(shù)成反比;在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,調(diào)整后的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與原始結(jié)構(gòu)參數(shù)成正比,且斜率為整改后與整改前脫硫效率之比。由此得出不同鋼鐵廠活性炭脫硫吸附塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,為活性炭脫硫吸附塔的設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。
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(責(zé)任編輯 胡亞敏)
Structure optimization design of activated carbon desulfurization absorption tower
XIA Jianfang, YUAN Jingzhou, ZHANG Hongbo, ZHAO Xianqiong
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
In view of the problem that the desulfurization efficiency was reduced by eddy in the activated carbon desulfurization absorption tower of a steel plant, an optimization design scheme was proposed, in which the grid plate was set in the entrance area of the activated carbon desulfurization absorption tower. Based on the Fluent software, a simulation model of desulphurization efficiency of the activated carbon desulfurization absorption tower was set up by using the methods of turbulence, porous media, discrete phase and components transportation. After the structural optimization, the desulfurization efficiency and the key structural parameters were analyzed, respectively. The result shows that no large eddy is generated in the activated carbon desulfurization absorption tower, and the desulfurization efficiency increases by 3.36%; there is a linear proportional relationship between the desulfurization efficiency and the key structural parameters. The study can provide a theoretical basis for the structural design of different types of activated carbon desulfurization absorption tower.
activated carbon desulfurization absorption tower; desulfurization efficiency; optimization design; grid plate; structural parameter
2015-09-22;
2015-12-02
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51734241)
夏建芳(1965-),男,湖南汨羅人,中南大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.
10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.003
TH128
A
1003-5060(2016)12-1598-05