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摘要：以海水脱硫技术为基础，通过对小型填料塔内气流的实验测试和CFD模拟研究，对塔内设置隔栅气体均布器前后的气流均匀性进行了研究比较，对影响塔内气体分布均匀性的因素进行了分析。认为：塔内气流分布均匀与否对脱硫效率有较大影响，设置气流均布器对塔内气流分布有一定的改善作用。
关键词：填料塔；海水脱硫；气流分布；气体均布器
Abstract: to the desulfurization technology as the foundation, through to the small packed tower airflow in laboratory tests and CFD study, to set up the tower in the grille gas uniform is the air flow uniformity before and after the comparison research, the impact of the tower in gas distribution uniformity of the factors were analyzed. Think: the tower in uniform air distribution or not to have great influence on the desulfurization efficiency, air is all set to the tower in cloth is of certain improve air distribution function.
Keywords: packed tower; Seawater desulfurization; Air distribution; Gas uniform is
Abstract：The paper is based on the technology of seawater desulphurization. Through experimental test and CFD simulation of the airflow in test column, we compare the uniform distribution on the condition of setting grid-type distributor and on the condition of empty tower. Then, we analyzed the influencing factors of the gas distribution in packed column. The results show that the desulphurization efficiency is influenced by the gas distribution obviously and the gas distributor can improve the distribution of airflow in packed column.
Key words: packed column; seawater desulphurization; gas distribution, gas distributor
中圖分类号： R122.2+4文献标识码：A 文章编号：
0引言
烟气脱硫作为环境保护的重要环节受到越来越广泛的重视，其中海水脱硫作为一种初投资小、运行费用低、免维护以及无二次污染的新型烟气脱硫方式，已经受到越来越多的重视。海水脱硫中最重要的设备是吸收塔，研究塔内气流分布对研究脱硫效率有着重要的意义。
研究表明填料塔进口气流的初始分布、液沫夹带等情况对填料塔分离效率有较大影响。Eidner研究表明填料层塔截面不同点处的气速差别很大。Kouri认为若气液初始分布均匀，填料床层内的气流分布不受填料的高度和气、液负荷的影响，而且减弱了液体的壁流现象；若气流初始分布不均匀，液体的壁流和沟流现象严重，液体分布变差，影响气液传质与分离，这时气、液负荷都会对气体的不均匀度有很大影响［1］。
作者在深入研究海水脱硫效率之前，首先对填料塔内的气流分布进行了研究，并进行了相关实验。
1脱硫塔效率对比实验
为了研究塔内气流分布对脱硫效率的影响，首先研制了一套海水脱硫设备，如图1所示。吸收塔断面为350mm×350mm，入塔风管的截面尺寸为250mm×100mm，中间为测试口。两法兰间为填料层，实验中可根据实际情况改变填料层厚度，塔截面速度测点分布情况如图2 。
图1 实验设备简图 图2 测点平面布置图
Chart1 Layout of equipment Chart2 Layout of measuring points
为了使实验结果更接近实际情况，我们将实验现场选在某电厂内。实验中现场抽取烟气，海水从塘沽海岸临时拉运。实验参数如下：海水pH=8.0；烟气中SO2浓度为200ppm左右；液气比为5.5——海水流量（升／小时）与烟气体积（立方米／小时）之比；空塔气速为0.3 m/s；填料选用Φ25塑料鲍尔环。结果表明：未设置均布器时，平均脱硫效率为91％；设置均布器时，脱硫效率为92.2％。说明吸收塔入口气流分布均匀性与否对脱硫效率有一定影响。
2脱硫塔内气流分布研究
为了深入研究塔内气流的分布情况，作者利用FLUENT软件进行了空态模拟。模拟中进行了如下假设：（1）假定温度场对气流分布不会产生影响；（2）由于填料层的复杂性，根据填料阻力情况，在填料层所处位置处假设了一个均匀的阻尼层[2][3][4]。
2.1 设置均布器前后的模拟情况
2.1.1设置均布器前
实验塔作为物理模型，塔内平均速度为0.3m/s，无气流均布器时，模拟结如图3和图4。
图3 未设均布器时吸收塔的流场 图4 未设均布器时H=550mm处的流场
Chart3 The flow field without Chart4 The flow field without distributor
distributor in the packed column in the packed column H=550mm
由图3可以看出，气流入塔后在塔底部形成涡流，同时入口一侧也有较大面积涡流出现，气流分布不均匀。图4是H=550mm(H为被测截面到入口管段中心的垂直距离)截面的流场分布情况。由图中可以看出入口一侧的速度较大，而对面塔壁附近的速度较小，两者相差较大。
2.1.2设置均布器后
采用隔栅气流均布器进行导流，安装于气流入口平面之上，均布器型式及安装位置如图5所示。
图5 隔栅均布器结构图
Chart5 The structure of grid-type distrabutor
在同样的速度下，设置隔栅均布器，气流入塔后在塔底部虽然也形成涡流，但沿气流流动方向，速度场呈相对均匀的趋势，如图6所示。
图7为设置隔栅均布器后H=550mm处的流场，除了中心区气流速度相对较小外，其它部位气流分布相对较为均匀。
图6 设置均布器时吸收塔的流场 图7 设置均布器时H=550mm处的流场
Chart6 The flow field with distributor Chart7 The flow field with distributor in
in the column the column H=550mm
用不均匀系数来表示气流分布的均匀性，有如下公式：
式中，ui—第i点速度，m/s；
u—平均风速，m/s。
针对不同的塔内平均速度进行了模拟，结果发现对应着不同的气流不均匀系数，模拟结果如图8所示。
u（m/s）
图8 H=550mm截面Mf与u关系图
Chart 8 The cross section comparison between Mf and u H=550mm
由图中可以看出，设置气流均布器前后Mf都随着空塔气速的增大而增大，但设置均布器后气流不均匀系数要明显小于未设均布器时的情况。
2.2模拟与实验情况对比
为了验证模拟数据的正确性，我们进行了相关实验，如图9、图10所示。两图分别为设置分布器后入口流速为0.3m/s时，H=550mm的断面上l=25mm和l=325mm（距离一侧塔壁25mm和325mm）的两列实测数据与模拟数据图。由图可以看出实验结果与模拟结果基本吻合。
图9 模拟与实测速度比较 图10 模拟与实测速度比较
Chart9 The speed comparison between simulation Chart10 The speed comparison between simulation and actual measurement and actual measurement
3分析
通过以上模拟与实验发现：塔内气流分布均匀性对脱硫效率有一定的影响，应该设置气流均布器。特别是对于气流速度较大的小型脱硫塔，虽然填料层和气水流动阻力会对气流有一定的均布作用，但不能阻止下部填料层的局部气流过大，从而导致液泛现象的发生。
设置气流均布器后，在运行过程中有腐蚀和维护的问题。采用增大气体入口和填料层距离的办法也可以达到匀气的作用，但造价会增大，而且距离的大小与气流速度、气流入口方式等很多因素有关，应从初投资和运行费用两方面综合考慮。
4结论
对于小型脱硫塔，脱硫效率与气流分布有一定的关系；气流分布均匀情况与塔内气流速度有关，速度越大，气流分布越不均匀。增大填料层与气流入口距离可以起到稳流的作用，但要进行技术经济分析。
参考文献：
[1] R.J. Kouri, J. J Sohlo. Liquid and gas flow pattern in random and structured packings[J].Institution of Chemical Engineers Symposium Series,1987,No.104,:193～211.
[2] 吴望一.流体力学[M].北京：北京大学出版社，1982.
[3] 潘文全.流体力学基础[M].北京：机械工业出版社，1980.
[4] 孙鹏程.大型脱硫填料吸收塔气体分布器的研究(硕士学位论文)[D].天津：天津大学，2005.
作者简介：夏颖（1980―），女，河北省卢龙人，工程师，主要从事建筑环境与设备工程设计及室内外环境、建筑节能方面的研究。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：填料塔；海水脱硫；气流分布；气体均布器
Abstract: to the desulfurization technology as the foundation, through to the small packed tower airflow in laboratory tests and CFD study, to set up the tower in the grille gas uniform is the air flow uniformity before and after the comparison research, the impact of the tower in gas distribution uniformity of the factors were analyzed. Think: the tower in uniform air distribution or not to have great influence on the desulfurization efficiency, air is all set to the tower in cloth is of certain improve air distribution function.
Keywords: packed tower; Seawater desulfurization; Air distribution; Gas uniform is
Abstract：The paper is based on the technology of seawater desulphurization. Through experimental test and CFD simulation of the airflow in test column, we compare the uniform distribution on the condition of setting grid-type distributor and on the condition of empty tower. Then, we analyzed the influencing factors of the gas distribution in packed column. The results show that the desulphurization efficiency is influenced by the gas distribution obviously and the gas distributor can improve the distribution of airflow in packed column.
Key words: packed column; seawater desulphurization; gas distribution, gas distributor
中圖分类号： R122.2+4文献标识码：A 文章编号：
0引言
烟气脱硫作为环境保护的重要环节受到越来越广泛的重视，其中海水脱硫作为一种初投资小、运行费用低、免维护以及无二次污染的新型烟气脱硫方式，已经受到越来越多的重视。海水脱硫中最重要的设备是吸收塔，研究塔内气流分布对研究脱硫效率有着重要的意义。
研究表明填料塔进口气流的初始分布、液沫夹带等情况对填料塔分离效率有较大影响。Eidner研究表明填料层塔截面不同点处的气速差别很大。Kouri认为若气液初始分布均匀，填料床层内的气流分布不受填料的高度和气、液负荷的影响，而且减弱了液体的壁流现象；若气流初始分布不均匀，液体的壁流和沟流现象严重，液体分布变差，影响气液传质与分离，这时气、液负荷都会对气体的不均匀度有很大影响［1］。
作者在深入研究海水脱硫效率之前，首先对填料塔内的气流分布进行了研究，并进行了相关实验。
1脱硫塔效率对比实验
为了研究塔内气流分布对脱硫效率的影响，首先研制了一套海水脱硫设备，如图1所示。吸收塔断面为350mm×350mm，入塔风管的截面尺寸为250mm×100mm，中间为测试口。两法兰间为填料层，实验中可根据实际情况改变填料层厚度，塔截面速度测点分布情况如图2 。
图1 实验设备简图 图2 测点平面布置图
Chart1 Layout of equipment Chart2 Layout of measuring points
为了使实验结果更接近实际情况，我们将实验现场选在某电厂内。实验中现场抽取烟气，海水从塘沽海岸临时拉运。实验参数如下：海水pH=8.0；烟气中SO2浓度为200ppm左右；液气比为5.5——海水流量（升／小时）与烟气体积（立方米／小时）之比；空塔气速为0.3 m/s；填料选用Φ25塑料鲍尔环。结果表明：未设置均布器时，平均脱硫效率为91％；设置均布器时，脱硫效率为92.2％。说明吸收塔入口气流分布均匀性与否对脱硫效率有一定影响。
2脱硫塔内气流分布研究
为了深入研究塔内气流的分布情况，作者利用FLUENT软件进行了空态模拟。模拟中进行了如下假设：（1）假定温度场对气流分布不会产生影响；（2）由于填料层的复杂性，根据填料阻力情况，在填料层所处位置处假设了一个均匀的阻尼层[2][3][4]。
2.1 设置均布器前后的模拟情况
2.1.1设置均布器前
实验塔作为物理模型，塔内平均速度为0.3m/s，无气流均布器时，模拟结如图3和图4。
图3 未设均布器时吸收塔的流场 图4 未设均布器时H=550mm处的流场
Chart3 The flow field without Chart4 The flow field without distributor
distributor in the packed column in the packed column H=550mm
由图3可以看出，气流入塔后在塔底部形成涡流，同时入口一侧也有较大面积涡流出现，气流分布不均匀。图4是H=550mm(H为被测截面到入口管段中心的垂直距离)截面的流场分布情况。由图中可以看出入口一侧的速度较大，而对面塔壁附近的速度较小，两者相差较大。
2.1.2设置均布器后
采用隔栅气流均布器进行导流，安装于气流入口平面之上，均布器型式及安装位置如图5所示。
图5 隔栅均布器结构图
Chart5 The structure of grid-type distrabutor
在同样的速度下，设置隔栅均布器，气流入塔后在塔底部虽然也形成涡流，但沿气流流动方向，速度场呈相对均匀的趋势，如图6所示。
图7为设置隔栅均布器后H=550mm处的流场，除了中心区气流速度相对较小外，其它部位气流分布相对较为均匀。
图6 设置均布器时吸收塔的流场 图7 设置均布器时H=550mm处的流场
Chart6 The flow field with distributor Chart7 The flow field with distributor in
in the column the column H=550mm
用不均匀系数来表示气流分布的均匀性，有如下公式：
式中，ui—第i点速度，m/s；
u—平均风速，m/s。
针对不同的塔内平均速度进行了模拟，结果发现对应着不同的气流不均匀系数，模拟结果如图8所示。
u（m/s）
图8 H=550mm截面Mf与u关系图
Chart 8 The cross section comparison between Mf and u H=550mm
由图中可以看出，设置气流均布器前后Mf都随着空塔气速的增大而增大，但设置均布器后气流不均匀系数要明显小于未设均布器时的情况。
2.2模拟与实验情况对比
为了验证模拟数据的正确性，我们进行了相关实验，如图9、图10所示。两图分别为设置分布器后入口流速为0.3m/s时，H=550mm的断面上l=25mm和l=325mm（距离一侧塔壁25mm和325mm）的两列实测数据与模拟数据图。由图可以看出实验结果与模拟结果基本吻合。
图9 模拟与实测速度比较 图10 模拟与实测速度比较
Chart9 The speed comparison between simulation Chart10 The speed comparison between simulation and actual measurement and actual measurement
3分析
通过以上模拟与实验发现：塔内气流分布均匀性对脱硫效率有一定的影响，应该设置气流均布器。特别是对于气流速度较大的小型脱硫塔，虽然填料层和气水流动阻力会对气流有一定的均布作用，但不能阻止下部填料层的局部气流过大，从而导致液泛现象的发生。
设置气流均布器后，在运行过程中有腐蚀和维护的问题。采用增大气体入口和填料层距离的办法也可以达到匀气的作用，但造价会增大，而且距离的大小与气流速度、气流入口方式等很多因素有关，应从初投资和运行费用两方面综合考慮。
4结论
对于小型脱硫塔，脱硫效率与气流分布有一定的关系；气流分布均匀情况与塔内气流速度有关，速度越大，气流分布越不均匀。增大填料层与气流入口距离可以起到稳流的作用，但要进行技术经济分析。
参考文献：
[1] R.J. Kouri, J. J Sohlo. Liquid and gas flow pattern in random and structured packings[J].Institution of Chemical Engineers Symposium Series,1987,No.104,:193～211.
[2] 吴望一.流体力学[M].北京：北京大学出版社，1982.
[3] 潘文全.流体力学基础[M].北京：机械工业出版社，1980.
[4] 孙鹏程.大型脱硫填料吸收塔气体分布器的研究(硕士学位论文)[D].天津：天津大学，2005.
作者简介：夏颖（1980―），女，河北省卢龙人，工程师，主要从事建筑环境与设备工程设计及室内外环境、建筑节能方面的研究。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。